Comment produit on industriellement de la vapeur d eau?.

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1 Comment produit on industriellement de la vapeur d eau?. combustion_chaudiere.html Schéma de principe d une chaudière de production de vapeur Plan Ti d une boucle vapeur 1/9

2 La vapeur d eau est généralement utilisée à des fins d entrainement lors de sa détente au travers des aubages d une turbine. L importante valeur de la chaleur latente de vaporisation de l eau est également utilisée pour emmagasiner de la chaleur et permettre un transfert thermique à un autre fluide par contact ou mélange. On produit de la vapeur dans des chaudières de différents types : - Chaudière électrique - Chaudière à tubes de fumées - Chaudière à tubes d eau. La plupart de ces chaudières utilisent comme source de chaleur une réaction.. ( avec flamme ) entre un et le dioxygène de l air ( ou pur ) jouant le rôle de. et apporté par convection naturelle ou forcée. Nous verrons aussi ultérieurement le principe d un générateur de vapeur utilisé dans les centrales nucléaires. On distingue les combustibles courants suivants accompagnés de leurs compositions générales : SOLIDE LIQUIDE GAZ Hydrocarbures Constituants C, H 2 O, Cendres C ; H 2 ; S Mélanges CnHm, N 2, CO 2 Combustibles courants Charbons, Anthracites, Bois F O D Fiouls Lourds Gaz naturels, Butane et Propane commerciaux, Air Propané COMBUSTIBLES GAZEUX ( % en Volume ) Nature LACQ GRONINGUE SAHARA MER DU Russie LE HAVRE NORD C H 4 % 97,3 82, ,6 92,3 C 2 H 6 % 2,1 3,2 9,4 4,6 3,2 C 3 H 8 % 0,2 0,6 2,6 1,1 0,8 C 4 H 10 % 0,1 0,2 0,6 0,3 0,2 C 5 H 12 % 0,1 0,1 0,1 CO 2 % 1 1,4 0,4 N 2 % 0,3 12 0,4 3,9 3 Masse volumique kg/m 3 0,74 0,83 0,82 0,81 0,78 COMBUSTIBLES LIQUIDES (% en Masse) C % S % H % O % N % Fiouls domestiques (FOD) 84,3 0,5 12,4 2 0,8 Fiouls lourds n ,5 0,7 0,8 2/9

3 Si la réaction de combustion est complète, elle produit du CO 2, de l'eau H 2 O sinon il y a formation également d'autres composés plus ou moins agressifs. Equation générale de combustion complète des hydrocarbures de type CnHm : H comb.. CnHm +.. O 2... CO H 2 O Les produits de combustion (fumées) sont quant à eux, constitués principalement de : Principalement : Eventuellement : 1. Dioxyde de carbone : CO 2 2. Vapeur d eau : H 2 O 3. Anhydride sulfureux : SO 2 4. Azote : N 2 5. Oxygène (excès ) : O 2 6. Monoxyde de carbone : CO 7. Oxydes d azote No x : NO, NO 2 8. Hydrogène libre : H 2 9. Imbrûlés solides ou gazeux La présence et le pourcentage de ces constituants présents dans les produits de combustion permettront : a) de définir le type de combustion b) d envisager les risques potentiels : - d asphyxie pour les personnes - de corrosion du matériel (chaudière et conduit ) - de pollution atmosphérique c) d affiner les réglages du brûleur et d améliorer les rendements. Le bilan quantitatif de l équation bilan est donc le suivant : CnHm + (n+m/4) O 2 n CO 2 + (m/2) H 2 O [kmol] n(cnhm). n(o 2 ). n(co 2 ). n(h 2 O). [kg] 12n+m 32(n+m/4) 44n 9m [m 3 ] 22,4 22,4.(n+m/4) 22,4.n 22,4.(m/2) Les produits de la combustion renferment généralement de la vapeur d'eau qui provient de l'humidité initiale du combustible, de l'humidité de l'air ambiant et de l'eau produite au cours de la combustion de l'hydrogène contenu dans le combustible. La quantité de chaleur que cette vapeur d'eau peut libérer est contenue dans la chaleur fournie par la combustion mais elle n est pas toujours restituable dans les combustions industrielles car l'eau évacue cette chaleur sous la forme de vapeur surchauffée. Selon la température des fumées ( produits gazeux formés + diazote n ayant pas réagi + éventuellement excès d air ), si celle ci est inférieure à la température.., l eau va se.. Transformer en correspond à une.. aux fumées via un échangeur placé dans leur conduit d évacuation. 3/9

4 C est le principe des chaudières. : Les fumées sont alors évacuées à environ 70 C (voire moins ) au lieu de 200 C avec une chaudière traditionnelle. Elles réchauffent alors gratuitement l eau du circuit de chauffage et s ajoutent à la chaleur de la combustion ce qui permet d atteindre un rendement supérieur aux chaudières sans condensation et donc diminue la consommation de combustible. L eau résultant de la condensation (les condensats), est évacuée quant à elle vers l égout ou la bâche de stockage. En France, la chaudière domestique à condensation devient petit à petit la chaudière de référence en terme d'économies d énergie puisqu elle est vouée à être le standard de la prochaine réglementation thermique RT La chaudière à condensation doit sa dénomination au fait que, pour produire la chaleur, elle utilise non seulement le pouvoir calorifique inférieur PCI d'un combustible mais également son pouvoir calorifique supérieur PCS. Pour tous les calculs de rendement, les normes françaises et européennes ont retenu comme référence le PCI. En utilisant le PCI pour décrire une chaudière gaz à condensation, on obtient des rendements supérieurs à 100 grâce à la restitution de la chaleur latente représentant 11 %. Cette méthode représente le seul moyen de comparaison entre les chaudières classiques et les chaudières à condensation. Pouvoir calorifique inférieur (PCI) et pouvoir calorifique supérieur (PCS) Le pouvoir calorifique inférieur PCI indique la quantité de chaleur pouvant être produite avec une certaine quantité de combustible (solide, liquide ou gazeux). Le pouvoir calorifique PC d un combustible est la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète, sous la pression atmosphérique normale, de l unité de masse ou de volume de combustible, celui-ci ainsi que les produits de combustion étant ramenés dans les C.N.T.P : PC = H combustion (1kg combustible liq ou sol ) ou PC = H combustion ( 1 Nm 3 combustible gaz ) PC = n (unité de combustible) R H combustion Unité : [kj/kg(n) de combustible solide ou liquide ] ou [kj/m 3 (n) de combustible gazeux ] Remarque : (n) signifie que toutes les réactions se produisent dans les conditions normales de température et de pression.( patm et T = 0 C ) : 1Nm 3 = 1m 3 de gaz dans ces conditions 4/9

5 Le PC peut se calculer à partir de la composition du combustible en utilisant les tables d enthalpies de formation de ses constituants ( voir chap chaleurs de réaction ) ou déterminer expérimentalement par calorimétrie. ( voir TP et annexe ) On doit distinguer : Le pouvoir calorifique est dit inférieur (PCI) quand l eau résultant de la combustion de l hydrogène et des hydrocarbures est supposée à l état de.. dans les produits de combustion. Le pouvoir calorifique est supérieur (PCS) quand cette eau de combustion est ramenée à l état.. dans les fumées. ( si T vapeur < T rosée dans les chaudières dites à condensation ) PCS = PCI +... = PCI +.. Lv mol Lv mol = 44 KJ.mol -1 Lv = 2400 KJ.kg -1 m H 2 O et n H 2 O étant respectivement la masse d eau et la quantité d eau formé au cours de la combustion complète de l unité de combustible ( 1kg ou 1 Nm 3 ) PCI Le rapport dépend de la proportion des différents éléments du combustible. Pour les combustibles gazeux PCS usuels, ce rapport est de l'ordre de. Le tableau donné en annexe regroupe les pouvoirs calorifiques de la plupart des combustibles usuels. 5/9

6 Documents d'accompagnement Détermination expérimentale du pouvoir calorifique a) Cas des combustibles solides ou liquides Pour les combustibles solides ou liquides, la détermination expérimentale s'effectue à l'aide de la bombe calorimétrique, dite bombe (ou obus) de Mahler. La combustion dans la bombe s'effectuant à volume constant, et avec condensation finale de l'eau formée, le pouvoir calorifique mesuré est donc un pouvoir calorifique supérieur à volume constant. L'appareil est constitué par un récipient à parois épaisses en acier émaillé intérieurement ou acier inoxydable. Ce récipient est fermé par un couvercle à vis, muni de traversées isolées pour l'amenée d'un courant électrique, ainsi que d'une tubulure d'introduction d'oxygène fermée par un robinet. La capacité intérieure de la bombe est de l'ordre d'un quart de litre à un demi-litre environ. Elle est plongée dans l'eau d'un calorimètre, qui servira à mesurer la quantité de chaleur dégagée par la combustion. Le principe de l'opération consiste à faire brûler dans une coupelle introduite dans la bombe une masse connue de combustible en présence d'oxygène sous pression et d'un peu d'eau, et à mesurer l'élévation de température du calorimètre, ce qui permet de calculer la quantité de chaleur dégagée dans la bombe, d'où le pouvoir calorifique du combustible. L'inflammation du combustible est parfois produite par un petit cordon d'allumage entourée d'une spirale de platine que l'on porte au rouge en y lançant un courant électrique. Dans les laboratoires industriels, on utilise plus, souvent pour enflammer le combustible, une petite spirale de fil de fer fin en contact avec l'échantillon de combustible. a) b) b) Cas des combustibles gazeux Le procédé utilisé consiste à mesurer l'élévation de température d'une quantité d'eau déterminée sous l'action de la chaleur dégagée par la combustion d'un volume de gaz connu. L'appareil généralement utilisé est le calorimètre de Junker.spécialement conçu et réalisé pour permettre des déterminations rapides. Le gaz, dont le débit est mesuré à l'amont du calorimètre par un compteur étalonné, brûle dans un brûleur réglé pour une combustion complète. Les fumées circulent dans une boîte formant en quelque sorte échangeur, où elles cèdent leur chaleur à de l'eau. La connaissance de la quantité d'eau chauffée et de ses températures d'entrée et de sortie fournit immédiatement la quantité de chaleur dégagée par la combustion du volume de gaz mesuré, d'où le pouvoir calorifique du gaz. 6/9

7 Exercices sur les Pouvoirs calorifiques Ex 1 : Chaudière à condensation Dans une chaudière à condensation, on laisse les gaz produits par la combustion du fuel se refroidir à moins de 100 C, afin que la vapeur d eau se condense. - Pourquoi ces chaudières permettent-elles de faire des économies de combustible? - Comparez les volumes de fuel nécessaire pour chauffer 100 litres d eau de 20 à 70 C, avec (1) et sans (2) condensation. Données: On considèrera que la chaleur récupérée par le refroidissement des gaz jusqu à 100 C est négligeable devant les effets de la condensation. ΔH c,298 (fuel = C 15 H 32 ) = kj.mol -1 (PCS). Masse volumique du fuel: ρ = 0.77 kg.l -1. Rendement de la chaudière: η = 80% Lv eau = 44 kj.mol -1, cp eau liquide = 4186 J.Kg -1.K -1. Ex2 : Caractéristiques du méthane - Déterminer les pouvoirs calorifiques à P constante du méthane CH 4. Les grandeurs seront évaluées par unité de combustible ( en m 3 (n) et /Kg ) On donne les enthalpies standards suivantes : H comb ( CH 4 ) = KJ.mol -1 Lvap ( H 2 O ) = 44 kj.mol -1 Ex 3 : Caractéristiques du propane commercial Le propane commercial est composé d'hydrocarbures gazeux dont la composition ( en % ) est la suivante : - éthylène ( C 2 H 4 ) : 0,5 - éthane ( C 2 H 6 ) : 2 - propène ( C 3 H 6 ) : 30 - propane ( C 3 H 8 ): 65,5 - butane ( C 4 H 10 ) : 2 1) Ecrire les équations de combustion complète de ces hydrocarbures 2) On donne les enthalpies standards de combustion de chaque hydrocarbures ( en kj / mol ): - éthylène ( C 2 H 4 ) : -1, éthane ( C 2 H 6 ) : -1, propène ( C 3 H 6 ) : - 2, propane ( C 3 H 8 ): -2, butane ( C 4 H 10 ) : 3, L'enthalpie standard de vaporisation de l'eau : 44 kj / mol Calculer les Pouvoirs calorifiques en kj/nm 3 : 7/9

8 Exercice 4 : BTS 2003 : Enthalpie de combustion du propane (C3H8) dans le dioxygène. 1.1 Écrire l'équation bilan de la combustion complète du propane dans le dioxygène. 1.2 Calculer la variation d'enthalpie, de cette combustion, tous les corps étant à l'état gazeux. Données numériques : enthalpies standard de formation à 25 C. (C 3 H 8, vap) = -104 kj.mol -1, (H 2 O, vap) = -242kJ.mol -1, (CO 2, vap) = kj.mol A l'aide de la table de valeurs fournie ci-dessous, déterminer la variation d'enthalpie (en kj.mol 1 ) de la combustion du propane gazeux à 25 c, l'eau formée étant en phase vapeur. Comparez les valeurs obtenues en 1.2 et L'énergie dégagée par la combustion complète à pression constante d'un normo-mètre cube de gaz (un mètre cube pris à 0 c sous la pression de Pa), l'eau formée étant sous forme de vapeur, s'appelle pouvoir calorifique inférieur (PCi). Calculer le PCi du propane. Données numériques : Le propane gazeux sera considéré comme un gaz parfait. Constante des gaz parfaits : R = 8,32 J.K -1.mol -1. C = 12 g. mol -1 H = 1 g. mol -1 O = 16 g. mol -1 Enthalpies de combustion de quelques hydrocarbures à 25 C Ex 5 : Premier exercice BTS 2004 : combustion du fioul dans une chaudière (13 points) L autre solution possible pour chauffer le local est d utiliser une chaudière au fioul. Compte tenu du rendement, la puissance de la chaudière est de 30 kw. On admet que le fioul est assimilable à de l heptane, de formule brute C 7 H 16. 1) Écrire l équation de la réaction de combustion totale de l heptane dans le dioxygène de l air. 8/9

9 2) On donne les enthalpies standard de formation à 25 C suivantes: (H 2 O vap ) = kj.mol -1 (CO 2vap ) = kj.mol -1 (C 7 H 16 vap ) = kj.mol -1 Calculer la variation d enthalpie de cette combustion, tous les corps étant pris à l état gazeux, l enthalpie de combustion est supposée indépendante de la température. En déduire le pouvoir calorifique inférieur (PCI) de l heptane, en kj.kg -1. On donne les masses molaires atomiques : M(C) = 12,0g.mol -1, M(H) = 1,0 g.mol -1. 3) Le pouvoir calorifique inférieur (PCI) d un hydrocarbure est donné en kj.mol -1 par la formule empirique suivante: PCI = n, où n représente le nombre d atomes de carbone. Calculer celui de l heptane en kj.mol -1, puis en kj.kg -1. Comparer au résultat de la question précédente. 4) Calculer l énergie que doit fournir la chaudière en 1 heure. En déduire sa consommation horaire en fioul en kilogrammes et en moles. 5) Calculer le débit d air d alimentation de la chaudière en m 3.h -1. (On admet que l air contient 20 % de dioxygène en volume et que le volume molaire des gaz est V m = 24 L.mol -1 aux température et pression considérées ici) 9/9