I Hydrocarbures simplifiés

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1 Gaz et fioul 1/5 Données communes : Composition volumique de l air est de 21 % de O2 et 79 % de N2. Chaleur latente de vaporisation de l eau : L f = kj/kg. Eléments Carbone Hydrogène Oxygène Azote Soufre Masse molaire (g/mol) PCI C H S kj/kg CH 4 C 2 H 4 C 2 H 6 C 3 H 6 C 3 H 8 C 4 H 8 C 4 H 10 C 5 H 12 PCS (kj/m 3 ) PCI (kj/m 3 ) (source : GDF) I Hydrocarbures simplifiés Exercice 1 Un gaz utilisé pour le chauffage est composé de 95% de méthane et de 5% d éthane. 1) Ecrire les équations de combustion de ce gaz sans l azote (méthane puis éthane). 2) Calculer le volume de chaque composant participant à la combustion de 1 mole de gaz. 3) Calculer le nombre de moles contenues dans 1 m3 de gaz. 4) Calculer alors le volume de chaque composant participant à la combustion de 1 m3 de gaz. 5) N oublier pas de calculer les volumes d azote. 6) Tous les résultats précédents ont été calculés dans les conditions normales de pression et de température, calculer le volume des fumées humides au C.N.T.P. 7) Sachant que les fumées ont une température de 250 C, calculer le volume des fumées sèches. Exercice 2 Un mélange d air et de propane est utilisé dans une chaufferie industrielle. Celui-ci se compose de 18,5 % de propylène (C 3 H 6 ), de 38,5 % de propane (C 3 H 8 ), de 9 % d oxygène (O 2 ) et de 34 % d azote (N 2 ). 1) Ecrire les équations de combustion de ce gaz. 2) Calculer alors le volume de chaque composant participant à la combustion de 1 m3 de gaz. 3) Calculer le volume d air nécessaire à la combustion de 1 m3 de gaz. 4) Calculer le volume des fumées humides. 5) Calculer le taux de CO2max. Exercice 3 le fioul domestique a une composition proche de celle-ci : 86,3 % de carbone, 0,5 %de souffre et 13,2 % d hydrogène. 1) Ecrire les équations de combustion de ce fioul (élément par élément, sans l azote) 2) Calculer le volume de chaque composant participant à la combustion de 1 mole de chaque élément de ce fioul.

2 Gaz et fioul 2/5 3) Calculer alors le volume de chaque composant participant à la combustion de 1 kg de ce fioul. 4) N oublier pas de calculer les volumes d azote. 5) Calculer le volume d air nécessaire à la combustion de 1 kg de ce fioul. 6) Calculer le volume des fumées humides. 7) Calculer le taux de CO2max. II PCS, PCI, Condensation Exercice 4 Soit le gaz d Ukraine dont la composition est la suivante : CH 4 C 2 H 6 C 4 H 10 C 5 H 12 % 97,8 0,5 0,3 1,4 1) Rappeler la relation qui existe entre le P.C.S et le P.C.I.. 2) Calculer le P.C.S. de ce gaz. 3) Calculer le P.C.I. de ce gaz. 4) Calculer la masse volumique de ce gaz. 5) Ecrire les équations de combustion. 6) Calculer le volume de chacun des constituants participant à la combustion de 1 m3 de ce gaz. 7) Calculer la masse d eau produite. 8) Ce gaz est utilisé dans une chaudière à condensation. Les fumées sortent à 60 C et 90% de la masse d eau produite est condensée. Déterminer l énergie totale fournit par la combustion de 1 m3 de ce gaz. Exercice 5 Le butane commercial est utilisé pour la production de chaleur et la production d eau chaude d un petit ensemble collectif. La puissance de la chaudière est de 70 kw. Sa composition est la suivante : C 2 H 4 C 3 H 8 C 4 H 8 C 4 H 10 C 5 H 12 % 3,2 6,1 21,8 68,6 0,3 1) Ecrire les équations de combustion. 2) Déterminer le pouvoir comburivore d 1 m3 ce gaz. 3) Déterminer le pouvoir fumigène d 1 m3 ce gaz. 4) Déterminer le pouvoir fumigène sec d 1 m3 ce gaz. 5) Déterminer dans les conditions normales le débit massique de gaz pour alimenter la chaudière à pleine puissance lorsque l on a un rende ment de 94 % (il n y a pas de condenseur). 6) Quelle économie d énergie (volume de gaz) pourrait-on réaliser avec un condenseur condensant 95% de la vapeur d eau. 7) Calculer le taux de CO2max.

3 Gaz et fioul 3/5 III Utilisation du diagramme Exercice 6 L étude de la composition chimique des fumées à l aide d un appareillage adapté permet de définir le type de combustion obtenu au niveau du générateur, grâce au diagramme de combustion. Ces diagrammes tracés en coordonnées rectangulaires sont la représentation graphique des différents types de combustion : complète neutre complète oxydante incomplète oxydante incomplète réductrice Déterminer grâce au diagramme de combustion du fioul domestique les différents types de combustion obtenus en fonction des valeurs suivantes : (CO2 + SO2) = 15,5 % et O2 = 0 % (CO2 + SO2) = 14 % et O2 = 2 % (CO2 + SO2) = 10,5 % et O2 = 5 % (CO2 + SO2) = 12 % et O2 = 1 % Exercice 7 Soit l étude d un fioul domestique de composition massique suivante : 84,3 % de carbone, 0,5 %de souffre et 12,4 % de dihydrogène, 2 % de dioxygène et 0,8 % de N 2. 1) Déterminer son pouvoir comburivore. 2) Déterminer son pouvoir fumigène. 3) Déterminer son pouvoir fumigène humide. 4) Déterminer son pourcentages de (CO2 + SO2) en combustion complète neutre 5) Déterminer les pourcentages de (CO2 + SO2) et de O2 sachant que la combustion obtenue est complète et que le facteur d air est de 1,2. 6) Vérifier ces résultats grâce au diagramme de combustion.

4 Gaz et fioul 4/5 Exercice 8 Soit l étude du gaz naturel de Lacq dont la composition volumique est la suivante : CH 4 C 2 H 6 C 3 H 8 C 4 H 10 N 2 % 97,3 2,1 0,2 0,1 0,3 1) Déterminer son pouvoir comburivore. 2) Déterminer son pouvoir fumigène. 3) Déterminer son pouvoir fumigène humide. 4) Déterminer son pourcentage de (CO2 + SO2) en combustion est complète neutre. 5) Déterminer les pourcentages d excès d air et de O2 sachant que la combustion obtenue est complète et que le pourcentage de (CO2 + SO2) mesuré dans les fumées sèches est de 10 %. 6) Vérifier ces résultats grâce au diagramme de combustion Problème extrait du bac blanc de mars 95 Le chauffage d un atelier de fabrication est assuré par une chaudière alimentant 6 aérothermes de puissance identique. Le circuit hydraulique comprend un primaire avec la production de chaleur et un secondaire avec l émission de chaleur, les deux étant reliés par une bouteille casse-pression. Primaire et secondaire sont équipés d une vanne 3 voies associée à un régulateur et un circulateur. La vanne 3 voies du primaire est raccordée en mélange, alors que celle du secondaire est raccordée en décharge (répartition). Données techniques : Surface de l atelier : 650 m² Hauteur sous plafond : 4 m Température intérieure : 15 C Température extérieure : -5 C avec 95% d humidité Masse volumique de l air soufflé : 1,13 kg/m 3 Chaleur massique de l air : 1000J/kg C Puissance d un aérotherme : 15 kw Nombre d aérothermes : 6 Puissance de la chaudière : 90 kw Etude de la production de chaleur Le combustible utilisé est un fioul domestique dont la composition massique est la suivante: 85 % de carbone (C), 12 % de dihydrogène (H 2 ), 1 % de soufre (S) et 2 % de résidus non combustibles 1) Calculer le PCI de ce fioul. 2) Donner les équations de combustion des différents composants de ce fioul. 3) Calculer le pouvoir comburivore de ce fioul. Calculer le volume des fumées humides puis celui des fumées sèches pour une combustion stoechiométrique. 4) En déduire la valeur du CO2 max. 5) Pour un excès d air de 25 %, calculez :

5 Gaz et fioul 5/5 a. la quantité d air réelle. b. le volume des fumées humides puis celui des fumées sèches. c. le taux de CO2 qu on pourra mesurer dans les fumées si la combustion est complète en excès d air. d. le volume réel des fumées à 200 C créées par la combustion de 1 kg de F.O.D (fumées = gaz parfait - transformations isobares). 6) Calculer la masse d eau produite par la combustion de 1 kg de ce F.O.D. 7) En déduire la valeur de PCS sachant que la chaleur latente de condensation de l eau à la pression d utilisation est de 2255 kj/kg. 8) Calculer le débit de fuel nécessaire pour chauffer l atelier avec un rendement utile (global chaudière) de 90%.