Upload
calder
View
108
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Termoeconomía y optimización energética. Temario. 1. Introducción. 2. Revisión de termodinámica. 3. La exergía. 4. Determinación de exergía. 5. Balances y Álgebra lineal. 6. El coste exergético. 7. Análisis termoeconómico. 8. Optimización termoeconómica. 9. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
1TOE2009 c04 Determinación de exergía
Termoeconomía y optimización energética
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
2TOE2009 c04 Determinación de exergía
TemarioIntroducción
Revisión de termodinámica
La exergía
Determinación de exergía
Balances y Álgebra lineal
El coste exergético
Análisis termoeconómico
Optimización termoeconómica
Integración energética
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
3TOE2009 c04 Determinación de exergía
b = bint + bk + bp
EstadoActual (T, p)
Estadoambiental
TO ,pOEstadoMuertoTO ,pOO
bint
bfísica
bquímica
Exergía interna
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
4TOE2009 c04 Determinación de exergía
bint = bfísica + bquímica
OOOfísica ssThhb
La exergía química sólo interesa cuando haya reacciones, ó cambios de composición, en el sistema estudiado.
Exergía física.
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
5TOE2009 c04 Determinación de exergía
dTTChd p )(~
pdpR
TdTTCsd p )(~
OOOfísica ssThhb
oo p
pRTdTTTTCb o
T
T
o
pfísica ln1)(~
Sustancia a1 103 a2 106 a3 109 a4 1012 a5 3,3554 0,5013 -0,2301 -0,4790 0,4852 Hidrógeno H2 3,0667 0,5747 0,0139 -0,0255 0,0029 3,7837 -3,0234 9,9493 -9,8189 3,3031 Oxígeno O2 3,6122 0,7485 -0,1982 0,0337 -0,0024 3,7044 -1,4219 2,8670 -1,2029 -0,0140 Nitrógeno N2 2,8533 1,6022 -0,6294 0,1144 -0,0078 2,4008 8,7351 -6,6071 2,0022 0,0006 Dióxido
de carbono
CO2 4,4608 3,0982 -1,2393 0,2274 -0,0155
4,1677 -1,8115 5,9471 -4,8392 1,5292 Agua H2O 2,6110 3,1563 -0,9299 0,1333 -0,0075 3,2665 5,3238 0,6844 -5,2810 2,5590 Dióxido
de azufre SO2 5,2451 1,9704 -0,8038 0,1515 -0,0106 3,7101 -1,6191 3,6924 -2,0320 0,2395 Monóxido
de carbono
CO 2,9841 1,4891 -0,5790 0,1036 -0,0069
4,0460 -3,4182 7,9819 -6,1139 1,5919 Oxido nítrico NO 3,1890 1,3382 -0,5290 0,0959 -0,0065
3,9323 -0,5026 4,5928 -3,1807 0,6650 Sulfuro de hidrógeno H2S 2,7452 4,0435 -1,5385 0,2752 -0,1860
3,7730 -0,8298 11,8019 -12,1269 4,1764 Amoniaco NH3 2,3169 6,2841 2,1251 0,3402 -0,0215 2,6601 7,3415 7,1701 -8,7932 2,3906 Metanol CH3OH 4,0291 9,3766 -3,0503 0,4359 -0,0222 2,9284 2,5691 7,8437 -4,9103 0,2038 Metano CH4 2,3594 8,7309 2,8397 0,4046 -0,0205 1,4625 15,4947 5,7805 -12,5783 4,5863 Etano C2H6 4,8259 13,8404 -4,5573 0,6725 -0,0360 1,2187 13,0236 3,3733 -10,9300 4,6081 Etileno C2H4 4,4007 9,6285 -3,1701 0,4581 -0,0237 1,4103 19,0573 -24,5014 16,3909 -4,1345 Acetileno C2H2 4,5751 5,1238 -1,7452 0,2867 -0,0180 0,8969 26,6899 5,4314 -21,2600 9,2433 Propano C3H8 7,5252 18,8903 -6,2839 0,9179 -0,0481 1,4933 20,9252 4,4868 -16,6891 7,1581 Propileno C3H6 6,7323 14,9083 -4,9499 1,1502 -0,0377 1,5223 34,2868 8,1007 -29,2149 12,6728 n-Butano C4H10 10,5270 23,6272 -7,8760 1,1502 -0,0603 1,8779 41,2165 12,5323 -37,0154 15,2527 n-Pentano C5H12 16,6780 21,1448 -3,5333 -0,5742 0,1516
45
34
2321
)(TaTaTaTaa
RTC p
Bfis. Gases ideales puros. OOOfísica ssThhb
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
6TOE2009 c04 Determinación de exergía
)(~)(~~ oT
Tp
o ppvdTTChho
OOOfísica ssThhb
)(~1)(~ o
T
T
o
pfísica ppvdTTTTCb
o
T
T
po
o
dTTTC
sTs)(~)(~
OOOfísica ssThhb
Bfis. Sustancias incompresibles
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
7TOE2009 c04 Determinación de exergía
Gas real puro
hhh ~'~'~
p
o pT dpv
TvTh ]~~
['~
sss ~'~'~
p
pT dp
pR
Tvs
0
~'~
dTTChd p )(~
pdpR
TdTTCsd p )(~
Gas ideal sThb OPhysical
~~~
12
OOOfísica ssThhb
Bfis. Gases reales puros
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
8TOE2009 c04 Determinación de exergía
n
ii Thxh1
)(~~
n
ii
n
ii xxRTsxs11
ln)(~~
oo p
pRTdTTTTCb o
T
T
o
pPhysical ln1)(~
n
piip TCxC1
)(dTTChd p )(~
pdpR
TdTTCsd p )(~
Mezcla gases ideales
OOOfísica ssThhb
Bfis. Mezclas de gases
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
9TOE2009 c04 Determinación de exergía
n
ioii
n
ii
noiimix xRTbxxxRTbxb
111
ln~ln~~
n
iioii
n
iii
noiimix xRTbxxxRTbxb
111
ln~ln~~
Ideal
No ideal
Coeficientes de actividad
ioii xRT ln
noiii
noiimix
xb
bxbb
1
1
~
~~~
Potencial químico
Bfis. Disoluciones.
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
10TOE2009 c04 Determinación de exergía
EstadoAmbiental
TO ,pO
EstadoMuertoTO ,pOO
bint
bchemical Sustancias de referencia Equilibrio con el AER
23 FBA\C211a*.ppt
Muerto
Equilibrio termodinámico completo
Ambiental
Equilibrio restringido
Sistema Ambiente
Sistema Ambiente
EstadoFísico (p, T) y químico ()
Físico (p, T)
Estados de referencia
Bquim. Introducción
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
11TOE2009 c04 Determinación de exergía
Sustancia gaseosa contenida en el AER
Mezcla gaseosa
Combustible
oo
ooo p
pRTb ln~
i
iioi
oiidiso xxRTbxb ln~~,
)(~.).(~)()(~2, 2
ObnprodscombbnXgXb oOi
oiicomboo
Bquim. Casos simples
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
12TOE2009 c04 Determinación de exergía
Tablas de exergías químicas de sustancias comunes
To, po AER 25 ºC 1 atm
)(~)(~)(~, XgelembnXb formo
ioiio
S u s t a n c i a E s t a d o P e s o m o l e c u l a r (X)b o~ ( k J m o l - 1 )
A g s 1 0 7 , 8 7 7 3 , 7 3 A l s 2 6 , 9 8 8 8 7 , 8 9 A l 2 O 3 s , c o r i n d ó n 1 0 1 , 9 6 2 0 4 , 2 7 C s , g r a f i t o 1 2 , 0 1 4 1 0 , 8 2 C O g 2 8 , 0 1 2 7 5 , 4 3 C O 2 g 4 4 , 0 1 0 , 1 4 C a C 2 s 6 4 , 1 1 4 7 1 , 2 1 C a C O 3 s , c a l c i t a 1 1 , 0 9 5 , 0 5 C a ( N O 3 ) 2 s 1 6 4 , 0 9 - 1 1 , 9 7 C a O s 5 6 , 0 8 1 1 9 , 6 2 C a ( O H ) 2 s 7 4 , 0 9 6 2 , 5 C a 3 ( P O 4 ) 2 s , a l f a 3 1 0 , 1 8 3 1 , 9 1 C a S O 4 s , a n h i d r i t a 1 3 6 , 1 4 4 , 3 C a S O 4 . 2 H 2 O s , y e s o 1 7 2 , 1 7 2 , 7 6 C a S i O 3 s 1 1 6 , 1 6 2 7 , 5 9 C l 2 g 7 0 , 9 1 1 1 7 , 5 2 C r s 5 2 5 3 9 , 2 6 C r 2 O 3 s 1 5 1 , 9 9 3 6 , 5 1 C u s 6 3 , 5 4 1 3 4 , 4 C u C O 3 s 1 2 3 , 5 5 3 3 , 2 1 C u O s 7 9 , 5 4 6 , 5 9 C u ( O H ) 2 s 9 7 , 5 5 1 9 , 7 7 C u S O 4 s 1 5 9 , 6 8 0 , 9 4 F e s 5 5 , 8 5 3 7 7 , 7 4 F e 3 C s , c e m e n t i t a 1 7 9 , 5 5 1 5 5 8 , 5 7 F e C O 3 s , s i d e r i t a 1 1 5 , 8 6 1 2 0 , 4 1 F e O s 7 1 , 8 5 1 3 3 , 7 5 F e 2 O 3 s , h e m a t i t e s 1 5 9 , 6 9 2 0 , 3 7 F e 3 O 4 s , m a g n e t i t a 2 3 1 , 5 4 1 2 6 , 9 6 F e ( O H ) 3 s 1 0 6 , 8 7 4 6 , 5 3 F e S 2 s , p i r i t a 1 1 9 , 9 8 1 4 4 7 , 4 1 H 2 g 2 , 0 2 2 3 8 , 4 9 H C l g 3 6 , 4 6 8 5 , 9 5 H N O 3 l 6 3 , 0 1 4 5 , 6 5 H 2 O l 1 8 , 0 2 3 , 1 2 H 2 O g 1 8 , 0 2 1 1 , 7 1 H 3 P O 4 s 9 8 9 8 , 8 5 H 2 S s 3 4 , 0 8 8 0 4 , 7 7 H 2 S O 4 l 9 8 , 0 8 1 6 1 , 0 1 H g l 2 0 0 , 5 9 1 2 2 , 7 H g S s 2 3 2 , 6 5 6 7 9 , 4 3 M g s 2 4 , 3 1 6 2 6 , 7 1 M g C O 3 s 8 4 , 3 2 1 3 , 7 M g O s 4 0 , 3 1 5 9 , 1 7 M g ( O H ) 2 s 5 8 , 3 3 3 3 , 8 3 M n O 2 s 8 6 , 9 4 2 1 , 1 1
Cambio de exergía en una reacción química en condiciones ambientes (T0 p0)
Exergías químicas estándar
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
13TOE2009 c04 Determinación de exergía
bint = bfísica + bquímica+ ¿bmezcla?
Exergía total.
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
14TOE2009 c04 Determinación de exergía
Calcular la exergía química estándar de la alúmina
molekJ
molekJ
molekJOAlbo 82,157697,3
2389,8872)(
~32
Datos:molekJAlb 89,887)(~
molekJOb 97,3)(~
2
molekJOAlg formo 82,1576)(~
32,
molekJOAlbo 92,204)(~
32
2 Al + 3/2 O2 Al2O3
Bquim con valores Estándar. Ej.
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
15TOE2009 c04 Determinación de exergía
Combustión adiabática y completa de metano con un 20 % de exceso de aire. Condiciones ambientes: 25 ºC y 1 atm
Calores molares medios para el rango de temperaturas de 0 ºC a 2 000 ºC (JK-1mol-1 ):
14,298 61.890
~ kJmolCHh ocomb
12,298 671.40~ kJmolOHh o
vap
Combustión de CH4 (To,po):
Vaporización de H2O (To,po):
CH4 + 2O2 =CO2 + 2H2O (l) ;
H2O(l) = H2O(g) ;
CO2 H2O(g) O2 N2
54.18 42.89 33.47 33.05
Bquim con valores Estándar. Ej.
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
16TOE2009 c04 Determinación de exergía
CH4+2.4 O2 + 9.03 N2 = CO2 + 2H2O(g) + 0.4 O2 + 9.03 N2
Reactivos (298 K) Productos (Tg)
Productos (298 K)
0..298 prodscombo HHH
OHhCHhH ovap
ocomb
o2,2984,298298
~2~
g
o
T
Tprodscombpprodscomb dTH ..,.. C
Temperatura de llama – Ley de Hess
Adiabático + 1er principio
Bquim en una combustión. Ej.
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
17TOE2009 c04 Determinación de exergía
CH4+2.4 O2 + 9.03 N2 = CO2 + 2H2O(g) + 0.4 O2 + 9.03 N2
0 45183.027.809..298 tHHH prodscombo
OHhCHhH ovap
ocomb
o2,2984,298298
~2~
g
o
T
Tprodscombpprodscomb dTH ..,.. C
1298 27.809 molkJH o
2222.., 03.94.0,2 NCOCgOHCCOC ppppprodscombp C
t=1791 K
Temperatura de llama
Bquim en una combustión. Ej.
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
18TOE2009 c04 Determinación de exergía
Exergía física
ooofísica ssThhb ~~~~~
opo TTChh ~~oo
po ppR
TTCss lnln~~
oopoopfísica p
pRTTCTTTCb lnln~
Bquim en una combustión. Ej.
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
19TOE2009 c04 Determinación de exergía
Exergía
totali
i pnnp law sDalton'
oopoopPhysical p
pRTTCTTTCb lnln~
( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) ( 8 ) n i p i oib~ C p i m e a n Physicalb~ Physoii bbb ~~~
iii bnB ~
S u b s t a n c e m o le a t m J m o l - 1 J K - 1 m o l - 1 J m o l - 1 J m o l - 1 k J C H 4 1 . 0 0 0 . 0 8 8 3 6 5 1 0 - - 6 2 6 0 . 8 3 8 3 0 2 1 3 . 0 8 8 3 0 . 2 1 O 2 2 . 4 0 0 . 1 9 3 9 7 0 - - 4 1 1 6 . 6 5 - 1 4 6 . 6 5 - 0 . 3 5 N 2 9 . 0 3 0 . 7 3 7 2 0 - - 7 8 0 . 1 1 - 6 0 . 1 1 - 0 . 5 4 T o t a l 1 2 . 4 3 1 . 0 0 8 2 9 . 3 2
C O 2 1 . 0 0 0 . 0 8 2 0 1 4 0 5 4 . 1 8 5 9 3 3 6 . 4 7 9 4 7 6 . 4 7 9 . 4 8 H 2 O 2 . 0 0 0 . 1 6 1 1 7 1 0 4 2 . 8 9 4 7 3 7 6 . 6 6 5 9 0 8 6 . 6 6 1 1 8 . 1 7 O 2 0 . 4 0 0 . 0 3 3 9 7 0 3 3 . 4 7 3 1 8 2 6 . 2 4 3 5 7 9 6 . 2 4 1 4 . 3 2 N 2 9 . 0 3 0 . 7 3 7 2 0 3 3 . 0 5 3 9 2 2 8 . 4 3 3 9 9 4 8 . 4 3 3 6 0 . 7 3 T o t a l 1 2 . 4 3 1 . 0 0 5 7 2 . 7 0
D e s t r u c c i ó n e x e r g ía ( 8 2 9 . 3 2 - 5 7 2 . 7 0 ) / 8 2 9 . 3 2 3 1 %
Tablas
Bquim en una combustión. Ej.
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
20TOE2009 c04 Determinación de exergía
oo
pcib~
CH
CS
CO
CH 0628,212169,00432,01728,00401,1
Szargut y Styrylska
310674,2420,1020,2144,27552,8184,4 SNOHCPCS
Lloyd-Davenport
Aproximaciones bq, líq comb .
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
21TOE2009 c04 Determinación de exergía
Szargut y Styrylska
CN
CO
CH 0404,00610,01882,00437,1seco O/C<0,667
0,667 < O/C < 2,67
CO
CN
CH
CH
3035,01
0383,07256,012509,01882,00438,1
seco
066,32008,16016,2
5,0011,12
10207,44,418 5 SOHCPCSSubramaniam
oo
pcib~
Aproximaciones bq, sólido comb .
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
22TOE2009 c04 Determinación de exergía
b0= a x PCI = b x PCS a bHulla 1,09 1,03Lignito 1,17 1,04Coque 1,06 1,04Fuelóleo 1,07 0,99Gasolina 1,07 0,99Gas natural (CH4 predominante) 1,04 0,99
Gas de la coquización 1,00 0,89Gas de alto horno 0,98 0,97Madera 1,15 1,05Azufre 2,05 2,05
b0= PCI en gases b0= PCS en sólidos y líquidos;
Aproximaciones bquim, combustibles