CALCOLO PROPRIETA’ TERMODINAMICHE ED EQUILIBRI CON SOFTWARE CEA (NASA)

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1 CALCOLO PROPRIETA’ TERMODINAMICHE ED EQUILIBRI CON SOFTWARE CEA (NASA)
COMBUSTIONE Ing. D. Dalle Nogare – Ing. M. Sudiro - Prof. P. Canu CALCOLO PROPRIETA’ TERMODINAMICHE ED EQUILIBRI CON SOFTWARE CEA (NASA)

2 SOFTWARE CEA (NASA) Reperibile dal sito ufficiale NASA:
Oppure sul sito del Prof. Canu: leggere prima di tutto il file “00leggimi” si lancia con il file batch CEAexec-win.bat

3 PROPRIETA’ DEL PURO E’ possibile calcolare le proprietà termodinamiche del puro. Ad esempio, si voglia conoscere l’entalpia (ma non solo!) del CH4 a 500,600,700°C e 1atm.

4 PROPRIETA’ DEL PURO File “PuroCH4.inp” problem
tp t,c=500,600,700, p,atm=1, react name=CH4 only CH4 output short end

5 PROPRIETA’ DEL PURO File “PuroCH4.out” THERMODYNAMIC PROPERTIES
P, BAR T, K RHO, KG/CU M H, KJ/KG U, KJ/KG G, KJ/KG S, KJ/(KG)(K) M, (1/n) (dLV/dLP)t (dLV/dLT)p Cp, KJ/(KG)(K) GAMMAs SON VEL,M/SEC

6 PROPRIETA’ DEL PURO E’ possibile verificare gli stati di riferimento dell’entalpia di formazione. Ad esempio, si voglia verificare che l’entalpia del O2 a K e 1atm è nulla e cresce all’aumentare della T, mentre non dipende dalla p.

7 PROPRIETA’ DEL PURO File “PuroO2A.inp”/ “PuroO2B.inp” / “PuroO2C.inp”
problem tp t,k=298.15, p,atm=1,/ t,k=300, p,atm=1,/ t,k=298.15, p,atm=10, react name=O2 only O2 output short end

8 PROPRIETA’ DEL PURO File “PuroO2A.out”/ “PuroO2B.out” / “PuroO2C.out”
THERMODYNAMIC PROPERTIES P, BAR / / T, K / / H, KJ/KG / / ...

9 PROPRIETA’ DEL PURO OSSERVAZIONI
Se una specie è contenuta nella banca dati, è possibile calcolare alcune proprietà termodinamiche (H,U,S,G,cp,etc) e di trasporto (viscosità, conducibilità termica, etc). L’entalpia di formazione è nulla per gli elementi, nella forma in cui si trovano in natura alle condizioni di riferimento, i.e. a T=298.15K e p=1atm. Varia con la T ma non dipende dalla p.

10 PROPRIETA’ DI MISCELA E’ possibile anche calcolare le proprietà termodinamiche di una miscela. Ad esempio, si voglia conoscere l’entalpia di una miscela stechiometrica di CO/O2 nello stato di riferimento. Verificare la differenza tra l’entalpia del CO puro e in miscela.

11 PROPRIETA’ DI MISCELA File “PuroCO.inp”/ “MiscelaCO.inp” problem
tp t,k=298.15, p,atm=1, react name=CO only CO output short end problem tp t,k=298.15, p,atm=1, react name=O2 moles=0.5 name=CO moles=1 only O2 CO output short end

12 PROPRIETA’ DI MISCELA File “PuroCO.out”/ “MiscelaCO.out”
THERMODYNAMIC PROPERTIES P, BAR T, K RHO, KG/CU M / H, KJ/KG / ... M, (1/n) /29.340 Per i gas ideali vale la regola di miscela (v. sez. 2.3 in RP-1311):

13 PROPRIETA’ DI MISCELA OSSERVAZIONI
Il programma calcola le proprietà applicando le regole di miscela. Le proprietà sono date su base massiva.

14 EQUILIBRIO TP Calcola la composizione all’equilibrio, ad una certa temperatura e pressione, minimizzando l’energia libera di Gibbs. Il minimizzatore scompone le molecole di partenza e ricompone tutte le possibili combinazioni in modo da conservare il numero di atomi in ingresso (infatti esso conosce la matrice atomi/molecola per tutte le specie), e tra di esse sceglie quella a minor G

15 EQUILIBRIO TP - WGS Calcolo dell’equilibrio della reazione WGS.
Ricalcolare il grado di avanzamento della reazione alle temperature 210, 400, 800 e 1000°C e 1 bar, considerando come reagenti 10 moli di CO e 10 moli di H2O.

16 EQUILIBRIO TP - WGS File “WGS.inp” problem
tp t,c=210,400,800,1000, p,bar=1, react name=H2O moles=10 name=CO moles=10 output short end

17 EQUILIBRIO TP - WGS File “WGS.out”
MOLE FRACTIONS CH *CO *CO *H H2O C(gr) L’equilibrio prevede la formazione di CH4 e C(gr) a basse T Se si vuole calcolare l'equilibrio di una reazione ben precisa che si ha in mente, nella quale sono specificati reagenti e prodotti, è necessario vincolare il calcolo del programma (che non fa alcuna assunzione sulle reazioni, ma per default considera tutte le specie della sua banca dati) ad utilizzare solo e soltanto le specie ( reagenti e prodotti) che si desiderano.

18 EQUILIBRIO TP - WGS File “WGSbis.inp” problem
tp t,c=210,400,800,1000, p,bar=1, react name=CO moles=10 name=H2O moles=10 only CO CO2 H2 H2O output short end

19 EQUILIBRIO TP - WGS File “WGSbis.out”
MOLE FRACTIONS *CO *CO *H H2O Per questa reazione il numero di moli è costante => neq=nin=20 Si può applicare la definizione di grado di avanzamento della reazione al CO εeq

20 EQUILIBRIO TP - CO Combustione stechiometrica di CO in O2 puro o aria.
Calcolare i prodotti di equilibrio a 500K e 1bar, fornendo le moli in uscita.

21 EQUILIBRIO TP - CO File “COeO2.inp” File “COeAria.inp” problem
tp t,k=500, p,bar=1, react name=CO moles=1 name=O2 moles=0.5 output short end problem tp t,k=500, p,bar=1, react name=CO moles=1 name=O2 moles=0.5 name=N2 moles=2 output short end

22 EQUILIBRIO TP - CO File “COeO2.out” File “COeAria.out” nCO2,eq=1
THERMODYNAMIC PROPERTIES M, (1/n) MOLE FRACTIONS *CO THERMODYNAMIC PROPERTIES M, (1/n) MOLE FRACTIONS *CO *N nCO2,eq=1

23 EQUILIBRIO TP - CO Il programma accetta in input le moli di reagenti e le trasforma in frazioni molari. Il risultato è dato in frazioni molari, ma non è sempre chiaro da queste se una specie è aumentata o diminuita. L’esempio eclatante è l’N2, che essendo inerte non varia, ma la sua frazione molare cambia. E’ dunque necessario calcolare le moli in uscita. Poiché la massa si conserva, (Mout=Min), e dalla definizione di PM si ottiene la seguente:

24 EQUILIBRIO TP - CO REAGENTI (COeAria) EQUILIBRIO MOLI CO 1 O2 0.5 N2 2
TOT 3.5 FRAZ. MOLARI CO O N CO TOT 1 REAGENTI (COeAria) EQUILIBRIO MOLI CO O N2 2 CO TOT 3 FRAZ. MOLARI CO O N CO TOT 1

25 EQUILIBRIO TP – CH4 Combustione di CH4 in aria.
Calcolare i prodotti di equilibrio a 1000°C e 2bar, per φ <,=,> 1. Verificare la presenza di NO nei prodotti.

26 EQUILIBRIO TP – CH4 File “CH4eO2.inp” problem tp t,c=600, p,bar=2,
react name=CH4 moles=1 name=O2 moles=2(φ=1) / 3(φ<1) / 1(φ>1) name=N2 moles= 8 / 12 / 4 output short (trace= 1e-20) end

27 EQUILIBRIO TP – CH4 File “CH4eO2.out” L’NO è minore per miscele ricche
OSSIDAZIONE TOTALE OSSIDAZIONE PARZIALE MOLE FRACTIONS, φ=1 *CO H2O *N ... *NO MOLE FRACTIONS, φ>1 *CO *CO *H H2O NH *N ... *NO MOLE FRACTIONS, φ<1 *CO H2O *NO *N *O L’NO è minore per miscele ricche

28 EQUILIBRIO TP – BioM Combustione di BioM in aria.
Calcolare i prodotti di equilibrio di una gassificazione a 700K e 5atm , assumendo che la composizione della biomassa sia quella data in Tabella 1 (formula bruta C0.29H0.49O0.22).

29 EQUILIBRIO TP – BioM File “BioM.inp” problem tp t,k=700, p,atm=5,
react name=C wt=45.2 name=H wt=5.4 name=O wt=39 name=H2O wt=9.4 name=O2 wt=125* name=N2 wt=500 output short end *MO2=MC*32/12+MH*(32/1)/4-MO~125

30 EQUILIBRIO TP – BioM File “BioM.out”
MOLE FRACTIONS *CO H2O *N *O Si ottengono i soliti prodotti di ossidazione totale.

31 EQUILIBRIO TP OSSERVAZIONI
E’ possibile conoscere i prodotti di equilibrio di un sistema reagente, data la composizione iniziale. Per calcolare l’equilibrio di una reazione chimica è necessario specificare le specie desiderate (reagenti e prodotti) Il programma fornisce i risultati come frazioni molari, ma spesso è necessario trasformarle in moli utilizzando il peso molecolare

32 EQUILIBRIO HP Calcola la composizione all’equilibrio, con combustione adiabatica e isobarica, minimizzando l’energia libera di Gibbs.

33 EQUILIBRIO HP – Butano Combustione di C4H10 (n-butano) in O2 o aria.
C4H O2 (+ 6.5*3.76N2 )=4CO2 + 5H2O ( N2) A. Calcolare la temperatura adiabatica di fiamma nei due casi, partendo da condizioni ambiente (298.15K e 1atm). B. Calcolare la Tad con un eccesso d’aria del 100% e nel caso in cui i reagenti vengano alimentati a 200°C e 375°C.

34 EQUILIBRIO HP - Butano (A)
File “ButanoA.inp” problem hp p,atm=1 react name=C4H10,n-butane moles=1 t,k=298.15 name=O2 moles=6.5 t,k=298.15 (name=N2 moles= t,k=298.15) output short end Nota: non occorre specificare l’Hin, perché il programma se la calcola avendo specificato la Tin dei reagenti TO2=3167K Taria=2268K (cfr. Tab. B1 Turns)

35 EQUILIBRIO HP - Butano (B)
File “ButanoB.inp” problem hp p,atm=1 react name=C4H10,n-butane moles=1 t,k= (498.15/648.15) name=O2 moles=13 t,k= (498.15/648.15) name=N2 moles=52 t,k= (498.15/648.15) output short end T+100%,25°C =1462K=1189°C T+100%,200°C=1600K=1327°C T+100%,375°C=1742K=1469°C

36 EQUILIBRIO HP – BioM Combustione di BioM in aria.
(vedi composizione e LHV in Tabella 1) Calcolare la temperatura adiabatica di fiamma partendo da condizioni ambiente (298.15K e 1atm).

37 EQUILIBRIO HP – BioM Hr,GJ/KG= Hp-ΔHR=-3266.5-(-16400)*99/724=-1024
Occorre calcolare l’entalpia di miscela alle condizioni di partenza. Poiché è noto il LHV, basta calcolare l’entalpia dei prodotti e sottrarla all’entalpia di reazione Calcolo dell’equilibrio TP a K e 1bar: *CO H2O *N *O H2O(L) Calcolo dell’entalpia di miscela dei prodotti, con H2O tutta gassosa(avendo a disposizione l’LHV): Hp, KJ/KG Si noti poi che l’LHV è definita “per kg di combustibile”, quindi l’entalpia di reazione va riferita al totale dei reagenti (biom.+aria) ΔHR=-LHV*Mbiom/Mreag Hr,GJ/KG= Hp-ΔHR= (-16400)*99/724=-1024 Hr/R, (mol*K/g)=-123

38 EQUILIBRIO HP – BioM File “BioMhp.inp” T, K 1915 problem
hp p,atm=1, h/r=-123 react name=C wt=45.2 t,k=298.15 name=H wt=5.4 t,k=298.15 name=O wt=39 t,k=298.15 name=H2O wt=9.4 t,k=298.15 name=O2 wt=125 t,k=298.15 name=N2 wt=500 t,k=298.15 output short end T, K

39 EQUILIBRIO HP OSSERVAZIONI
L’equilibrio HP permette di calcolare la Tad L’inerte abbassa la Tad Un preriscaldamento dei reagenti aumenta la Tad

40 EQUILIBRIO UV Calcola la composizione all’equilibrio, con combustione adiabatica e isovolumica, minimizzando l’energia libera di Gibbs.

41 EQUILIBRIO UV – Ottano Combustione di C8H18 (n-ottano) in aria.
C8H O *3.76N2 =8CO2 + 9H2O + 47N2 Calcolare la temperatura adiabatica e la pressione partendo da una miscela preriscaldata (300°C e 1bar).

42 EQUILIBRIO UV – Ottano Occorre calcolare la densità di miscela alle condizioni di partenza. THERMODYNAMIC PROPERTIES P, BAR T, K RHO, KG/CU M

43 EQUILIBRIO UV – Ottano File “Ottano.inp” P, BAR 5.1 T, K 2700 problem
uv rho,kg/m**3= react name=C8H18,n-octane moles=1 t,c=300 name=O2 moles=12.5 t,c=300 name=N2 moles=47 t,c=300 output short end P, BAR T, K

44 EQUILIBRIO UV OSSERVAZIONI
L’equilibrio UV permette di calcolare la Tad e la pressione alla fine della combustione