1 toe2009 c04 determinación de exergía. 2 introducción revisión de termodinámica la exergía...

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

1TOE2009 c04 Determinación de exergía

Termoeconomía y optimización energética



Temario

Introducción

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.



b = bint + bk + bp

EstadoActual (T, p)

Estadoambiental

TO ,pOEstadoMuertoTO ,pOO

bint

bfísica

bquímica

Exergía interna



bint = bfísica + bquímica

OOOfísica ssThhb

La exergía química sólo interesa cuando haya reacciones, ó cambios de composición, en el sistema estudiado.

Exergía física.



dTTChd p )(~

p

dpR

T

dTTCsd p )(~

OOOfísica ssThhb

oo p

pRTdT

T

TTCb 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

R

TC p

Bfis. Gases ideales puros.

OOOfísica ssThhb



)(~)(~~ o

T

T

po ppvdTTChh

o

OOOfísica ssThhb

)(~1)(~ o

T

T

o

pfísica ppvdTT

TTCb

o

T

T

po

o

dTT

TCsTs

)(~)(~

OOOfísica ssThhb

Bfis. Sustancias incompresibles



Gas real puro

hhh~

'~

'~

p

o pT dpv

T

vTh ]~

~['

~

sss ~'~'~

p

pT dp

p

R

T

vs

0

~'~

dTTChd p )(~

p

dpR

T

dTTCsd p )(~

Gas ideal

sThb OPhysical~~~

12

OOOfísica ssThhb

Bfis. Gases reales puros



n

ii Thxh1

)(~~

n

ii

n

ii xxRTsxs11

ln)(~~

oo p

pRTdT

T

TTCb o

T

T

o

pPhysical ln1)(~

n

piip TCxC1

)(dTTChd p )(

~

p

dpR

T

dTTCsd p )(~

Mezcla gases ideales

OOOfísica ssThhb

Bfis. Mezclas de gases



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.



EstadoAmbiental

TO ,pO

EstadoMuertoTO ,pOO

bint

bchemical Sustancias de referencia Equilibrio con el AER

23FBA\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



Sustancia gaseosa contenida en el AER

Mezcla gaseosa

Combustible

oo

ooo p

pRTb ln

~

i

iioi

oiidiso xxRTbxb ln~~

,

)(~

.).(~

)()(~

2, 2ObnprodscombbnXgXb oO

ioiicomboo

Bquim. Casos simples



Tablas de exergías químicas de sustancias comunes

To, po AER 25 ºC 1 atm

)(~)(~

)(~

, XgelembnXb formoi

oiio

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



bint = bfísica + bquímica+ ¿bmezcla?

Exergía total.



Calcular la exergía química estándar de la alúmina

mole

kJ

mole

kJ

mole

kJOAlbo 82,157697,3

2

389,8872)(

~32

Datos:mole

kJAlb 89,887)(

~

mole

kJOb 97,3)(

~2

mole

kJOAlg formo 82,1576)(~

32,

mole

kJOAlbo 92,204)(

~32

2 Al + 3/2 O2 Al2O3

Bquim con valores Estándar. Ej.



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 ovap

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.



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

T

prodscombpprodscomb dTH ..,.. C

Temperatura de llama – Ley de Hess

Adiabático + 1er principio

DBquim en una combustión. Ej.



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

T

prodscombpprodscomb dTH ..,.. C

1298 27.809 molkJH o

2222.., 03.94.0,2 NCOCgOHCCOC ppppprodscombp C

t=1791 K

Temperatura de llama




Exergía física

ooofísica ssThhb ~~~~~

opo TTChh ~~oo

po p

pR

T

TCss lnln~~

oopoopfísica p

pR

T

TCTTTCb lnln

~




Exergía

totali

i pn

np law sDalton'

oopoopPhysical p

pR

T

TCTTTCb 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 í a ( 8 2 9 . 3 2 - 5 7 2 . 7 0 ) / 8 2 9 . 3 2 3 1 %

Tablas




oo

pci

b~

C

H

C

S

C

O

C

H0628,212169,00432,01728,00401,1

Szargut y Styrylska

310674,2420,1020,2144,27552,8184,4 SNOHCPCS

Lloyd-Davenport

Aproximaciones Dbq, líq comb .



Szargut y Styrylska

C

N

C

O

C

H0404,00610,01882,00437,1seco O/C<0,667

0,667 < O/C < 2,67

C

OC

N

C

H

C

H

3035,01

0383,07256,012509,01882,00438,1

seco

066,32008,16016,2

5,0011,12

10207,44,418 5 SOHCPCSSubramaniam

oo

pci

b~

Aproximaciones Dbq, sólido comb .



b0= a x PCI = b x PCS a b

Hulla 1,09 1,03

Lignito 1,17 1,04

Coque 1,06 1,04

Fuelóleo 1,07 0,99

Gasolina 1,07 0,99

Gas natural (CH4 predominante) 1,04 0,99

Gas de la coquización 1,00 0,89

Gas de alto horno 0,98 0,97

Madera 1,15 1,05

Azufre 2,05 2,05

b0= PCI en gases b0= PCS en sólidos y líquidos;

Aproximaciones Dbquim, combustibles

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