Termoeconomía y optimización energética

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

1TOE2009 c04 Determinación de exergía

Termoeconomía y optimización energética



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.



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 )(~

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



)(~)(~~ 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



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



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



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

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



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



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



bint = bfísica + bquímica+ ¿bmezcla?

Exergía total.



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.



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.



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.



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




Exergía física

ooofísica ssThhb ~~~~~

opo TTChh ~~oo

po ppR

TTCss lnln~~

oopoopfísica p

pRTTCTTTCb lnln~




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




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 .



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 .



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

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