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Combustion (1 ère partie) Notions. I Rappels (structure de la matière, forces naturelles) Noyau : Protons masse 1g/mole charge positive Neutrons masse.

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1 Combustion (1 ère partie) Notions

2 I Rappels (structure de la matière, forces naturelles) Noyau : Protons masse 1g/mole charge positive Neutrons masse 1g/mole neutre Atome = + Masse faible charge négative identique proton I-1 Généralités Électrons:

3 Tableau périodique Même nombre délectrons sur la dernière couche Même nombre couches =>mêmes propriétés chimiques Nb protons = N° atomique Nb nucléons = masse atomique Couches saturées Gaz rares

4 Molécules= Groupements datomes Sauf les gaz rares les atomes ne sont jamais seuls: ionisés ou couche extérieure non saturée => Liaisons de covalence

5 Corps purCorps simpleMélange 1 mole=6, molécules, gaz (1atm 0°C)=22,4l

6 I-2 Quelques ordres de grandeur : Diamètre atomique :1Amström ( m) (molécules même ordre) Distance intermoléculaire Liquides, solides 3 Amström => denses et incompressibles Gaz 30 Amström Vitesse 700m/s Diamètre noyau, nucléons et électrons : Amström ( à fois moins) forces nucléaires : J/mole (20.000xchimie) forces électrostatiques inter atomiques: J/mole (chimie) forces intermoléculaires: J/mole (Chg de phase)

7 II Équations chimiques globales Avant: -stable Après: +stable 3C+1O+1OO 1COO+1C+1CO 3C+O+O 2 CO 2 +C+CO m avant =m après

8 Équilibrer une équation chimique H 2 +O 2 H 2 O Même nb d atomes de même espèce de chaque côté H 2 +(1/2)O 2 H 2 O : c est équilibré C C il y a trop d'oxygène 2 C C0 2 + C il y a trop de carbone C C0 2 le mélange C+O 2 est stœchiométrique Mélange stœchiométrique: Tout le mélange initial peut devenir produits de réaction complète Équilibrer l équation de la réaction complète

9 II-2 Dosage: C x H y + O 2 CO 2 + H 2 O C x H y + (x + y/4) O 2 x CO 2 + (y/2) H 2 O, Gaz Liquide ou solide Pouvoir comburivore = Équilibrons: Q comburant Q combustible

10 richesse R et facteur d'air : e= -1 : excès d air Pour les liquides ou les solides nous utiliserons aussi: En Nm 3 d air /kg Pour un mélange quelconque:

11 Combustions d'hydrocarbures dans l air C x H y + (O 2 + 3,77 N 2 ) CO 2 + H 2 O + N 2 diluant Combustibles gazeux Combustibles liquides ou solides C x H y + (x+ y/4) (O 2 + 3,77 N 2 ) xCO 2 + (y/2) H 2 O + 3,77 (x +y/4)N 2

12 Alcanes : x=n, y=2n+2 => Généralisation: c,h,s,o teneurs pondérales Ma alcanes ~ 15

13 Exemples: essence :c=84% h=16% Ma=15,1 gaz-oil ou fuel domestique : c=85%, h=15% (autre<0,3%) Ma=15 fuel lourd c=85,9% h=10,5% s=3% n=0,24 o=0,36% Ma=13,6 Les pouvoirs comburivores massiques sont pratiquement identiques pour tous les hydrocarbures: Ma = 15 Pour les alcools il sont très différents : Méthanol CH3OH : c=12/32=37,5%,h=4/32=12,5%,O=16/32=50% Ma=6,45 Ethanol C2H5OH : c=24/46=52%,h=6/46=13%,O=16/46=35% Ma=8,93

14 Nécessité du calcul 1°) Calcul du Cp des produits de combustion pour déterminer la chaleur sensible perdue 2°) Connaître X H2O pour connaître la chaleur latente perdue 3°) Faire un diagnostique de la combustion II-3 Composition théorique des produits de combustion

15 1°) Combustion complète du carburant : >1 (Tout le C et H du carburant devient CO 2 et H 2 O) Hypothèses possibles: 2°) Combustion complète de l oxygène : R>1 Tout l H devient H 2 O, C devient CO et CO 2, et pas d O 2 restant 3°) Combustion incomplète: Il reste toutes les espèces CO, O 2, CH… CxHy + (O2+3,77N2) CO2 + H2O + O2 + CO + N2 >1 1 (x+y/4) xy/2 -1)(x+y/4) 0 (x+y/4) <1 1 (x+y/4)x-2(1- (x+y/4) y/20 2(1- (x+y/4) (x+y/4) Calcul de la composition théorique:

16 CxHy + (O2+3,77N2) CO2 + H2O + O2 + CO + N2 >1 1 (x+y/4) xy/2 -1)(x+y/4) 0 (x+y/4) <1 1 (x+y/4)x-2(1- (x+y/4) y/20 2(1- (x+y/4) (x+y/4)

17 Diagrammes déquilibre Le calcul est identique au précédent (hypothèse 2) mais: Il ya de lhydrogène dans les fumées On suppose quil existe une réaction déquilibre (gaz à leau): Cet équilibre est conservé à basse température (trempe des produits de combustion)

18 R P Combustion Travail We Chaleur Qe RéactantsProduits de combustion III Thermodynamique de la combustion III-1 premier principe Premier principe en système fermé We+Qe=U P -U R

19 Conservation de la quantité de matière: m P =m R =m Origine des fonctions thermodynamiques (indice 0) U P = U P -U P0, U R = U R -U R0 1 er Ppe SF: We+Qe = U P -U R +(U P0 -U R0 )=> We+Qe -( U P0 -U R0 )= U P - U R Définition: chaleur de réaction isochore : Qc= -( U P0 -U R0 ) Premier principe SF avec combustion: We+Qe+Qc= U P - U R Qc + :réaction exothermique (cas des combustions) ( Produits réaction exothermique plus stables : U plus faible)

20 Hypothèse GI : u P - u R =Cv P (T P -298)- Cv R (T R -298) Cv P Cv R T R 298K. Calcul du second membre: =>u P - u R =Cv P (T P -T R ) Hypothèse GP:

21 RéactantsProduits Pi, Système ouvert: Premier principe en système ouvert Wi+Qe=H P -H R

22 On pose H' R =H R -H R0 et H' P =H P -H P0 H R0 et H P0 enthalpies de réf. des gaz frais et produits de combustion La chaleur de réaction isobare. Qc=-(H P0 - H R0 ) Le premier principe système ouvert avec combustion: Wi+Qe+Q'c= H'+ Ep+ Ec Sous forme de puissance et en généralisant : P i + +Pc= qms(h s+eps+ecs)- qme(h e+epe+ece)

23 H=U+pV =>Q'c=-( H P0 - H R0 )=-( U P0 -U R0 +p 0 V P0 – p 0 V R0 ) =Qc – (p 0 V P0 – p 0 V R0 ) Hypothèse de GP: pV= nRT =>Q c=Qc-(n P -n R ).RT 0 =>Qc=Q c à 0,1% près => négligé Calcul du second membre: Hypothèse de GP: Chaleur de combustion à pression et à volume constant: Hypothèse GI: h P - h R =Cp P (T P -298)- Cp R (T R -298) Cp P Cp R =>h P - h R =Cp P (T P -T R )

24 Enthalpie de formation: Référence: corps simple dans son état le plus stable= (H corps simple ) 25°,1atm =0 Enthalpie de formation=H f0 = (H corps composé ) 25°,1atm =-Q c Exemple: Q c=241,8kJ/mole => H foH2O =-241,8kJ/mole H f0CO2 =-393,5kJ/mole H f0CH4 =-74,9kJ/mole Autres exemples:

25 LiaisonC-HC-CC=CC-OH-HO-HO=OC=O Graphite Cgaz Energie kJ/mole Énergie de liaison: Exemple: briser 1 liaison H-H, ½ liaison O=O et recréer 2 liaisons O-H. =>

26 II-2 Pouvoir calorifique: Quantité de combustible en:- Nm 3 pour les gaz - kg pour les liquides ou les solides Notation:PC Inférieur I P,I V (eau fumée vapeur) PC Supérieur: P P,P V (eau fumée condensée)

27 Chaleur de combustion massique Trois cas: - Combustion complète du carburant: - Combustion totale de loxygène:

28 Évolution théorique de la chaleur et du rendement de combustion La combustion théorique optimale est stœchiométrique

29 - Combustion incomplète: P C =P CM -P I Avec : P CM =qm C Ip (liq ou solide), gaz: qv C Ip Imbrulés gazeux=>qv I = X I. qv P I : Teneurs par rapport aux fumées sèches: X I = I.(1- X H2O ) P I =qv P.(1- X H2O ) I.I p I

30 Valeurs pratiques: qv P =0,78.qm P X H2O =13% (hydrocarbure lourd) à 19% (méthane) Si >1: I p CO =12600kJ/Nm 3 et I p H2 =10760kJ/Nm 3 Équations d équilibre à haute température: Pour les moteurs (équilibre supposé à 1850°C) : CO / H2 =8x/y Pour les fours ou chaudières (1450°C) : CO / H2 =5x/y Pour les hydrocarbures lourds : x/y~1/2. Exemple pour le fuel c=85%, h=15%, x=c /12, y=h x/y=0,47 Les analyseurs ne donnent que CO => P I =qv P.(1- X H2O ) I.I p I


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