Luku 15 KEMIALLISET REAKTIOT

Samankaltaiset tiedostot
Luku 8 EXERGIA: TYÖPOTENTIAALIN MITTA

Luku 13 KAASUSEOKSET

Mamk / Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka / Sarvelainen 2015 T8415SJ ENERGIATEKNIIKKA Laskuharjoitus

Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

LUKU 16 KEMIALLINEN JA FAASITASAPAINO

Mamk / Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka / Sarvelainen 2015 T8415SJ ENERGIATEKNIIKKA Laskuharjoitus

Erilaisia entalpian muutoksia

SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLILUETTELO 4

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3 Ekso- ja endotermiset reaktiot sekä entalpian muutos

Thermodynamics: An Engineering Approach, 7 th Edition Yunus A. Cengel, Michael A. Boles McGraw-Hill, Luku 7 ENTROPIA

Kertausluennot: Mahdollisuus pisteiden korotukseen ja rästisuorituksiin Keskiviikko klo 8-10

MIKKELIN AMMATTIKORKEAKOULU Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka T8415SJ Energiatekniikka. Hannu Sarvelainen HÖYRYKATTILAN SUUNNITTELU

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

Erilaisia entalpian muutoksia

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

Luento 2: Lämpökemiaa, osa 1 Keskiviikko klo Termodynamiikan käsitteitä

Muita lämpökoneita. matalammasta lämpötilasta korkeampaan. Jäähdytyksen tehokerroin: Lämmityksen lämpökerroin:

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

Lämmityksen lämpökerroin: Jäähdytin ja lämmitin ovat itse asiassa sama laite, mutta niiden hyötytuote on eri, jäähdytyksessä QL ja lämmityksessä QH

Teddy 1. välikoe kevät 2008

Bensiiniä voidaan pitää hiilivetynä C8H18, jonka tiheys (NTP) on 0,703 g/ml ja palamislämpö H = kj/mol

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3. Kaasut

Puhtaan kaasun fysikaalista tilaa määrittävät seuraavat 4 ominaisuutta, jotka tilanyhtälö sitoo toisiinsa: Paine p

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

Luku 14 KAASU HÖYRY SEOKSET JA ILMASTOINTI

Lukion kemia 3, Reaktiot ja energia. Leena Piiroinen Luento

Poltto- ja kattilatekniikan perusteet

Luento 4. Termodynamiikka Termodynaamiset prosessit ja 1. pääsääntö Entropia ja 2. pääsääntö Termodynaamiset potentiaalit

Luento 2: Lämpökemiaa, osa 1 Torstai klo Termodynamiikan käsitteitä

- Termodynamiikka kuvaa energian siirtoa ( dynamiikkaa ) systeemin sisällä tai systeemien kesken (vrt. klassinen dynamiikka: kappaleiden liike)

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

ln2, missä ν = 1mol. ja lopuksi kaasun saama lämpömäärä I pääsäännön perusteella.

Entalpia - kuvaa aineen lämpösisältöä - tarvitaan lämpötasetarkasteluissa (usein tärkeämpi kuin sisäenergia)

Lämpö- eli termokemiaa

Ainemäärien suhteista laskujen kautta aineiden määriin

Luku 3 Puhtaiden aineiden ominaisuudet

Reaktiosarjat

Kemiallinen reaktio

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

= 1 kg J kg 1 1 kg 8, J mol 1 K 1 373,15 K kg mol 1 1 kg Pa

Spontaanissa prosessissa Energian jakautuminen eri vapausasteiden kesken lisääntyy Energia ja materia tulevat epäjärjestyneemmäksi

HSC-ohje laskuharjoituksen 1 tehtävälle 2

Termodynaamisten tasapainotarkastelujen tulokset esitetään usein kuvaajina, joissa:

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

T H V 2. Kuva 1: Stirling kiertoprosessi. Ideaalisen Stirlingin koneen sykli koostuu neljästä osaprosessista (kts. kuva 1):

Korkealämpötilakemia

P = kv. (a) Kaasun lämpötila saadaan ideaalikaasun tilanyhtälön avulla, PV = nrt

Tehtävä 1. Tasapainokonversion laskenta Χ r G-arvojen avulla Alkyloitaessa bentseeniä propeenilla syntyy kumeenia (isopropyylibentseeniä):

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 8 /

Ellinghamin diagrammit

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Tämän päivän ohjelma: ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

. Veden entropiamuutos lasketaan isobaariselle prosessille yhtälöstä

CHEM-A1110 Virtaukset ja reaktorit. Laskuharjoitus 9/2016. Energiataseet

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Ohjeita opetukseen ja odotettavissa olevat tulokset

Ohjeellinen pituus: 2 3 sivua. Vastaa joko tehtävään 2 tai 3

Energiatehokkuuden analysointi

Termodynaamiset syklit Todelliset tehosyklit

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Luku 5 KONTROLLI- TILAVUUKSIEN MASSA- JA ENERGIA-ANALYYSI

Reaktiolämpö KINEETTINEN ENERGIA POTENTIAALI- ENERGIA

Astrokemia Kevät 2011 Harjoitus 1, Massavaikutuksen laki, Ratkaisut

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

6. Yhteenvetoa kurssista

Jos olet käynyt kurssin aikaisemmin, merkitse vuosi jolloin kävit kurssin nimen alle.

Esimerkiksi ammoniakin valmistus typestä ja vedystä on tyypillinen teollinen tasapainoreaktio.

Tasapainotilaan vaikuttavia tekijöitä

c) Tasapainota seuraava happamassa liuoksessa tapahtuva hapetus-pelkistysreaktio:

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

Kemian koe, Ke3 Reaktiot ja energia RATKAISUT Perjantai VASTAA YHTEENSÄ KUUTEEN TEHTÄVÄÄN

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 7 /

Luento 9 Kemiallinen tasapaino CHEM-A1250

Kryogeniikan termodynamiikkaa DEE Kryogeniikka Risto Mikkonen 1

Korkealämpötilakemia

4) Törmäysten lisäksi rakenneosasilla ei ole mitään muuta keskinäistä tai ympäristöön suuntautuvaa vuorovoikutusta.

Gibbsin energia ja kemiallinen potentiaali määräävät seosten käyttäytymisen

Johdantoa. Kemia on elektronien liikkumista/siirtymistä. Miksi?

Osio 1. Laskutehtävät

7 Termodynaamiset potentiaalit

Käytetään nykyaikaista kvanttimekaanista atomimallia, Bohrin vetyatomi toimii samoin.

Sukunimi: Etunimi: Henkilötunnus:

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

Clausiuksen epäyhtälö

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Faasi: Aineen tila, jonka kemiallinen koostumus ja fysikaalinen ominaisuudet ovat homogeeniset koko näytteessä. P = näytteen faasien lukumäärä.

Alkuaineita luokitellaan atomimassojen perusteella

m h = Q l h 8380 J = J kg 1 0, kg Muodostuneen höyryn osuus alkuperäisestä vesimäärästä on m h m 0,200 kg = 0,

Ideaalikaasulaki. Ideaalikaasulaki on esimerkki tilanyhtälöstä, systeemi on nyt tietty määrä (kuvitteellista) kaasua

Kuva 1. Nykyaikainen pommikalorimetri.

Reaktioyhtälö. Sähköisen oppimisen edelläkävijä Empiirinen kaava, molekyylikaava, rakennekaava, viivakaava

Kemialliset reaktiot ja reaktorit Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta I

Osa2. Kemiallinen reaktio

T F = T C ( 24,6) F = 12,28 F 12,3 F T K = (273,15 24,6) K = 248,55 K T F = 87,8 F T K = 4,15 K T F = 452,2 F. P = α T α = P T = P 3 T 3

Kaikki ympärillämme oleva aine koostuu alkuaineista.

Ilman suhteellinen kosteus saadaan, kun ilmassa olevan vesihöyryn osapaine jaetaan samaa lämpötilaa vastaavalla kylläisen vesihöyryn paineella:

Palautus yhtenä tiedostona PDF-muodossa viimeistään torstaina

Puun pienpolton p hiukkaspäästöt

Kertausta 1.kurssista. KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 Atomin rakenne ja jaksollinen järjestelmä. Hiilen isotoopit

Transkriptio:

Thermodynamics: An Engineering Approach, 7 th Edition Yunus A. Cengel, Michael A. Boles McGraw-Hill, 2011 Luku 15 KEMIALLISET REAKTIOT Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Tavoitteet Katsaus polttoaineisiin ja polttamiseen. Sovelletaan massan säilymisen lakia reagoiviin systeemeihin tasapainoreaktioyhtälöiden määrittämiseksi. Määritellään polton analyysissä käytetyt t t parametrit, kuten ilma-polttoainesuhde, ilmakerroin ja kastepistelämpötila. Sovelletaan energiataseita reagoiviin systeemeihin vakiovirtaus kontrollitilavuuksiin ja vakio massasysteemeihin. Lasketaan reaktioentalpia, palamisen entalpia ja polttoaineiden lämpöarvot. Määritellään reagoivien seosten liekin adiabaattinen lämpötila. Arvioidaan reagoivien systeemien entropian muutosta. Analysoidaan reagoivia systeemejä toisen pääsäännön mukaisesti. 2 1

POLTTOAINEET JA PALAMINEN Polttoaine: Mikä tahansa materiaali, jota voidaan polttaa termisen energian vapauttamiseksi. Yleisimmät polttoaineet koostuvat pääasiassa vedystä ja hiilestä. Niitä kutsutaan hiilivetypolttoaineiksi ja ne ovat merkitty yleisellä symbolilla C n H m. Hiilivetypolttoaineet esiintyvät kaikissa olomuodoissa, muutamia esimerkejä hiili, bensiini(käsitellään yleensä oktaanina C 8 H 18 ), ja maakaasu. Useimmat nestemäiset hiilivety polttoaineet ovat valmistettu raakaöljystä distillaatiolla. 3 Useimmissa polttoprosesseissa käytety hapetin on ilma. Miksi? Mooli tai tilavuusosuuteen perustuen, kuiva ilma koostuu 20.9% O 2, 78.1% N 2, 0.9% Ar ja vähäisiä määriä CO 2, He, Ne, H 2. Polttoprosessien analyysissä, kuiva ilma sisältää 21% O 2 ja 79% N 2 mooliosuuksina. Palaminen on kemiallinen reaktio, jossa polttoaine hapettuu ja suuria määriä energiaa vapautuu. Ilmassa jokaiseen kmol:iin O 2 liittyy 3.76 kmol:ia N 2. 4 2

Polttoaine täytyy lämmittää sen syttymislämpötilan yläpuolelle palamisen käynnistymiseksi. Minimi syttymislämpötilat ilmakehässä ovat noin 260 C bensiinille, 400 C kivihiilelle, 580 C vedylle, 610 C hiilimonoksiidille ja 630 C metaanille. Polttoaineen ja ilman suhteen täytyy olla sopivissa rajoissa, jotta palaminen voi käynnistyä. Esimerkiksi, maakaasu ei pala ilmassa jos pitoisuus on pienempi kuin 5% tai suurempi kuin15%. Jokaisen alkuaineen masss (ja atomien lukumäärä) säilyy kemiallisessa reaktiossa. Vakiovirtaus polttoprosessissa, reaktiokammioon meneviä komponentteja kutsutaan lähtöaineiksi ja poistuvia komponentteja kutsutaan (reaktio)tuotteiksi. Moolien kokonaislukumäärä ei säily kemiallisessa reaktiossa. 5 Ilma-polttoainesuhde eli ilmakerroin (AF) ilmoitetaan yleensä m mass massaosuuksina ja määritellään N number of moles ilman massan suhteena polttoaineen massaan M molar mass polttoprosessissa. Polttoaine ilmasuhde (FA): Ilma-polttoainesuhteen käänteisarvo. Ilma-polttoainesuhde (AF) esittää paljonko ilmaa käytetään polttoaineen massayksikköä kohden polttoprosessissa. 6 3

TEOREETTINEN JA TODELLINEN POLTTOPROSESSI Täydellinen palaminen: Jos polttoaineen kaikki hiili palaa CO 2, kaikki vety palaa to H 2 O ja kaikki rikki (jos on) palaa SO 2. Epätäydellinen palaminen: Jos palamistuotteet sisältävät mitään palamatonta t polttoainekomponentteja kuten C, H 2, CO, tai OH. Syyt epätäydelliseen palamiseen: 1 Riittämätön happen määrä, 2 riittämätön sekoittuminen palamiskammiossa sen rajoitetun ajan kun polttoaine ja happi ovat kontakstissa ja 3 dissosiaatio (korkeissa lämpötiloissa). Hapella on paljon suurempi taipumus yhtyä vetyyn kuin Palamisprosessi on täydellinen jos kaikki polttoaineen palavat komponentit palavat täydellisesti. hiileen. Siksi, polttoaineen vety palaa normaalisti täydellisesti, muodostaen H 2 O. 7 Stökiömetrinen tai teoreettinen ilmamäärä: Minimimäärä ilmaa, joka tarvitaan polttoaineen täydelliseen palamiseen. Kutsutaan myös kemiallisesti oikeaksi ilmamääräksi, tai 100% teoreettisesta ilmamäärästä. Stökiömetrinen tai teoreettinen palaminen: Ideaalinen palamisprosessi, jossa polttoaine palaa täydellisesti teoreettisella ilmamärällä. Ilma ylimäärä: Stökiömetrisen ilmamäärän ylittävä ilman ylimäärä. Ilmaistaan yleensä stöikiömetrisen ilmamäärän ylittävänä änä yli-ilmana ilmana prosentteina tai prosentteina teoreettiseta ilmasta. Ilmamäärän vajaus: Stökiömetrisen ilmamäärän alittava ilmamäärä. Ilmaistaan usein ilman vajauksena prosentteina. Ilmakerroin: Todellisen polttoaine-ilmasuhteen suhde stökiömetriseen polttoaine ilmasuhteeseen. 50% yli-ilmaa= 150% teoreettisesta ilmasta 200% yli-ilmaa= il 300% teoreettisesta tti t ilmasta. 90% teoreettisesta ilmasta= 10% ilman vajaus Täydellistä palamisprosessia, jossa ei ole yhtään vapaata happea palamistuotteissa, kutsutaan teoreettiseksi palamiseksi. 8 4

Palamistuotteiden koostumus on melko helppoa ennustaa, jos palamisprosessi oletetaan täydelliseksi. Todellisissa palamisprosesseissa, on mahdoton ennustaa palamistuotteita ainoastaan massataseen perusteella. Ainoa vaihtoehto on mitata jokaisen komponentin määrä palamistuotteissa suoraan. Yleisesti käyetty y laite palamiskaasujen koostumuksen analysointiin on Orsatkaasuanalysaattori. Tulokset ilmoitetaan kuivina. Savukaasujen CO 2 -pitoisuuden määrittäminen Orsat- kaasuanalysaattorilla. 9 MUODOSTUMISENTALPIA JA PALAMISENTALPIA Lukuunottamatta muutoksia kineettisessä ja potentiaalienergiassa, systeemin energian muutokset kemiallisessa reaktiossa johtuvat tilan muutoksista ja/tai kemiallisen koostumuksen tilan muutoksista: Aineen energian mikroskooppinen muoto koostuu sensiibelistä, latentista, kemiallisesta ja ydin energioista. Kun olemassa olevat kemialliset sidokset purkautuvat ja uudet muodostuvat palamisprosessissa, yleensä suuri määrä sensiibeliä energiaa absorboituu tai vapautuu. 10 5

Reaktioentalpia h R : Lähtöaineiden ja tuotteiden entalpioiden erotus tietyssä tilassa täydelliselle reaktiolle. Palamisentalpia h C : On palamisprosessin reaktioiden entalpia. Se esittää vakiovirtauspalamisprosessissa vapautuvaa lämpöenergiaa kun 1 kmol (tai 1 kg) polttoainetta poltetaan täydellisesti tietyssä lämpötilassa ja paineessa. Muodostumisentalpia h f : Absorboidun tai vapautuvan energian määrä kun komponentti muodostuu stabileista alkuaineista vakiovirtausprosessissa tietyssä tilassa. Alkutilan määrittämiseksi, kiinnitetään muodostumisentalpia kaikille stabiileille alkuaineille (kuten O 2, N 2, H 2, ja C) arvo nolla standardi- (referenssi) tilassa 25 C ja 1 atm. 11 Lämpöarvo: Vapautuvan lämpöenergian määrä kun polttoainetta poltetaan vakiovirtausprosessissa täydellisesti ja palamistuotteet palautetaan lähtöaineiden tilaan. Lämpöarvo on yhtäsuuri kuin polttoaineen palamisentalpian absoluuttinen arvo. Ylempi lämpöarvo (HHV): Kun palamistuotteiden H 2 O on nestemäisenä. Alempi lämpöarvo (LHV): Kun palamistuotteiden H 2 O on höyrynä. Polttoaineen ylempi lämpöarvo on yhtäsuuri kuin alemman lämpöarvon ja palamistuotteiden H 2 O:n höyrystymislämpö. Polttoaineille, joiden koostumus muttuu (esim., hiili, maakaasu, polttoöljy), lämpöarvo voidaan määrittää polttamalla niitä suoraan pommikalorimetrissä (bomb calorimeter). 12 6

REAGOIVIEN SYSTEEMIEN I PS :n MUKAINEN ANALYYSI Luvuissa 4 ja 5 johdetut energiataseen (I-PS) yhtälöt soveltuvat sekä reagoiviin että reagoimattomiin systeemeihin. Kirjoitamme energiataseyhtälöt uudestaan sisällyttäen niihin kemiallisten energioiden muutokset Vakiovirtaamasysteemit Kun kineettisen ja potentiaalienergioiden muutokset ovat mitättömiä, vakiovirtaamaenergiatase kemiallisesti reagoiville vakiovirtaamasysteemeille on: Kemiallisen komponentin entalpia tietyssä tilassa 13 Pitämällä lämmönsiirtoa systeemiin ja systeemin tekemää työtä positiivisina suureina, energiataseyhtälö on Jos palamisentalpia tietylle reaktiolle on saatavilla: Useimmat vakiovirtaama polttoprosessit eivät sisällä vuorovaikutuksia työnä. Myös, polttokammio sisältää yleensä lämmönluovutusta mutta ei lämmöntuontia: 14 7

Suljetut Systeemit Pitämällä lämmönsiirtoa systeemiin ja systeemin tekemää työtä positiivisina suureina, yleinen suljetun systeemin energiataseyhtälö voidaan lausua stationaarille kemiallisesti reagoivalle suljetulle systeemille seuraavasti Kemiallisen komponentin sisäenergia lausuttuna entalpian avulla. Käyttämällä entalpian määritelmää: Pv termit ovat mitättömiä kiinteille aineille ja nesteille. Ne voidaan korvata R u T kaasuille, jotka käyttäytyvät kuten ideaalikaasu. 15 ADIABAATTINEN LIEKIN LÄMPÖTILA Rajatapauksessa, jossa ei ole lämpöhäviöitä ympäristöön (Q = 0), palamistuotteiden lämpötila lähenee maksimiarvoa, jota kutsutaan adiabaattiseksi liekin tai adiabaattiseksi palamislämpötilaksi. koska Adiabaattisen liekin lämpötilan määrittäminen vaatii iteratiivisen tekniikan käyttöä. Polttokammion lämpötila saavuttaa maksiminsa, kun palaminen on täydellistä ja ympäristöön ei tapahdu lämpöhäviöitä (Q = 0). 16 8

Polttoaineen adiabaattinen liekin lämpötila riippuu (1) Lähtöaineiden tilasta (2) Reaktioiden toteutumisasteesta (3) Käytetystä ilmamäärästä Tietylle polttoaineelle tietyssä tilassa poltettuna tietyssä tilassa olevan ilman kanssa, adiabaattinen liekin lämpötila saavuttaa maksimiarvonsa, kun täydellinen palaminen tapahtuua teoreettisella ilmamäärällä. Polttokammiossa havaittu maksimilämpötila on alempi, kuin teoreetinen adiabaattinen liekin lämpötila. 17 REAGOIVIEN SYSTEEMIEN ENTROPIAN MUUTOS Missä tahansa prosesissa olevan minkä tahansa systeemin entropiatase (mukaan luettuna reagoivat systeemit) Suljetulle tai vakiovirtaama reagoivalle systeemille adiabaattiselle prosessille (Q = 0) Kemiallisiin reaktioihin liittyvä entropian muutos. 18 9

Komponentin entropia Ideaalikaasuseoksen komponentin entropiaa määritettäessä, pitää käyttää kyseisen komponentin lämpötilaa ja osapainetta. Absoluuttiset entropian arvot ovat taulukoitu taulukoihin A 18 - A 25 eri idealikaasuille tietyssä lämpötilassa ja 1 atm paineessa. Absoluuttiset entropia arvot eri polttoaineille ovat taulukoitu taulukossa A 26 standardi d referenssi e e tilassa 25 C Cja 1 atm. P 0 = 1 atm P i osapaine y i mooliosuus P m seoksen kokonaispaine. Tietyssä lämpötilassa, ideaalikaasun absoluuttinen entropia muissa paineissa kuin P 0 = 1 atm, voidaan määrittää vähentämällä R u ln (P/P 0 ) taulukoidusta arvosta painessa 1 atm. 19 REAGOIVIEN SYSTEEMIEN TOISEN PÄÄSÄÄNNÖN MUKAINEN ANALYYSI Exergian väheneminen Palautuva työ vakiovirtaus polttoprosessille, joka sisältää lämmönsiirtoa vain ympäristöön lämpötilassat 0 Kun molemmat, lähtoaineet ja tuotteet ovat lämpötilassa T 0 Gibbs funktio Lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden välinen eksergiaerotus kemiallisen reaktion aikana on kyseiseen reaktioon liittyvä palautuva työ. 20 10

Hyvin erikoisessa tapauksessa T react = T prod = T 0 = 25 C Negatiivinen Gibbs:in muodostumisfunktio jollekkin komponentille tilassa (25 C, 1 atm), edustaa kyseisen komponentin muodostumiseen liittyvää palautuvaa työtä sen stabiileista alkuaineista tilassa (25 C, 1 atm) ympäristössä, jonka tila on (25 C, 1 atm). 21 Yhteenveto Polttoaineet ja palaminen Teoreettiset ja todelliset palamisprosessit Muodostumisentalpia ja palamisentalpiap Reagoivien systeemien I-pääsäännön mukainen analyysi Vakiovirtaussysteemit Suljetut systeemit Adiabaattinen liekin lämpötila Reagoivien systeemien entropian muutos Reagoivien systeemien II-pääsäänön mukainen analyysi 22 11