La formula brutta e l'impiego degli idrocarburi nei motori a combustione interna

-La formula brutta è C H OHN 2N+1

-Il metano ad esempio diventa alcol metilico con struttura CH OH (o metanolo)

-L'etano diventa alcol etilico con struttura C H OH (o etanolo)

-Impiego degli idrocarburi nei motori a combustione interna:

-Motori ad accensione comandata: i migliori sono le iso-paraffine (catena ramificata) o gli aromatici (hanno struttura molecolare abbastanza stabile e compatta, con maggior resistenza quindi alla detonazione (tempo di autoaccensione relativamente lungo). Gli idrocarburi con catena lineare non ramificata sono invece estremamente più rapidi ad autoaccendersi, a parità di numero di carboni, rispetto alle strutture ramificate, quindi sono altamente detonanti.

-Motori ad accensione per compressione: sono migliori le molecole a catena lineare (idrocarburi a più alto numero di carboni), in quanto più veloci ad autoaccendersi dei corrispondenti ramificati (questi ultimi nei motori diesel produrrebbero un ritardo all'accensione troppo elevato).

BENZINA DI PRIMA DISTILLAZIONE CONTIENE UNA NOTEVOLE PERCENTUALE DI "ALIFATICI" ANCHE SE IL GREGGIO È DI PROVENIENZA "NAFTENICA" (PETROLI DEL MEDIO ORIENTE); PERCIÒ LE BENZINEDI PRIMA DISTILLAZIONE SONO SCADENTI E VANNO CORRETTE CON OPPORTUNI PROCEDIMENTI DICHIMICA INDUSTRIALE.

LE DIFFERENZE TRA LE TEMPERATURE DI EBOLLIZIONE DEI VARI IDROCARBURI MESCOLATI NEL GREGGIO CONSENTONO DI SEPARARLI A GRUPPI MEDIANTE LA DISTILLAZIONE FRAZIONATA. COSÌ SI RICAVANO LE BENZINE DI PRIMA DISTILLAZIONE CHE PERÒ SONO PERCENTUALMENTE POCA COSA RISPETTO A TUTTI GLI ALTRI DERIVATI (NAFTE, GASOLI, OLII PESANTI) DATO CHE LA GAMMA DI IDROCARBURI CHE INTERESSA LE BENZINE È PIUTTOSTO RISTRETTA (DAL 10% AL 6%).

ALLO SCOPO DI ELEVARE L'ALIQUOTA DI BENZINA ESTRAIBILE DA UN DATO GREGGIO SONO SORTI PROCESSI INDUSTRIALI COME LA PIROSCISSIONE (O "CRACKING"), L'IDROGENERAZIONE, IL CRACKING CATALITICO, ECC.. IL "CRACKING" SI BASA SUL FATTO CHE

PMO + %MassaN *PMN = kg/kmol2

2 2 20,791 ∙ 28* 0,791 ∙ 28 + 0,209 ∙ 32** 0,209 ∙ 280,791 ∙ 28 + 0,209 ∙ 32

PROPRIETA' DEI COMBUSTIBILI

Rapporto Aria Combustibile

La combustione di qualsiasi combustibile richiede ossigeno. Si deve quindi alimentare la camera di combustione con un determinato rapporto aria/combustibile. (Air to Fuel Ratio) = =

ARIA TEORICA

Minima quantità d'aria che fornisce ossigeno sufficiente affinché avvenga la completa ossidazione di tutto il carbonio C a CO2, di tutto l'idrogeno H a H2O e di qualsiasi altro elemento presente nel combustibile. Il rapporto tra aria teorica (quindi la minima) e il corrispondente quantitativo di combustibile fornisce il = =

PROPRIETA' DEI COMBUSTIBILI

Rapporto Aria Combustibile

Generica reazione di combustione stechiometrica

C H O S

Combustibile: n m r s :

Si ricava l'espressione per il rapporto stechiometrico αst -> liquidi e gas->

solidi

PROPRIETA' DEI COMBUSTIBILI

Rapporto Aria Combustibile

Combustibile gassoso o liquido PM = 12,01

CPM = 1,008

PM = Peso Molecolare HPM = 16,00

OPM = 32,07

S

Caso combustibile solido

• [H]: % in massa di idrogeno nel combustibile
• [C]: % in massa di carbonio nel combustibile
• [S]: % in massa di zolfo nel combustibile
• [O*]: % in massa di ossigeno già nel combustibile, da sottrarre al valore totale di ossigeno richiesto dalla combustione
• 4,31 [kg aria/ kg ossigeno], *
• rappresenta [kg ossigeno/ kg combustibile]: è la quantità di O2 richiesta per la combustione completa del combustibile. Moltiplico per 4.31. ottengo l'aria stechiometrica

PROPRIETA' DEI COMBUSTIBILI

Esempio: reazione combustione metano

4 4 4#$ + 1 + ' + 3,78( → #' + $ ' + 3,78 1 + (% 4 2 4#$ + 2' + 2 ∙ 3,78( → #' + 2$ ' + 3,78 ∙ 2(% 41+ 32 + 3,78 ∙ 28 2 ∙ 32 + 2 ∙ 3,78 ∙ 28 275,684=∝ = = = =

17,1812,01 + 4 ∙ 1,008 12,01 + 4 ∙ 1,008 16,042

PROPRIETA' DEI COMBUSTIBILI

Relazioni aria/combustibile

Teoricamente: Aria teorica combustione completa no ossigeno nei prodotti

Pratica: Per ottenere perfetta ossidazione si deve fornire quantità maggiore dell'aria stechiometrica assume valori diversi a seconda del sistema di combustione:

α = 13,14 per motori accensione comandata (benzina)

α = 70 per motori ad accensione per compressione (gasolio)

α = 40-60 per c.c. di turbine a gas a pieno carico (c. liquido o α gas naturale)

PROPRIETA' DEI COMBUSTIBILI

Relazioni aria/combustibile

Rapporto di miscela: ⁄-= =miscela ricca di combustibile

λ<1 ⁄miscele povere (magre) di comb.

λ>1

Esempio: Benzina abbiamo =14,7α st• seλ=0,9 α=13,2• seλ=5 α=73,5

Eccesso d'aria:

Quantità d'aria, relativa allo stechiometrico, fornita al di sopra dell'aria

teorica.Se = 0,5 = 50%λ=1,5 ε −/= =-−1Basso per c. liquidi o gassosi, alto per i solidi.Rapporto di equivalenza: 1Inverso del rapporto di miscela 1= -PROPRIETA’ DEI COMBUSTIBILIRelazioni aria/combustibileL’eccesso aria è funzione del tipo di combustibile e del tipo di sistema di combustionePROPRIETA’ DEI COMBUSTIBILICombustione in proporzioni non stechiometrichen : numero di moli di gas combusto prodotto dalla combustione di una mole dipcombustibileX : frazioni molari specifiche dei singoli composti formatisiiL’esatta composizione dei prodotti può determinarsi solo con accurati bilanci di massa,introducendo reazioni di dissociazione ad alta temperatura considerando gli equilibritra le specie in funzione della temperatura.PROPRIETA’ DEI COMBUSTIBILIPotere calorifico di un combustibileQuantità di calore per unità di massa che un combustibile è in grado dirilasciare durante una combustione

1. Reazione a volume costante con temperatura iniziale e finale pari a T (sistema che evolve a volume costante e non adiabatico verso l'esterno)

Applico il primo principio della termodinamica tra stato iniziale (1=reagenti) e stato finale (2=prodotti) a pari V e T:

2-3 = 45 - 45 = 45 - 45 = Δ4566

La combustione è esotermica: contenuto energetico dei fumi (prodotti) < reagenti

H = potere calorifico a volume costante = -ΔU(T)v V

PROPRIETÀ DEI COMBUSTIBILI

2. Reazione a P costante con temperatura iniziale e finale pari a T (sistema che evolve a pressione costante e non adiabatico verso l'esterno)

Applico il primo principio:

2-3 = 45 - 45 = 2 - 9 : - : 82 = 45 + 9: - 45 - 9: = Δ$588

H = potere calorifico a pressione costante = -ΔH(T)p p

Il potere calorifico è quindi una proprietà

PROPRIETÀ DEI COMBUSTIBILI

Potere calorifico di un combustibile

Andamento dell'energia interna o dell'entalpia in funzione della temperatura, per i reagenti e i prodotti. La pendenza cresce con T (Cp e Cv crescono). Cp e Cv dei prodotti con l'aumentare della T crescono maggiormente.

Nota: calore specifico è la quantità di calore necessaria per aumentare di 1 kelvin la temperatura di un'unità di massa di una sostanza.

Potere calorifico di un combustibile

La differenza tra le due curve è: ∆$5 - ∆$5 = 9(: - :)8;

Se nel processo a P costante V1=V2 allora il potere calorifico è identico per entrambi i processi.

Nel caso di due GAS IDEALI: >?∆$5 - ∆$5 = 9(: - :) = @ - @ 58;

Se il numero di moli totali, da prodotti a reagenti non cambia, i 2 poteri

calorificicoincidono.PROPRIETA' DEI COMBUSTIBILIPotere calorifico di un combustibileEffetto dell'H2O gassosa nei prodotti2 Combustione idrocarburoFormazione H2O gassosa o liquidaU o H(a seconda del processo)Dipendono dalla proporzionerelativa di acqua in fasegassosa o liquidaPROPRIETA' DEI COMBUSTIBILIPotere calorifico di un combustibileEffetto dell'H2O gassosa nei prodotti2Differenza tra le due curve∆4 5 - ∆4 5 = ∙ ∆46, ABC 6, 6 8 ; 8,m = massa d'acqua nei prodottiH2OΔU = energia interna di vaporizzazionevap,H2O dell'acqua a P e T dei prodottiIn termini entalpici:∆$ 5 - ∆$ 5 = ∙ ∆ℎ8, ABC 8, 6 8 ; 8,PROPRIETA' DEI COMBUSTIBILIPotere calorifico di un combustibileEffetto dell'H2O gassosa nei prodotti2Valutazione potere calorificoSe si sfrutta anche calore Se acqua mantenuta indi condensazione fase gassosa nei fumidell'acqua nei fumiP. C. superiore P. C. inferiorePROPRIETA' DEI