Energy Engineering - Advanced Energy Systems

Full exam

SISTEMI ENERGETICI AVANZATI per allievi ingegneri energetici Appello del 28 settembre 2016 Tempo a disposizione: 1 ora e 30 min Avvertenze per lo svolgimento del tema d’esame: 1) Indicare chiaramente nome e cognome su tutti i fogli che si intendono consegnare. 2) Rispondere brevemente ma con chiarezza solamente ai quesiti posti. Calcoli e spiegazioni - pur corretti in sé - che non rispondono ai quesiti posti non saranno considerati ai fini della valutazione. 3) Il punteggio dei singoli esercizi si riferisce ad esercizi svolti in modo completo con risultati numerici esatti. Risultati numerici corretti ma non accompagnati dalle relative spiegazioni non saranno presi in considerazione. 4) Parlare con i colleghi e/o copiare prevede l’immediato annullamento del compito. 5) La votazione dell'esame è la somma dei voti riportati nei singoli esercizi e di un bonus (punti 4) assegnato in considerazione del grado di completamento di almeno uno degli esercizi, della com- prensibilità della calligrafia, dell'ordine del testo della risoluzione, del livello delle spiegazioni a cor- redo. Il punteggio finale verrà normalizzato in base ai risultati medi. 6) Il punteggio minimo per l'ammissione all'orale è 16/30. Una votazione da 9 a 15 comporta l'esito "rimandato". Una votazione minore o uguale a 8 comporta l'esito "riprovato". La valutazione "ri- provato" impedisce allo studente di iscriversi ai successivi appelli della stessa sessione. Quesito 1 (19 punti) Un impianto per la produzione di idrogeno con tecnologia ATR (Auto Thermal Reformer) utilizza 100'000 Nm 3/h* di gas naturale per produrre idrogeno. Noto che:  la composizione molare del gas naturale è la seguente: CH 4 = 91%, C 2H6 = 5%, C 3H8 = 1.5%, C 4H10 = 0.5%, CO 2 = 1.2%, N 2 = 0.8%  massa molare del gas naturale: 17.762 kg/kmol  PCI del gas naturale pari a 47.51 MJ/kg  la composizione molare del syngas uscente dal reformer è la seguente: Ar = 0.4%, CH 4 = 0.3%, CO = 16.3%, CO 2 = 6.1%, H 2 = 44.8%, H 2O = 31.7%, N 2 = 0.4%  la temperatura del syngas all'uscita del reattore di water gas shift di bassa temperatura è pari a 230°C e la composizione è in equilibrio rispetto alla reazione di water gas shift  fra l'ultimo stadio di water gas shift e il PSA è inserito un impianto MDEA in grado di rimuovere il 96% della CO 2 presente. La CO 2 catturata viene poi sequestrata in acquiferi salini. Si può inoltre ritenere che l'unità MDEA non rimuova invece CH 4, CO e H 2  L'efficienza di separazione dell'H 2 del PSA è pari al 92% si richiede di calcolare: 1) la portata di H 2 prodotto dall'impianto 2) il rendimento di produzione dell'idrogeno (espresso in MJ PCI di H 2 generato per MJ PCI di gas naturale in input) 3) la portata di CO 2 catturata 4) l'efficienza di cattura del carbonio dell'intero processo di produzione idrogeno 5) l'emissione specifica di CO 2 per MJ di idrogeno prodotto dall'impianto (espressa in g/MJ), consi- derando che CO e CH 4 nell'off-gas del PSA vengano ossidati per recupere il PCI residuo e la conseguente CO 2 prodotta viene rilasciata in ambiente Dati per la risoluzione del quesito: Massa molare H 2: 2 kg/kmol, CO 2: 44 kg/kmol Potere calorifico inferiore H 2: 119.95 MJ/kg Costante di equilibrio della reazione di water gas shift:  ) 029 . 2 T 2073 ( ) p pp p ( log Kp log CO O 2 H2 H 2 CO 10 10     dove T è espresso in K * Condizioni normali: 0°C e 1.01325 bar Quesito 2 (9 punti) Un impianto cogenerativo con microturbina a gas, in condizioni nominali porta acqua dalla condi- zione di liquido saturo a quella di vapore saturo evaporandola alla pressione atmosferica (tempera- tura di evaporazione pari a 100°C) in una caldaia a recupero posta a valle del rigeneratore. Gli altri parametri progettuali del sistema sono i seguenti:  potenza elettrica, kW: 150  rendimento elettrico, %: 32  pressione gas ingresso turbina, bar: 4.8  temperatura dei gas in ingresso alla turbina, °C: 900  portata di gas combusti allo scarico della turbina, kg/s: 1.2  temperatura dei gas allo scarico del rigeneratore, °C: 282  temperatura dei gas allo scarico dello scambiatore, °C: 110 Si consideri poi la condizione di fuori progetto in cui la portata ridotta all'ingresso della turbina è pari al caso nominale e caratterizzata da:  potenza elettrica, kW: 85  rendimento elettrico, %: 30  pressione gas ingresso turbina, bar: 3.5  temperatura dei gas in ingresso turbina, °C: 827  temperatura allo scarico del rigeneratore, °C: 235  l'ebollizione avviene sempre alla stessa pressione e fra le stesse condizioni iniziali e finali di entalpia Si chiede di valutare 1) l'efficienza di primo principio del sistema in condizioni nominali 2) la potenza termica utile e il rendimento di primo principio del sistema in condizioni di fuori pro- getto, nell'ipotesi di trascurare eventuali perdite termiche ed effetti di secondo ordine dovuti alla variazione dei coefficienti di scambio e della composizione dei gas Dati per la risoluzione del quesito: Calore specifico gas combusti, kJ/kg-K: 1.14 Efficacia di uno scambiatore avente una corrente in cambio di fase: � L1 F A F067