Energy Engineering - Advanced Energy Systems

Full exam

SISTEMI ENERGETICI AVANZATI per allievi ingegneri energetici Appello del 1° ottobre 2015 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 (13 punti) Il syngas proveniente dalla sezione di rimozione gas acidi di un impianto IGCC ha le seguenti ca- ratteristiche:  Composizione molare: Ar: 1.2%, CO: 52.5%, CO 2: 8.5%, H 2: 36.0%, H 2O: 1.0%, N 2: 0.8%.  Massa molare: 20.04 kg/kmol  Potere calorifico inferiore: 11.68 MJ/kg Per limitare la formazione di NO X, il syngas viene diluito dapprima inviandolo a un saturatore da cui esce saturo di acqua alle seguenti condizioni: pressione = 60 bar, temperatura = 180 °C. Succes- sivamente il syngas saturo viene miscelato con N 2 in modo da ridurre il PCI della miscela finale a 5 MJ/kg. Noto che:  La potenza elettrica netta del ciclo IGCC è pari a 430 MW  Il rendimento netto (rispetto al PCI) del ciclo IGCC è pari al 43%  La cold gas efficiency della linea di gassificazione + purificazione syngas è pari al 76% si chiede di calcolare 1) La portata di azoto che viene miscelata al syngas 2) L'emissione assoluta (espressa in kg/s) di CO 2 al camino e quella specifica (espressa di kg/MWh) dell'impianto IGCC Dati per la risoluzione del quesito Massa molare: H 2O= 18 kg/kmol CO 2= 44 kg/kmol Condizioni dell'H 2O alla saturazione liquido vapore T, °C p, bar h, kJ/kg s, kJ/kg-K v, m 3/kg h, kJ/kg s, kJ/kg-K v, m 3/kg 180.0 10.026 763.2 2.140 0.001127 2777 6.584 0.1939 Quesito 2 (15 punti) In un ciclo combinato con cattura pre-combustione della CO 2, la reazione di water gas shift viene effettuata in due stadi secondo lo schema rappresentato in figura. Il flusso entra in un primo reatto- re WGS (flusso A), viene successivamente raffreddato (punto C) e inviato a un secondo reattore WGS a membrana in cui si ha un ulteriore avanzamento della reazione, favorito dalla contempora- nea rimozione di idrogeno. Noto che:  la portata del flusso di syngas in ingresso al primo reattore (flusso A) è pari a 80 kg/s  la composizione molare del syngas (flusso A) è la seguente: CH 4: 1.0%, CO: 11.0%, CO 2: 7.6%, H 2: 42.0%, H 2O: 38.0%, N 2: 0.4%  la massa molare del syngas è pari a 14.376 kg/kmol  il potere calorifico inferiore del syngas è pari a 9.72 MJ/kg  la portata di H 2 che permea attraverso la membrana è pari a 5.8 kg/s  la temperatura del flusso di retentato all'uscita del reattore WGS membranato (flusso D) è pari a 430°C  la pressione del flusso all'uscita del 2° reattore WGS è pari a 55 bar  le composizione dei flussi uscenti dai due reattori WGS sono in equilibrio rispetto alla reazione di shift  la costante di equilibrio della reazione WGS è esprimibile per mezzo della relazione:  ) 807 . 1 T 1961 ( ) p pp p ( log K log CO O 2 H2 H 2 CO 10 P 10     dove T è espresso in K  il h a 25°C della reazione di water gas shift è pari a 41.4 MJ/kmol Si richiede di calcolare: 1) la pressione parziale di H 2 nella corrente di retentato all'uscita del reattore WGS a membrana (flusso D) 2) la percentuale di CO 2 (su base secca) nel flusso D 3) il PCI del flusso D (indifferentemente su base secca o umida) Dati per la risoluzione del quesito Massa molare: H 2= 2 kg/kmol H 2O= 18 kg/kmol PCI dell'H 2= 120 MJ/kg 1° reattore WGS corrente di idrogeno permeatoretentato corrente alimentata A B 2° reattore WGS a membrana C D H2 sweep gas