Energy Engineering - Advanced Energy Systems

Full exam

SISTEMI ENERGETICI AVANZATI per allievi ingegneri energetici Appello dell'8 luglio 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 (19 punti) La corrente di syngas all'uscita di un gassificatore si trova nelle seguenti condizioni:  composizione Specie chimica Frazione molare, %Massa molare, kg/kmol Ar 1.0 39.9 CH 4 0.9 16.0 CO 44.4 28.0 CO 2 12.3 44.0 H2 24.3 2.0 H2O 15.3 18.0 H2S 1.1 34.0 N2 0.7 28.0  massa molare del syngas, kg/kmol: 22.20  PCI syngas secco, kJ/kg: 10.12 Il syngas viene poi raffreddato mediante quench con acqua, portato a saturazione alla temperatura di 245°C alla pressione di 70 bar e inviato alla sezione di reattori WGS "sulfur tolerant". Il syngas esce dall'ultimo reattore alla temperatura di 255°C in condizioni di equilibrio termodinamico rispetto alla reazione WGS. Noto che la costante di equilibrio della reazione WGS è esprimibile come  807 . 1 T 1961 p pp p log K log O 2 H CO2 H 2 CO 10 p 10             dove T è espressa in K, si chiede di calcolare la percentuale di carbonio presente nel syngas sotto forma di CO 2 e il PCI del syngas secco all'uscita dell'ultimo reattore WGS. Dati per la risoluzione del problema: h della reazione water gas shift = 41.15 MJ/kmol 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 245 36.51 1061.5 2.7477 0.001240 2802.3 6.107 0.05466 Quesito 2 (9 punti) Si confrontino due cicli combinati alimentati a gas naturale rispettivamente senza e con cattura del- la CO 2 aventi le seguenti caratteristiche: senza cattura con cattura Rendimento 0.59 0.50 Efficienza di rimozione della CO 2 --- 0.91 Componenti del costo dell’elettricità, €/MWh EL Investimento O&M 15 3 27 6.5 Sapendo che il gas naturale utilizzato nell’impianto ha:  composizione molare: CH 4 = 87%, C 2H6 = 6%, C 3H8 = 2.3%, C 4H10 = 1.7%, CO 2 = 2%, N 2 = 1%  massa molare: 18.88 kg/kmol  PCI pari a 46.39 MJ/kg  costo pari a 0.23 €/Sm 3 (condizioni standard: T = 25°C, p = 101325 Pa) Noto inoltre che il costo per il trasporto e sequestro della CO 2 è pari a 11 €/tonn, si chiede di de- terminare l'indice SPECCA e il costo della CO 2 evitata (espresso in €/tonn CO2 ) che caratterizza il ciclo con cattura rispetto al primo. Dati per la risoluzione del quesito  Massa molare carbonio (C): 12 kg/kmol  Massa molare ossigeno (O): 16 kg/kmol