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Dalila AMMARDalila AMMARBureau de Conseils et d’Etudes: Bureau de Conseils et d’Etudes:
GSM: 98321439 Email: : [email protected]@planet.tn
7 Mars 2016 7 Mars 2016 Formation SOTACIB KairouanFormation SOTACIB Kairouan
•Une campagne de mesures complète avec mise en place des points de mesures : débit gaz, débit poussière, température, prélèvement matière,
• Un bilan thermique d’une ligne de cuisson, broyeur à cru,
• Un bilan massique de broyeur à cru, four, broyeur cimentun bilan aéraulique
OBJECTIFS : Etre capable de réaliser
Déterminer et manipuler des flux(Gazeux, matières, thermiques, ….)
FormationFormationEn trois modulesEn trois modules
• Module 1 (Mars): Données de base
• Module 2 (Avril): Bilan aéraulique
• Module 3 (Mai): Bilan thermique
Module 1: Données de baseModule 1: Données de base
• Gaz parfait• Propriétés• Notions de débits (volumique, massique)• Loi de conservation de débit (masse)?• Loi de Bernoulli• Application
• Propriétés et caractéristiques de l’air• Teneur en eau• Mesures de débit• Mesures des températures
ProgrammeProgramme
Les Gaz
Les propriétés et les régularitésLes propriétés et les régularités
• Les propriétés chimiques des gaz peuvent différer grandement.
• Cependant, les propriétés physiques sont similaires.
Les propriétés et les régularitésLes propriétés et les régularités
a) Les gaz remplissent toujours leur contenant. Ils n’ont ni de forme ni de volume propres.
b) Les gaz sont très compressibles. c) Les gaz se diffusent, c’est-à-dire qu’ils se
déplacent spontanément pour occuper tout l’espace disponible.
d) Les températures ont une influence sur le volume et sur la pression d’un gaz.
Définition d’un gazDéfinition d’un gaz
• Un gaz se définit comme une substance qui occupe tout l’espace de son contenant et en adopte la forme, se diffuse rapidement et se mélange facilement aux autres gaz.
• Qu’est ce qu’un gaz?• Un gaz rare• Un corps pur simple non métallique, forme élémentaire• Un oxyde non métallique léger• Un acide binaire léger• L’ammoniac
• De quoi dépend le volume de gaz?• Du nombre de mole Vgaz
• Directement proportionnelle de la température
• Inversement proportionnelle à la pression
N2, Ar, HeF2, Cl2,
CO2, CO, SO2, SO3, N2O, N2O3
V gaz?n
Vgaz t
Vgaz P
Hcl, H2S , HFNH3
- 273 0 100 t (°C)
0 273 300 T (°K)273 °C
La pression : la loi de Boyle-MariotteLa pression : la loi de Boyle-Mariotte
P α 1V
Boyle 1662 PV = constant
La pression:La pression:la loi de Boyle-Mariottela loi de Boyle-Mariotte
P1V1 = P2V2
PrVr = PnVn(conditions réelles) (conditions normales)
N.B.: On ne peut additionner que des débits massiques ou normaux
P α V1662 PV = constant1
La température:La température:la loi de Charlesla loi de Charles
• Selon la théorie cinétique moléculaire, la température est proportionnelle à l'énergie cinétique (c-à-d, énergie de mouvement) moyenne des particules d’une substance.
• Plus la température est élevée, plus le nombre de particules ayant une énergie cinétique augmente à la moyenne.
La température : la loi de CharlesLa température : la loi de CharlesCharles 1787Gay-Lussac 1802
V α T V = b T
La température: la loi de CharlesLa température: la loi de Charles
• Quand on analyse la relation entre le volume d’un gaz et sa température en kelvins, on constate qu’il s’agit d’un rapport direct.
• D’après la loi de Charles, l’augmentation du volume (V) est proportionnelle à l’augmentation de la température (T).
La température: la loi de CharlesLa température: la loi de Charles• Lorsqu’un échantillon de gaz subit une variation de
température, le rapport prend la forme suivante: V1 = V2 (loi de Charles)
T1 T2
• Cette équation se vérifie lorsque la pression et la quantité de gaz restent constantes.
STPSTPSStandartstandarts dede T Températureempérature et deet de P Pressionression
Les propriétés des gaz dépendent des conditions (Températre, Pression, ..)
Définition des conditions standards de température et de pression (STP).
P = 1 atm = 760 mm Hg = 101325 PaT = 273.15 Kt = 0°C
Vgaz = n R Tn = 1R =8,32T = 0°CP = 1 atmVgaz ?
EXERCICE 1: Volume d’une mole dans les Conditions normales?
n = 1R =8,31 T = 0°CP = 1 atmVgaz (l) = 1 x 8,31 x 273 *1000 = 22,4 l 101325
La température: la loi de CharlesLa température: la loi de Charles
• Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique
degrés Celsius en kelvins : K = °C + 273,15
kelvins en degrés Celsius : °C = K - 273,15
Composition O2 20,8%N2 78,0%H2O 0,2%CO2 1,0% 100,0%
AIRPression 1013Pat 0°CT 273
Masse molaire (g) ρ (kg/m3 )32 0,29714285728 0,97518 0,00160714344 0,019642857
1,293
EXERCICE 2
Le volume VN à la pression normale de 1013 mbar (millibar) = 1013 hPa (hecto Pascal) à la température de 0 °C c′ est-à-dire 273,15 °K est la référence à laquelle est associé les conditions normales d’un gaz.
La loi générale des gazLa loi générale des gaz• Lorsqu’on combine la loi de Charles et celle de
Boyle-Mariotte, on obtient la loi générale des gaz, qui définit les rapports entre le volume, la température, et la pression de n’importe quelle quantité donnée de gaz.
• D’après cette loi, le produit de la pression et du volume d’un échantillon de gaz est proportionnel à sa température absolue.
La loi des gaz parfaitsLa loi des gaz parfaits• Les lois sur les gaz que nous avons étudiées
jusqu’ici ne s’appliquent qu’aux gaz parfaits.• Un gaz parfait est un gaz hypothétique qui obéit à
toutes les lois des gaz dans toutes les conditions, c’est-à-dire qu’il ne se condense pas pour devenir liquide lorsqu’on le refroidit, et que les graphiques représentant ses variations de volume ou de pression en fonction de la température sont des lignes droites.
La loi des gaz parfaitsLa loi des gaz parfaits• Théoriquement, un gaz se compose de particules
de taille nulle qui ne s’attirent pas les unes les autres.
• Une seule équation suffira donc pour décrire les interrelations de la pression, de la température, du volume et de la quantité de matière - (Les quatre variables qui définissent un système gazeux).
P1 V1
T1
x = P2 V2
T2
xLoi de Boyle-Mariotte
• À température constante.
La loi des gaz parfaitsLa loi des gaz parfaits
P1 V1
T1
x = P2 V2
T2
x
Loi de Charles
• À pression constante.
La loi des gaz parfaitsLa loi des gaz parfaits
La loi des gaz parfaitsLa loi des gaz parfaits
• D’après la loi d’Avogadro, le volume d’un gaz est directement proportionnel à la quantité de matière:
• v n (où n est le nombre de moles)
La loi des gaz parfaitsLa loi des gaz parfaits• V = nRT P• PV = nRT• Cette dernière équation constitue la loi des gaz parfaits et la
constante R porte le nom de constante universelle des gaz.• P = Pression (kPa)• V = Volume (L)• n = nombre de mol (mol)• T = Température (K)• R= 8,314 (kPa L) / (mol K)
PV = nRT C’est une formule de physique. On utilise systématiquement les unités du système international : la température T en kelvin (K), la pression en pascal (Pa), le volume en m3 ; n en mol et R = 8,314 J.K-1.mol-1.
Attention aux unités.
La loi des gaz parfaitsLa loi des gaz parfaits• P = nRT
VV = nRT P • n = PV
RT• T = PV
nR
MÉLANGE IDÉAL DE GAZ PARFAITSUn mélange idéal de gaz parfaits est un mélange de gaz parfaits tel qu’il peut être considéré lui-même comme un gaz parfait. On a k constituants. Soit n le nombre total de moles gazeuses et ni le nombre de moles de molécules d’un constituant i. On appelle P la pression du mélange, V son volume et T sa température. a alors PV = nRT Un mélange idéal de gaz parfaits est un mélange de gaz parfaits tel qu’il peut être considéré lui-même comme un gaz parfait. On a k constituants. Soit n le nombre total de moles gazeuses et ni le nombre de moles de molécules d’un constituant i. xi : la fraction du gaz i dans le volume totalOn appelle P la pression du mélange, V son volume et T sa température. On a alors PV = n RT
n = somme (xi . ni)
Pour l’air : N2 : 78% ; O2 : 21% et Ar : 1% (traces de CO2…).
Pour le calcul, on prend souvent : 80% et 20%.
Etude de cas 3:
La masse molaire de l’air vaut :
1 M = 0,80 x 28 + 0,20 x 32 = 29 g/mol
MASSSE VOLUMIQUE, DENSITÉ
La masse volumique d’un gaz parfait est : ρ (kg/m3 ) = M V = MP nRT La masse volumique dépend de la pression et de la température.
PrincipePrincipe
Réalisation du bilan gazeuxRéalisation du bilan gazeux
Température Pression statiquePression dynamiqueMasse volumique ?
Calcul des débits gazeux
Débit normal (Nm3/h) = Débit réel (m3/h) x 273/ (273 +t °C) x P/1013
Débit réel (m3/h) = Vitesse moyenne x section x3600
Détermination de la vitesse
Gaine ouverte: Mesure directe Gaine fermée: Mesures Pression différentielle (tube de pitôt)
P = Pd + PsV (m/s) = Coéf. X( 2 DP/Ro) ½
Dp = Pression différentiel mesurée
40
Tube de PitotTube de Pitot
Il est constitué de deux tubes coudés concentriques dont les orifices, en communication avec le fluide dont on veut mesurer la vitesse, sont disposés de façon particulière.•L'un, placé orthogonalement, à une vitesse relative v égale à la vitesse du fluide et une pression statique ps égale à la pression ambiante.•L'autre, placé dans le sens de l'écoulement, a une vitesse relative nulle et une pression totale pt, somme de la pression dynamique et de la pression statique.
Tube de PitotTube de PitotDéfinitionDéfinition
On appelle pression statique dans un écoulement fluide, la pression que l’on mesure si l’on place un capteur parallèlement à l’écoulement.
Pression totale dans un écoulement de fluide
Pression statique dans un écoulement de fluide
On appelle pression totale dans un écoulement fluide, la pression que l’on mesure si l’on place un capteur perpendiculairement à l’écoulement.
Pression dynamique dans un écoulement de fluideOn appelle pression dynamique, la pression engendré par la vitesse du fluide. Elle est égale à la différence des deux pressions précédentes: Pdy = P totale - Pstatique
Etude de cas 4Etude de cas 4
Densité Vitesse Q Vol. Q Mass. Q Vol.Kg/m3 m/s m3/sec Kg/sec Nm3/s
0,899 14,3 8,1 7,3 5,66
Densité Vitesse Q Vol. Q Mass. Q Vol.Kg/m3 m/s m3/sec Kg/sec Nm3/s
0,936 37,6 29,5 27,7 21,440,936 37,6 29,5 27,7 21,44
P5 N P5 S330 °C 321 °C
-47 mbar -46 mbar
3,4%O2 4,0%O2
P1 N P1 S325 °C 327 °C
-44 mbar -42 mbar
3,2%O2 3,6%O2
P1 bis N P1 bisS335 °C 327 °C
-44 mmCE -43 mbar
3,3%O2 3,9%O2
P3 S657 °C
P2 N -25 mmCE
494 °C 1,6%O2 P2 S-37 mmCE 482 °C
2,7%O2 -38 mbar
P3 N 2,7%O2
Combustible au four 674 °C
Gaz naturel 11169 Nm3/h -23 mmCE
PCI 9031 kcal/Nm3 1,6%O2
Cons. Specif. 675840 Kcal/kg cl% Combustible au four 84,0%
P4 SGaz naturel 2127 Nm3/h P4 N 813 °C
PCI 9031 kcal/Nm3 805 °C -16 mbar
Cons. Specif. 128731 Kcal/kg cl -14 mmCE 1,0%O2
% Combustible au Precal. 16,0% 1,3%O2
P6 Chambre melange
GAZ NATUREL PRECAL 813 °C
& -5,450 % O2
0,7%O2
FOUR
EXHAURE
P7 Boîte à fumées
963 °C
-3 mmCE
2,3%O2
°C °C
m/s m/s
°C °C
m/s m/s
Combustible au precal.
AIR REFROIDISSEMENT
AIR PRIMAIRE
NOSERING (Joint amant)
C1 bisC1
C2
C4
Chambre de mélange
Four
Refroidisse
Chemin
Boite à
C3
C1 bisC1
ALIM
ENTA
TIO
N F
ARIN
E
C2
LIGNE02 SUD
lIGNE 01 NORD COTE MONTAGNE
C3
C4
C
C
EVS ENTREE TC 90 °C 138 °C2 VENT TIRAGE EVS T°….. -519 mmCE -274 mmCE
PST… QM ; QM ;
QM ; QN : QN :
QN :
332 °C
-474 mmCE 130 °C
QM ; 81 °C -69 mmCE
QN : -69 mmCE QM ;
QM ; QN :
QN : nord sud
321 °C
-463 mmCE 84 °C
QM ; -519 mmCE
QN : QM ;
QN :
FIN CYC FIN CYC
313 °C 83 °C
-56 mmCE -371 mmCE
QM ; QM ;
QN : QN :
°C mmCE
286 °C 289 °C QM ; -64 mmCE -230 mmCE QN :
QM ; QM ; QN : QN :
BILAN AERAULIQUE B CRU
LVT
DEGROS FINISS
P Fin ALI SILOS
P FIN ALI SILOS
T C
VT
FILTRE AMANCHE
VT BC
sdyn
CYC 1 CYC 3 CYC 4CYC 2
FOYER
By Pass T.C.SortieTours EVS
REF V T FINAL
STCREF. VENT. T CRU
S. LVT
ASP. VENT. T CRU
V. TIR. EVS SUD
V. TIR. EVS NORD
E LVT
E. COMP1 E. COMPT2
AIR FRAIS REGISTRE
E. BY (AVANT
DIVISION)
T (°C) T (°C) T (°C)
P st (mmCE) P st (mmCE) P st (mmCE)
P dy (mmCE) P dy (mmCE) P dy (mmCE)
D D D
T (°C)
T (°C) P st (mmCE)
P st (mmCE) P dy (mmCE)
P dy (mmCE) T (°C) D
D P st (mmCE)
P dy (mmCE)
D
T (°C)
P st (mmCE)
P dy (mmCE)
D
OBSERVATION Injection d'eau 1,57 m3/h Adjuvant 468 ml/mnDébit broyeur 105 t/h
SEP. DYN.sep. stat.
Cal. Clk Gyp.
sep. stat.Filre Sep.
sep. stat.Filre Sep.
P1: Ent. Air Faux (EAFB)
Matière Première
BILAN AERAULIQUE BROYEUR CIMENT 1
P1
P2
P3
P4 P7
P5
P6
P3: Recirculation Aspiration
P2: Entrée Filtre Sep.(Point d'équilibre)
P4: Cheminée Filtre Sep.
P5 : Entrée Air Frais
P7: Cheminée Filtre Broyeur
P6: Sortie Sep. Stat.Regist Ar Ff:
Composition de l’air: O2: 21 % N2: 79 %
RO (air) = %O2 * 32/22,4 + +N2 *28/22,4 = 0,21* 32/22,4 + 0,79*28/22,4 = 1,29 g/Nm3
AirAirAir de combustionAir de combustion
Air Air dede refroidissement cinker refroidissement cinkerDébit des fuméesDébit des fumées
Composition de l’airComposition de l’air
% vol
Oxygène O2 20
Azote N2 79
Argon Ar
Gaz carbonique CO2
Eau (vapeur) H2O
N2/O2 = 79/20 = 3,7
Composition chimique moyenne de Composition chimique moyenne de l'atmosphèrel'atmosphère
N2 : 78 %02 : 20 %Ar : 0.1 %
C02 : 0.04 %
La composition de l'atmosphère hormis l'ozone et l'H20 ne dépend pas de l'altitude
Altitudes en m Pression en hPa0 1013.25
1000 898.702000 795.003000 701.104000 616.405000 540.206000 471.807000 410.608000 356.009000 307.40
10 000 264.4011 000 236.20
Combustion stpcheométriqueCombustion stpcheométriqueGaz naturelGaz naturel
Composition du gaz naturelComposition du gaz naturel
CH4 + 2O2 --> CO2 + 2H2O
C2H6 + 7/2O2 --> 2CO2 + 3H2O
C3H8 + 5 O2 --> 3CO2 + 4H2O
C4H10 + 13/2 O2 --> 4CO2 + 5H2O
%VOL CO2 H2O N2 He CO2
CH4 86,16 1 x CH (%) 2 x CH (%) 3,76x Volume oxygène nécessaire=3,76 x 2 x CH (%)
C2H6 6,11 2 x C2H6 (%) 3x C2H6 (%) 3,76 x 3,5 x C2H6 (%)
C3H8 1,48 3 x C3H8 (%) 4x C3H8 (%) 3,76 x5x C3H8 (%)
C4H10 0,56 4 x C4H10 (%) 5 x C4H10 (%) 3,76 x6,5 x C4H10 (%)
C5H12 0,14 5 x C5H12 (%) 6 x C5H12 (%) 3,76 x8 x C5H12 (%)
> C6H14 0,14 6 x C6H14 (%) 7 x C6H14 (%) 3,76 x7 x C6H14 (%)
He 0,08 0,08
N2 5,2 5,2
CO2 0,2 0,2 0,2
Pour 1 nm3 du gaz naturelPour 1 nm3 du gaz naturel
TABLEAU : CALCUL DES FUMEES NEUTRES
Consommation volumétrique en combustible : 87,91 Nm3 /T ClkCOMPOSITION ET DEBITS EN Nm3/T ClkElements combustibles Fumées de combustion neutre
FOUR: 42,36 % Précalcinateur 57,34 %Vol % Nm3/T Clk CO2 H2O N2 He CO2 H2O N2 He
C1 86,16 75,74 32,085 64,17 241,39 43,431 86,86 326,8
C2 6,11 5,371 4,551 6,826 29,957 6,1598 9,240 40,55C3 1,48 1,301 1,6534 2,205 10,366 2,2381 2,984 14,03
C4 0,56 0,492 0,8341 1,043 5,0990 1,1291 1,411 6,902C5 0,14 0,123 0,2607 0,313 1,5689 0,3529 0,423 2,124
C6 0,07 0,062 0,1564 0,156 0,6374 0,2117 0,212 0,863CO2 0,2 0,176 0,0745 - - - 0,1008 - - -
N2 5,2 4,571 - - 1,9364 - - - 2,621 -He 0,08 0,070 - - - 0,030 - - - 0,0403TOTAL 100 87,91 39,615 74,71 290,95 0,02979 53,624 101,1 393,8 0,0403
CALCUL DES FUMEES NEUTRES
Fumées neutres sèches : Four ( Nm3 /T Clinker) 330,599
Précalcinateur (Nm3/T Clinker) 447,511
Fumées neutres humides : Four (Nm3 /T Clinker) 405,311
Précalcinateur (Nm3 /T Clinker) 548,643
Air comburant théorique Four (Nm3 / T Clinker) 368,297
Soit Nm3/Kg Clinker 0,368
Précalcinateur ( Nm3 / T Clinker) 498,540
Soit en Nm3/Kg Clinker 0,499
Air comburant stochiométrique total ( Nm3/ T Clinker) 866,837
Soit Nm3/Kg Clinker 0,867
TABLEAU : CALCUL DES FUMEES NEUTRES
Consommation volumétrique en combustible : 1,00 Nm3 COMPOSITION ET DEBITS EN Nm3/T ClkElements combustibles Fumées de combustion neutre
COMBUSTION 100 %Vol % Nm3 O2 nécessaireCO2 H2O N2 He
C1 86,16 0,86 1,72 0,862 1,72 6,48
C2 6,11 0,061 0,214 0,122 0,183 0,804C3 1,48 0,015 0,074 0,0444 0,059 0,278
C4 0,56 0,006 0,1369 0,0224 0,028 0,1369C5 0,14 0,001 0,0112 0,0070 0,008 0,0421
C6 0,07 0,001 0,0046 0,0042 0,004 0,0171CO2 0,2 0,002 - 0,0020 - - -
N2 5,2 0,052 - - 0,0520 -He 0,08 0,001 - - - 0,001TOTAL 100 1,00 2,16 1,064 2,01 7,81 0,02979
Air comburant 10,40254 Nm3/nm3 gaz naturel
Fummées sèches 8,91 Nm3/nm3 gaz naturel
Fummées humides 10,91 Nm3/nm3 gaz naturel
1 bar = 105 Pa
1 atm = 1,01325 × 105 Pa (valeur de la pression atmosphérique normale).
Savoir changer d’unitéSavoir changer d’unité
1 atmosphère = 1 atm = 105 Pa1 bar = 105 Pa 1 mm H2O = 9,8 Pa1 mm Hg = 133,3 Pa1 bar = 760 mmHg