Dalila AMMARDalila AMMARBureau de Conseils et d’Etudes: Bureau de Conseils et d’Etudes:

GSM: 98321439 Email: : bce@planet.tnbce@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