III-3-5-6 Paramètre de détermination des
chaleurs de combustion
A) Paramètres principaux
Pour déterminer la chaleur de combustion dans un
calorimètre à la bombe, il faut tenir compte de :
1. La chaleur correspondant à la longueur du fil
d'amorce brûlé évalué de manière suivante :
1cm de fil brûlé dégage 2.3 cal,
comme le spécifie le constructeur de l'appareil. (PARR
INSTRUMENT COMPANY) [21].
2. Le volume de soude NaOH ayant permit de titrer5
les acides formés après la combustion. La correction
thermochimique stipule que : 1cm3 de base (NaOH) dans le
titrage des acides formés équivaut à 1.0
cal, avec (1cm3 = 1ml). Les acides formés sont
essentiellement l'acide nitrique (HNO3) et sulfurique (H2SO4).
B) Autres paramètres
> La masse d'eau au dessus ou en dessous de 2kg ;
> La masse de l'échantillon en dehors de celle
exigée ;
> La valeur de montée de la température
incorrecte.
Remarque1 : seul les chaleurs
dissipées à la formation des acides et à la combustion du
filament seront prise en compte dans le cas des mesures effectuées dans
un calorimètre de type «PARR », de même, la plus part
des échantillons ayant moins de 0.1% de soufre, on négligera la
quantité de chaleur dissipée lors de la formation de l'acide
sulfurique.
Remarque 2 Il est recommandé de
calibrer la soude utilisée pour le titrage ainsi que le
calorimètre dans le but d'obtenir les résultats les plus
précis possibles.
5 Déterminer la quantité de corps
dissous dans une solution
« Essai d'élaboration et analyse
chimico-calorifique d'un biocarburant à base de manioc
»
Mémoire DIPET II - ENSET de Douala
2007
III-3-5-7 Etalonnage de la soude
Cette soude nous servira pendant la manipulation, il va
falloir l'étalonner. L'étalonnage de la soude consiste à
déterminer la concentration réelle de la soude. Elle se fait en
faisant réagir une substance étalon appelée
PAK de masse molaire connue : Mpak= 204.22 g/mol avec
de la soude à étalonner.
1. Mode opératoire de l'étalonnage de la
soude Au laboratoire, nous disposons d'une soude de concentration
théorique : CNaOH = 0.11M
En incorporant trois gouttes de phénophtaléine
dans un élermeyer contenant de la poudre de PAK
préalablement diluée dans un peu d'eau distillée, en y
ajoutant progressivement de la soude, on observe alors un changement de couleur
de la solution qui part de l'incolore au rouge : c'est le virage. Dans la zone
de virage, le nombre de mole de la soude : nNaOH est égale à
celui du PAK : nPAK.
La formule : nNaOH = nPAK nous permettra de
déterminer la concentration réelle de notre soude.
2. Détermination de la concentration
réelle de la soude
> CNaOH = 0.11M (concentration
théorique de la soude disponible au laboratoire) > MPAK=
204.22g/mol (masse molaire du PAK)
> V= 10.00ml (volume de chute de
burette pour le titrage de la soude)
3. Calcul de la masse de PAK
(mPAK)
La masse de PAK (mPAK) nous permettra de
déterminer le point de virage. Elle est tirée de la formule
suivante, Cf. DURUPTHY et al [9].
nPAK = mPAK/ Mpak et nNaOH =CNaOH XV
mPAK = masse de PAK en (g)
Donc : mPAK/ MPAK = CNaOH X VNaOH
V= Volume de chute de burette de la soude en ml CPAK=
Concentration du PAK en M
« Essai d'élaboration et analyse
chimico-calorifique d'un biocarburant à base de manioc
»
Mémoire DIPET II - ENSET de Douala 2007
CNaOH = concentration de la soude en M
On obtient donc : mPAK= CNaOH .V .
Mpak
AN. mPAK= 0.11 x
10.10-3 × 204.22= 0.22 g
Donc, le titrage nécessite une masse de PAK :
mPAK= 0.22g
4. Détermination de la concentration exacte de la
soude
> Pesons une masse de poudre de PAK,
mPAK= 0.22g ;
> La faire dissoudre dans un peu d'eau distillée ;
> Y incorporer trois gouttes de phénophtaléine
;
> Progressivement, à l'aide d'une burette
graduée, ajouter de la soude étalonnée tout en
contrôlant l'écoulement, jusqu'au point de virage
(rouge);
Relevé le volume de soude VNaOH correspondant.
L'essai 1 nous donne : VNaOH = 11.70 ml.
Nous savons que, au point équivalent, nPAK = nNaOH
Donc : nNaOH = mPAK /Mpak
AN. nNaOH = 0.22 / 204.22 = 1.08
x10-3 mol
CNaOH = nNaOH / mPAK
AN. CNaOH =
1.08x10-3/11.7x10-3=
0.0923mol.l-1
CNaOH = 0.0923mol.l-1 est la concentration
moyenne de la soude.
Cette manipulation se fait à travers deux essais
à l'exemple du mode opératoire ci-dessus relaté. La
concentration obtenue lors des deux essais nous permettra de déterminer
la concentration moyenne. Les différents résultats de cette
manipulation sont regroupés dans le tableau des
résultats du dosage de la soude.
« Essai d'élaboration et analyse
chimico-calorifique d'un biocarburant à base de manioc
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Mémoire DIPET II - ENSET de Douala
2007
III-3-5-8 Calibrage du calorimètre a la bombe
Etape 1 : Pesage de l'acide benzoïque
b) Peser et noter la masse de la pastille d'acide benzoïque
;
c) Déposer la sur le porte-échantillon.
Etape 2 : Fixation du fil d'amorce
d) Couper 10cm de fil d'amorce et noter la longueur exacte du
fil coupé ;
e) Fixer le fil d'amorce sur les électrodes de la
tête de la bombe avec un dépassement de 3 à 4 mm de chaque
côté figure 3-26.
f) placer le porte-échantillon (figure 3-27)
et faire passé le fil sur la pastille. Etape 3 :
fermeture de la bombe
g) Introduire 1ml d'eau distillée dans le cylindre de la
bombe ;
h) Poser le couvercle et visser solidement ;
i) Fermer les valves de sortie d'air.
Etape 3 : Remplissage en
oxygène de la bombe
j) fixer le tube en caoutchouc de la bouteille d'oxygène
sur celle de la bombe ;
k) Tourner la valve principale sur la bouteille d'oxygène
d'un déplacement de 1/4 maximums ;
l) Ouvrir la valve de contrôle jusqu'à 25 atm sur
le cadran (ne pas excédé 30 atm), fermer immédiatement les
valves ;
m) Descendez la valve de relaxation pour faire baisser la
pression dans la tuyauterie ;
n) Déconnecter le tube en caoutchouc de la bouteille
d'oxygène.
o) Fermer la valve de la bouteille d'oxygène et ouvrir
les valves de contrôle pour évacuer le reste d'oxygène
jusqu'à ce que le cadran indique (o).La bombe est pleine
d'oxygène figure 3-29
Etape 4 : Montage du
calorimètre
p) introduire 2 litres d'eau environs préalablement
pesée dans le seau approprié ;
« Essai d'élaboration et analyse
chimico-calorifique d'un biocarburant à base de manioc
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Mémoire DIPET II - ENSET de Douala
2007
q) Introduire la bombe de moitié dans le seau d'eau, puis
fixer les câbles externes du calorimètre sur les terminaux
externes de la bombe ;
r) Laisser reposer la bombe au fond du seau et l'introduire dans
le calorimètre (fig. 3-28) Note : Utiliser des pinces
appropriées pour la manutention de la bombe.
a. Fermer le couvercle du calorimètre (figure
3-30)
b. Enclencher le système d'agitation ;
c. Laisser tourner pendant 5 minutes pour obtenir
l'équilibre thermique du système ;
d. Relever la température initiale avant le
déclenchement de la mise à feu.
e. Déclencher le système de mise à feu.
Etape 5 : Lecture de la
montée de température
f. Lire le thermomètre et relever la montée de la
température après chaque 15 secondes ;
g. Arrêter la levée de la température
dès qu'elle devient constante ;
h. Ouvrir la valve d'air et laisser échapper les gaz ;
i. Prélever l'eau issue du fond de la bombe pour analyse,
tout en nettoyant
minutieusement ses parois avec de l'eau
distillée.
Etape 6 : Titrage de la solution
Elle permet de déterminer le volume de NaOH ayant permit
de titrer les acides (acide nitrique HNO3 particulièrement, car l'acide
sulfurique est en très faible quantité).
j. Introduire trois gouttes de phénophtaléine dans
l'eau issue du fond de la bombe, puis,
à l'aide d'un compte gouttes,
titrer la solution et prélever le volume de NaOH au point de virage
(précjité rouge).
k. Effectuer les calculs y afférents.
Etape 7 : Mesure de la longueur du fil
brûlée
Identifier les morceaux de fil non brûlé ;
l. A l'aide d'une règle graduée, mesurer la
longueur des morceaux de fil d'amorce restant après
combustion ;
« Essai d'élaboration et analyse
chimico-calorifique d'un biocarburant à base de manioc
»
Mémoire DIPET II - ENSET de Douala
2007
m. Sachant que on a utilisé 10cm de fil au départ,
soustraire et obtenez la longueur de fil brûlé.
|
|
|
Figure 3-27 : porte
échantillon
|
Figure 3-26 : Fixation du fil d'amorce
|
|
|
Figure 3-29: Bombe à oxygène
chargée
|
Figure 3-28 : l'intérieur de la
bombe
Figure 3-31 : Vue de
Figure 3-30 Fermeture du calorimètre
l'intérieur du calorimètre
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chimico-calorifique d'un biocarburant à base de manioc
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2007
Le tableau 3-3 récapitule les
paramètres de bases obtenus avant le debut du calibrage. Tableau
3-3 : Mesure des paramètres initiaux
|
Paramètres
|
Valeurs
|
Unités
|
|
Masse de l'acide benzoIque (ma)
|
0.96
|
g
|
|
Masse de l'eau (m1)
|
1998.9
|
g
|
|
Volume de soude initial (VNaOH)
|
0.00
|
ml
|
|
Longueur initiale du fil mesuré
|
10
|
cm
|
|
Temperature initiale (Oi)
|
28.8
|
°C
|
III-3-5-9 Détermination de la capacité
calorifique de la bombe calorimétrique type PARR
Tableau 3-4 : Evolution de la température de
combustion de l'acide benzoïque
|
Temps en seconde (s)
|
Température en (°C)
|
Observation
|
|
i
|
28.8
|
Précombustion
|
|
30
|
29.1
|
Combustion
|
|
60
|
30.2
|
|
90
|
30.8
|
|
120
|
31.1
|
|
150
|
31.2
|
|
180
|
31.3
|
|
Of
|
31.4
|
|
240
|
31.4
|
Post combustion
|
|
270
|
31.4
|
|
300
|
31.4
|
|
330
|
31.4
|
|
Avec Oi = temperature initiale Of = temperature finale.
« Essai d'élaboration et analyse
chimico-calorifique d'un biocarburant à base de manioc
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Mémoire DIPET II - ENSET de Douala
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a) Détermination de la variation de
température AO = Of - Oi
==> AO =31,4 -- 28,8 = 2,6°C donc AO = 2,6 °C
b) determination de la longueur du fil brülé.
L fil brülé = L fil initiale - L fil non
brulé ; or L fil non brülé = 4.2 cm
L fil initiale = 10cm
L fil bràle = 10 - 4.2 = 5.8 cm
c) Détermination de la quantité de chaleur
(QT) fournie pendant la combustion Elle est fonction de trois facteurs
:
QT = Q1 + Q2 + Q3
Q1 = Chaleur ayant brülé le fil;
Q2 = Chaleur ayant produit la formation du HNO3 ;
Q =
Chaleur de combustion de l'acide benzoIque ;
· Sachant que : 1cm de fil brülé ==> 2.3cal.
[18] On a : Q1 = L fil brûlé X
2.3
AN. : Q1 = 5.8 x 2.5 = 13.34 cal.
· Sachant que : 1ml de NaOH ==> 1cal [18]
Q2 =5.3 x 1 = 5.3 cal
Q3 = Chaleur massique de C6H5COOH x masse d'une pastille de
C6H5COOH
Q = 6318.3calIg x 0.96 g = 6065.56 cal
<c Essai d'élaboration et analyse
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2007
QT = 13.34 + 5.3 + 6065.56 = 6084.2 cal
QT = 6084.2 cal
d) Determination de la capacité
calorifique de la bombe calorimetrique
QT = Wcal x AO ==> Wcal =
QT/AO
Oü on a : QT = Quantité de chaleur
fournie pendant la combustion de l'acide benzoIque. Wcal = Capacité
calorifique de la bombe.
AO = Difference de temperature.
Wcal = 6084.2cal /26°C = 2340.07cal OC-1
Wcal = 2340.076cal. °C-1
Tableau 3-5 : Récapitulatif des données
essentielles a retenir
Données
|
Valeurs
|
Unites
|
Masse (réelle) d'eau m1
|
19998.9
|
g
|
Capacité calorifique du calorimètre (Wcal)
|
2340.076
|
cal0C-1
|
|
III-3-5-10 Détermination des chaleurs de
combustions des différentes coupes de carburants
€ Pouvoir calorifique P >> d'un
carburant
Le pouvoir calorifique P d'un carburant est la chaleur
obtenue par la combustion complete d'un kilogramme de ce carburant. Il
s'exprime KJ.Kg-1 et est compté positivement.
DURUPHTY et al [9]. Sa formule est :
P = Q/m
« Essai d'élaboration et analyse
chimico-calorifique d'un biocarburant à base de manioc
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Mémoire DIPET II - ENSET de Douala
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Oü P = Pouvoir calorifique en KJ.Kg-1
m = masse du carburant utilisée en kg
Q = Quantite de chaleur fournie en KJ
La determination de la chaleur de combustion de notre
bioéthanol nous permettra d'en déduire son pouvoir calorifique
ainsi que celui des coupes issues des précédentes dilutions. Nous
pourrons établir des comparaisons et tirer des conclusions utiles.
III-3-5-10-1 Exemple de calcul de la Chaleur de
combustion de la coupe E100 Tableau 3-6 : Mesure des paramètres initiaux
pour la coupes E100
Paramètres
|
Valeurs
|
Unités
|
Masse du E100
|
1.16
|
g
|
Masse d'eau (m2)
|
1997.86
|
g
|
Volume de NaOH initial
|
0.00
|
ml
|
Temperature initiale (ei)
|
30.9
|
°C
|
Longueur L de fil brülé
|
4.3
|
cm
|
|
La manipulation de la combustion des coupes de carburant se
fait de manière identique a l'etalonnage de la bombe calorimetrique, a
la seule difference que la pastille d'acide benzoIque est remplacée par
la coupe de carburant considérée.
Avant d'effectuer tout calcul après avoir
étalonné la bombe calorimetrique de type PARR, il est
recommandé de corriger d'abord la capacité calorifique de ce
calorimètre.
a) La formule générale de
correction
Les formules ci-dessous nous permettent de corriger la
capacité calorifique Wcal du calorimètre a la bombe,
Comme le recommande PARR INSTRUMENT COMPANY [21].
> m1 = masse de l'eau au calibrage ;
> m2 = masse de l'eau pendant la manipulation de
détermination de la quantité de chaleur `Q `dégagée
par un combustible.
« Essai d'élaboration et analyse
chimico-calorifique d'un biocarburant à base de manioc
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Mémoire DIPET II - ENSET de Douala
2007
> Wcal = capacité calorifique de la bombe
calorimétrique avant correction. > W'cal =
capacité calorifique de la bombe calorimétrique après
correction.
· Si m2 > m1 ==> W'cal = Wcal + (m2 - m1) Ce
· Si m2 < m1 ==> W'cal = Wcal - (m1 - m2) Ce
Avec Ce = Chaleur massique de l'eau : Ce = 1 J.
k-1. kg-1
b) Application au calcul
En ce qui concerne la combustion de la coupe E100, la formule de
correction sera: m2 < m1 ==> W'cal = Wcal - (m1 - m2) Ce avec Ce = 11 J.
k-1. kg-1
W'cal = 2340.076 - (1998.9 - 197.89) x 1
W'cal = 2339.066 cal
Tableau 3-7 : Evolution des températures de la
combustion de la coupe E100
|
Temps
|
Température en (°C)
|
Observation
|
|
ti
|
(Oi) 30.9
|
Précombustion
|
|
60
|
31.7
|
Combustion
|
|
90
|
32.7
|
|
105
|
33.1
|
|
120
|
33.3
|
|
135
|
33.4
|
|
150
|
33.5
|
|
(tf) 165
|
(Of) 33.6
|
|
180
|
33.6
|
Fin combustion
|
|
195
|
33.6
|
Post combustion
|
|
210
|
33.6
|
|
<c Essai d'élaboration et analyse
chimico-calorifique d'un biocarburant a base de manioc>
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2007
c) Calcul de la difference de temperature
AU.
AU = Uf -- Ui AU = 2.7°C
AN. AO = 33.6 - 30.9 = 2.7°C
d) Determination de la chaleur de combustion
(QE100) de la coupe E100
Q1 = Qfil brule = 4.3 x 2.3 = 9.89 cal
Q2 = QNaOH = 5.8 cal (chaleur de formation des acides,
titré par un volume VNaOH de soude)
Q3 = QE100 = ?
On sait que : QT = Q1 + Q2 + Q3 et que QT = W'cal X AO
==> Q1 + Q2 + Q3 = W'cal X AO
Q3 = W'cal %o AO - (Q1 + Q2)
AN. Q3 = 2340.076 x 2.7 - (5.8 + 9.89) ==>
QE100 = 6302.5152 cal Sachant que 1cal ==> 4.18 J on a :
Note: nous avons utilisé pour
brüler les autres coupes de carburant une masse de combustible
égale a 2.36. Ramenons le calcul de Q a cette quantité pour mieux
effectuer l'étude comparative plus tard.
1.16g ==> 6302.5152 cal
2.36g ==> x cal
x cal = 2.36 x 6302.5152 / 1.16
QE100 = 12822.3585 cal ou QE100 = 53597.4595 J
QE100 = 53597.4595 J
« Essai d'élaboration et analyse
chimico-calorifique d'un biocarburant à base de manioc
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Mémoire DIPET II - ENSET de Douala
2007
e) Détermination du pouvoir calorifique
(PE100) de la coupe E100
Sachant que : QE100 = mE100 × PE100 ==> PE100 = Q3 /
mE100 or 1cal ==> 4.18 J AN. PE100 = 1822.3585 / 2.36 =
5433.2027 cal/g
PE100 = 22710.7875 J/g
PE100 = 22710.7875 kJ.kg-1
| 
