Методические указания к практической работе студентов по дисциплине Инженерная защита окружающей среды (стр. 4 )

- водой Q′п = Gв∙cв (t1 – t2);

- паром Q′п = G ∙r;

- теплопередачей через стенку Q′п = kT F(t1 – t2)τ,

где kT - коэффициент теплопередачи; F – поверхность теплообмена; t1, t2 - температура теплоносителя на входе и выходе соответственно; τ – время.

При определении низшей теплоты сгорания топлива в технических расчетах можно пользоваться формулой :

Qрн = 339,3С + 1256Н – 109(O – S) – 25,2(9Н + W) ( )

где C, H, O, S – содержание в топливе углерода, водорода, кислорода и серы соответственно (в % масс.); W – содержание влаги в рабочем топливе (в% масс.).

Высшая теплота сгорания топлива:

Qрв = Qрн + 25,2(9Н + W) ( )

Теоретический расход воздуха Gтеор (в кг на 1 кг топлива) рассчитывается по уравнению:

Gтеор = 0,116С + 0,348Н + 0,135(S - О) ( )

Количество тепла, вносимое влажным воздухом Iвозд, определяется по формуле:

Iвозд = αGтеор(1,02 + 1,95χ)tвозд ( )

где α - коэффициент избытка воздуха (для твердого топлива α = 1,3-1,7; для жидкого α – 1,1-1,2; для газообразного α – 1,0-1,2); χ – влагосодержание воздуха (кг на 1 кг сухого воздуха); tвозд – температура воздуха, подаваемого в топочное устройство (1,02 и 1,95 – удельная теплоемкость воздуха и водяных паров соответственно).

Пример 4 Котел ПК-10 использует в качестве топлива газ, с которым подводится химическая энергия в количестве 659,86 ГДж/ч. С паром отводится 82,2% тепловой энергии. Остальная часть отводится с отходящими газами и тепловыми потерями в окружающую среду в соотношении 21 : 1. Результаты расчета теплового баланса представить в табличной форме.

Решение

Энергетический баланс котла ПК-10

Таблица

Приход	Расход
Статья баланса	ГДж/ч	%	Статья баланса	ГДж/ч	%
Химическая энергия топлива	659,86	100	Тепло пара Потери с уходящими газами Тепловые потери прочие	542,40 112,11 5,35	82,20 16,99 0,81
Всего:	659,86	100	Всего:	659,86	100

Пример 5 Рассчитать теоретическую температуру горения природного газа метана (теплота сгорания 890 310 кДж/моль) при избытке воздуха 25% (α = 1,25).

Решение Реакция горения метана

СН4 +2О2 + 0,5О2 + 2,5∙3,76N2 = CO2 + 2H2O + 0,5О2 + 2,5∙3,76N2

При начальной температуре воздуха 0оС, при заданной температуре горения тепловой баланс выражается уравнением:

Q = 890 310 = ( CCO2 + 2CH2O + 0,5CО2 + 2,5∙3,76N2)∙t

Средняя мольная теплоемкость газов и паров С, кДж/(кмоль∙ оС):

	1800 оС	1900 оС
О2	34,9	35,1
CO2	53,9	54,2
N2	33,1	33,2
H2O	42,8	43,2

При температуре 1800оС

Q1 = 953,9 + 2∙42,8 + 0,5∙34,9+ 2,5∙3,76∙33,1)∙1800 =467,95∙800 =842 000 кДж

Так как Q1(842 000 кДж) < Q (890 310 кДж) следует выбрать температуру

1900оС:

Q2 = (54,2 + 2∙43,2 + 0,5∙35,1 + 2,5∙3,76∙33,2)∙1900 =470,6∙1900= 906 000 кДж

Q2(906  000 кДж) < Q (890 310 кДж)

Q2 - Q = 906  310 =15 690 кДж

Q - Q1 = 890  000 =кДж

ОС

ОС

Пример 6 В реакторе вода массой 5000 кг нагревается острым паром под давлением 2 атм. Определить время, необходимое для нагрева воды от tо =15 ОС до t = 90 ОС, если расход пара G = 0,50 кг/с. Потери тепла в окружающую среду Qп = 15 кВт. Найти закономерность изменения температуры во времени.

Решение

Острый пар конденсируется в воде, поэтому в момент τ количество воды равно М + G∙τ. Уравнение теплового баланса имеет вид:

(М + G∙τ)с∙t = Gi″∙τ + M cto + Qп∙τ

Энтальпия насыщенного водяного пара i″ = 2,71∙103 кДж/кг, удельная теплоемкость воды с = 4,19 кДж/кг∙гр.

Из уравнения теплового баланса определяем время (ч) нагревания воды до заданной температуры:

Необходимое для нагревания воды количество пара G (кг) равно:

G′ = G∙τ = 0,5 ∙1330 = 665 кг

Решая уравнение теплового баланса относительно температуры, получим

После подстановки в это уравнение числовых значений найдем закон изменения температуры во времени:

Задачи для самостоятельного решения

1. Составить материальный баланс Q(кг/ч) печи для сжигания серы (S + O2 = SO2) производительностью 60 т/сут. Степень окисления серы 0,95 (остальная сера возгоняется и сгорает вне печи). Коэффициент избытка воздуха α =1,5.

2. Составить материальный баланс производства криолита (m = 1 кг), если процесс описывается суммарным уравнением:

2Al(OH)3 + 12HF + 3Na2CO3 = 2Na3AlF6 + 3CO2 + 9H2O

Плавиковая кислота вводиться в виде 15% раствора HF в вод. Сода берется с 4%-й недостачей от стехиометрического расчета(для

обеспечения необходимой остаточной кислотности).

3. Рассчитать материальный баланс водооборотной охлаждающей системы производительностью 108 000 м3/ч в соответствии с условиями примера 2. Состав оборотной воды Свзв =50 г/м3; Скат = 3,5 г-экв/м3; Сан = 500 г/м3. Состав подпиточной воды Свзв =20 г/м3; Скат = 4 г-экв/м3; Сан = 550 г/м3. Коэффициент α = 0,03.

4. Подсчитать количество теплоты Q (кДж), выделяющееся при образовании 100 л ацетилена из карбида кальция:

СаС2 + Н2О = СаО +С2Н2 +Q

Если теплота образования СаС2 – 62 700 кДж/кмоль; Н2О – кДж/кмоль; С2НкДж/кмоль.

5. Рассчитать теоретическую температуру горения этана (теплота сгорания этана 1,559∙106 кДж/кмоль) при избытке воздуха 20% (α =1,2).

Реакция протекает по уравнению:

C6H6 +3,5O2 + 0,7O2 + 4,2∙(79/21)N2 = 2CO2 + 3H2O + 0,7O2 +4,2∙3,76N2

Значение средней теплоемкости Сср (кДж/кмоль∙гр):

	19000С	20000С
СО2	54,2∙103	54,5∙103
О2	35,1∙103	35,3∙103
Н2О (пар)	43,2∙103	43,6∙103
N2	33,2∙103	33,4∙103

6. Рассчитать повышение температуры при окислении SO2 на 1% при 5000С для газовой смеси состава: SO2 – 7%; О2 – 12%; N2 – 81%

SO2 + 1/2O2↔ SO3 + 94 400 кДж.

Теплоемкости:

С SO2 – 2,082 кДж/м3∙гр ; С O2 - 1,402 кДж/м3∙гр ; С N2 -1,343 кДж/м3∙гр.

Зависимость теплового эффекта реакции от температуры

рассчитывается по формуле:

Q = 4,187(24,555 – 2,21Т), кДж/кмоль

7. Рассчитать тепловой эффект Q (кДж/моль) конверсии этилена:

С2Н4 + 2Н2О ↔ 2СО + 4Н2 + Q

8. Подсчитать температуру горения мазута, имеющего состав (% масс.):

С – 87; Н2 – 10,8; О2 – 1,0; S – 0,7; N2 - 0,5. Воздух для горения подается с коэффициентом избытка α = 1,36. Температура мазута и воздуха при подаче в топку равна 20оС. Суммарные теплопотери 6,5% от общего прихода теплоты. Теплоемкость мазута – 2,5 кДж/кг∙гр.

Тема 5. Определение количества выделяющихся загрязняющих веществ от различных источников и в некоторых технологических процессах

Работа двигателей автотранспорта

Основная причина загрязнения воздуха разнообразными двигателями, использующими в качестве топлива продукты нефтепереработки, заключается в неполном и неравномерном сгорании топлива. Камера сгорания двигателя – своеобразный химический реактор, синтезирующий загрязняющие вещества, выделяющиеся с выхлопными газами в атмосферу. Основная химическая реакция, протекающая в процессе сгорания топлива, может быть представлена следующим обобщенным уравнением

CхНу + (χ + 0,25y)О2 → χСО2 + 0,5уН2О (….)

Однако эта реакция не проходит полностью даже при стехиометрическом соотношении исходных компонентов. Основными загрязняющими веществами, входящими в состав выхлопных газов практически всех двигателей, являются СО, СnHm, NOx. При определенных условиях в выхлопных газах содержаться также SO2.сажа, бензапирен, соединения свинца. Выбросы ЗВ двигателями осуществляется при прогреве двигателя, холостом ходе, пробеге по территории предприятия и движении по трассе.

Удельные выбросы ЗВ двигателями автотранспорта зависят от категории автомобилей, от их грузоподъемности, типа двигателя, используемого топлива, периода года. Влияние периода года учитывается только для выезжающих с открытых стоянок автомобилей, для остальных расчет выполняется как для постоянного теплого периода года.

Валовое выделение (г/день) ЗВ одним автомобилем в день при выезде с территории и возврате определяется по формулам

(…..)

(….)

Величина времени прогрева tпр принимается одинаковой для различных типов автомобилей, но существенно зависит от температуры воздуха.

Температура воздуха, 0С	Время прогрева, мин
Легкового автомобиля	Грузового автомобиля
Выше +5	3	4
+5…-5	4	6
-5…-10	10	12
-10…-15	15	20
-15…-20	15	25
-20…-25	20	30
Ниже -25	20	30