Задача 1

Рассчитать теоретическую температуру горения природного газа метана (теплота сгорания 890310 кДж/моль) при избытке воздуха 25% ( α = 1,25 ).

Решение

Реакция горения метана:

СН₄ + 2 О₂ + 0,5 О₂ + 2,5 · 3,76 N₂ = CO₂ + 2 H₂O + 0,5 O₂ + 2,5 · 3,76 N₂

При начальной температуре метана и воздуха 0 ^оС , заданной температуре горения тепловой баланс выражается уравнением:

Q = 890310 = ( C_СО2 + 2C_H2O + 0,5 C_O2 + 2,5 · 3,76 C_N2 ) · t

Средняя теплоемкость газов и паров С, кДж/(кмоль · ^оС) :

	1800 оС	1900 оС
О2	34,9	35,1
СО2	53,9	54,2
N2	33,1	33,2
H2O	42,8	43,2

При температуре 1800 ^оС:

Q₁ = (53,9 + 2 · 42,8 + 0,5 · 34,9 + 2,5 · 3,76 · 33,1) · 1800 =

= (53,9 + 85,6 + 17,45 + 311,14) · 1800 = 842562 кДж.

Но:

Q₁ = 842562 кДж < Q = 890310 кДж.

Следовательно, необходимо выбрать температуру 1900 ^оС.

Q₂ = (54,2 + 2 · 43,2 +0,5 · 35,1 + 2,,5 ·3,76 ·33,2) · 1900 =

= (54,2 +.86,4 + 17,55 + 312,08) · 1900 = 893437 кДж

Q₂ = 893437 кДж > Q = 890310 кДж,

Q₂ – Q = 893437 – 890310 = 3127 кДж,

Q – Q₁ = 890310 – 842562 = 47748 кДж.

Δt = = = 6,55 ^oC

t = 1800 + 6,55 = 1806,55 ^oC

Контрольные задания

1. Составить материальный баланс печи (в кг/ч) для сжигания серы (S+О₂=SО₂)производительностью 60 тонн в сутки. Степень окисления серы 0,95 (остальная сера возгоняется и сгорает вне печи). Коэффициент избытка воздуха α=1,5.

2. Составить материальный баланс производства криолита (на 1 т), если процесс описывается суммарным уравнением:

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

Плавиковая кислота вводится в процесс в виде 15%-ногораствора HF в воде. Сода берется с 4%-ной недостачей от стехиометрии (для обеспечения необходимой остаточной кислотности).

3. Определить расход технического карбида кальция, содержащего 85% СаС₂ для получения 1000 л ацетилена, если степень разложения СаС₂ составляет 0,92. Уравнение реакции:

СаС₂ + Н₂О =СаО+ С₂Н₂.

4. Определить расходный коэффициент для технического карбида кальция в производстве ацетилена (на 1000 кг ацетилена). Содержание СаС₂ в техническом продукте 83%, а степень использования СаС₂ в производстве 0,88. Уравнение реакции в предыдущем задании.

5. Рассчитать расход сульфата натрия, содержащего 95% Na₂SO₄ и электролитического водорода с содержанием 97% (по массе) Н₂на 1т технического сульфида натрия (96% Na₂S). Уравнение реакции:

Na₂SO₄ + 4H₂ = Na₂S+4H₂O.

На побочные реакции расходуется 2% сульфата натрия и технического водорода от теоретически необходимого для получения 1т технического продукта.

6. При газификации кокса (содержащего 96,5% С и 3,5% Н₂О по массе) с водяным паром, полученный водяной газ содержит 6% СО₂ (по объему). Рассчитать состав полученного газа и составить таблицу материального баланса процесса газификации на 1т кокса. Уравнения реакций:

С + Н₂О + СО + Н₂ (основная)

СО + Н₂О + СО₂ + Н₂(побочная).

7. Рассчитать материальный баланс водооборотной охлаждающей системы производительностью 108 тыс. м³/ч. Состав оборотной воды С_взв=50 г/м³; С_кат = 3,5 г-экв/м³; С_ан =500 г/м³. Состав подпиточной воды С_взв =20 г/м³; С_кат = 4 г-экв/м³; С_ан= 550 г/м³. Коэффициент α=0,03.

8. Какие количества 62%- и 92%-ной серной кислоты нужно смешать, чтобы получить 25 кг 73%-ной Н₂SO₄.

9. Определить количества водных растворов А, В и С, необходимых для получения 6,6 кг смеси, содержащей 20% этилового спирта, 37% метилового спирта и 43% воды, если исходные растворы имеют следующий состав: А – 35% С₂Н₅ОН, 20% СН₃ОН, В – 10% С₂Н₅ОН, 60% СН₃ОН, С – 20% С₂Н₅ОН и 15% СН₃ОН.

10. Рассчитать расход товарной извести, содержащей 50% активной окиси кальция, для нейтрализации сточных вод, содержащих 2 г/дм³ серной кислоты и 11г/дм³железа.

11. На основании данных табл. 9 определить расход известняка для нейтрализации 2500 м³ сточных вод, содержащих 380 г/дм³ фосфорной кислоты.

Таблица 9

Количество щелочного реагента, необходимого для нейтрализации кислот, содержащихся в сточных водах

Щелочной реагент	Количество реагента, кг/кг кислоты
	Сер- ной Н2SO4	Соля- ной НCl	Азотной HNO3	Фосфор-ной H3PO4	Уксусной CH3COOH	Плави- ковой HF
Активная окись кальция (CaO)	0,57	0,77	0,44	0,86	0,47	1,40
Гидроокись Кальция Ca(OH2)	0,75	1,01	0,59	1,13	0,62	1,85
Едкий натр NaOH	1,14	1,53	0,89	1,71	0,94	2,80
Карбонат кальция (известняк, мел.мрамор) CaCO3	1,02	1,37	0,80	1,53	0,83	2,50
Карбонат магния (магнезит)	0,86	1,15	0,67	1,21	0,70	2,10
Карбонат натрия Na2CO3	1,09	1,45	0,84	1,62	0,89	2,65

12. По данным табл. 10 определить расход гидроокиси кальция для извлечения металлов из 12000 м³/сут сточных вод, содержащих 1,5 г/дм³ цинка, 0,85г/дм³ никеля и 1,37 г/дм³ меди.

Таблица 10.

Количество щелочного реагента, необходимого для извлечения металлов из сточных вод

Металл	Количество реагента, кг/кг металла
	CaO	Ca(OH)2	Na2CO3	NaOH
Цинк	0,85	1,13	1,60	1,22
Никель	0,95	1,26	1,80	1,36
Медь	0,88	1,16	1,66	1,26
Железо	1,00	1,32	1,90	1,43
Свинец	0,27	0,36	0,51	0,38

13. Сосуд емкостью 3 м³с мешалкой наполнен раствором с концентрацией 25%. В определенный момент времени начинают подачу чистой воды (расход 1,2кг/с). Плотность раствора равна плотности воды, расход на выходе из сосуда равен расходу на входе. Через сколько времени концентрация на выходе из сосуда станет равной 2%.

14. Два сосуда емкостью по 2 м³, оборудованные мешалками и соединенные последовательно, наполнены растворами с концентрацией 20%. В определенный момент времени начинают подачу в первый сосуд воды с расходом 3 кг/с, а раствор, вытекающий из него, подают во второй сосуд. Найти закон изменения концентрации раствора на выходе из второго сосуда.

15. Подсчитать количество теплоты (кДж), выделяющейся при образовании 100л ацетилена из карбида кальция по реакции

СаС₂ + Н₂О=СаО+ С₂Н₂ +Q,

если теплоты образования (кДж/Кмоль) составляют:

СаС₂ – 62700; Н₂О – 635100; С₂Н₂ – 226750.

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

С₂ Н₆ +3,5О₂ +0,7О₂ + 4,2×(79:21)N₂ = 2СО₂ +3H₂O+0,7O₂ +4.2×3,76N₂

Значения средней теплоемкости (МДж/кмоль·град)

Т,оС	О2	СО2	N2	H2O
1900	35,1	54,2	33,2	43,2
2000	35,3	54,5	33,4	43,6

17. Насколько увеличится температура при окислении SO₂на 1% при 500^оС для газовой смеси состава SO₂ – 7%, O₂ – 12%, N₂– 81%. Уравнение реакции:

SO₂ + 0,5O₂ =SO₃ +94400 кДж.

Теплоемкости: С_SO2 – 2,082 кДж/м³·град.; С_O2 – 1,402 кДж/м³·град.; С_N2 – 1,343кДж/м³·град. Зависимость теплового эффекта реакции от температуры рассчитывается по формуле:

Q = 4,187×(24555-2,21×Т), кДж/кмоль.

18. Определить тепловой эффект реакции газификации твердого топлива, если из генератора водяного пара выходит газследующего состава (в % по объему): СО–38; Н₂–50; N₂ - 5,8 ; СО₂ – 6,2. Расчет выполнить на 1000 м³ генераторного газа. Теплоты образования, кДж/моль: СО – 110,58, СО₂ – 393,79, Н₂О (пар) – 242,0. В генераторе идут следующие реакции:

С+Н₂О→СО+Н₂ ; СО+Н₂О→СО₂ +Н₂ .

19. Подсчитать температуру горения мазута, имеющего состав (в % по массе): С – 87; Н₂ О – 10,8; О₂ – 1,0; S – 0,7; N₂ – 0,5. Воздух для горения подается с коэффициентом избытка α=1,36. Температура воздуха и мазута при подаче в топку 20 ^oС. Суммарные теплопотери 6,5% от общего прихода теплоты. Теплоемкость мазута 2,5 кДж/кг·град.

20. Рассчитать тепловой эффект (в кДж/моль) конверсии этилена,проходящей по уравнению:

С₂ Н₂ +2Н₂О=2СО+4Н₂ +Q.

21. Определить теоретическую температуру горения пропана при коэффициенте избытка воздуха α=1,2. Уравнение реакции:

С₃Н₈ +5О₂ =3СО₂ +4Н₂О+Q.

22. Подсчитать высшую и низшую теплоты сгорания и теоретический расход воздуха при сжигании фрезерного торфа, содержащего С – 58%, Н₂ – 6%, О₂ – 31%, S – 0,1%, N 2 -1,9%, влаги – 2,0% и золы – 1,0%.

23. Составить тепловой баланс на получение 1000 м³ Н₂конверсией метанав одну стадию при 1000 ^oС:

СН₄ +Н₂О=СО+3Н₂ -О.