KTEV Fakulty životního prostředí UJEP v Ústí n.l. Průmyslové technologie 3 příklady pro cvičení. Ing. Miroslav Richter, PhD.

Transkript

1 KTEV Fakulty životního prostředí UJEP v Ústí n.l. Průmyslové technologie 3 příklady pro cvičení Ing. Miroslav Richter, PhD., EUR ING 2014 Materiálové bilance Do tkaninového filtru vstupuje m 3 /hod. znečištěného vzduchu. Účinnost filtru je 99,5 %. Jaká je koncentrace prachu ve výstupním proudu a kolik prachu v kg/hod. se ve filtru odloučí, je-li vstupní koncentrace prachu 10 g/m 3. Tlak a teplota jsou v systému konstantní? Odloučí se 99,5 kg/h prachu, koncentrace prachu ve výstupním proudu bude 50 mg/m Do kalolisu vstupuje vodní suspenze tuhé látky s koncentrací 30 g/l. Průtok suspenze v jednom filtračním cyklu je 50 m 3. Průměrná účinnost kalolisu pro danou suspenzi je 95 % hm. a vlhkost filtračního koláče je 30 %hm. Kolik tuhé látky se v kalolisu odloučí v jednom filtračním cyklu a jaká je výsledná střední koncentrace tuhé látky v g/l ve vystupujícím filtrátu, je-li hustota vody vždy uvažována 1 kg/l? V kalolisu se odloučí 1425 kg kalu v 1 cyklu, koncentrace tuhé látky ve filtrátu bude g/l Do sedimentační odstředivky natéká hodinově 50 m 3 vodné suspenze s koncentrací tuhé látky 25 g/l. Průměrná účinnost odstředivky pro odloučení dané tuhé látky je 85 %. Vystupující zahuštěný kal obsahuje 20 % hm. vody. Kolik vlhkého kalu odchází z odstředivky za 1 hodinu a jaká je koncentrace tuhé látky v odstředěné kapalině v g/l, je-li hustota vody uvažována 1 kg/l? Z odstředivky vystupuje kg/h kalu, odstředěná voda obsahuje 3.77 g/l tuhé látky. 1

2 3.5.4 V plynech vstupujících do reakce byl zjištěn obsah kyslíku 1,3 % obj. Teplota plynů je C, objemový průtok 415 m 3 /h, plyny mají být smíšeny se vzduchem v takovém poměru, aby obsah kyslíku ve výsledné směsi vzrostl na 6,3 obj. %. Jaké množství vzduchu střední teploty 15 0 C se musí přivést za hodinu? Výsledek : Je třeba přivést 103,3 m 3 /hod. vzduchu Smísíme - li 30 kg fenolu a 70 kg vody při teplotě 50 0 C, vytvoří směs dvě vrstvy. Při dané teplotě se rozpustí 12 g fenolu v 88 g vody a 64 g fenolu ve 36 g vody. Vypočítejte hmotnosti jednotlivých složek v obou vrstvách V první vrstvě je obsaženo 7,8 kg fenolu a 57,5 kg vody, ve druhé 22,2 kg fenolu a 12,5 kg vody. Jakého množství 98 %-ní kyseliny sírové a 70 %ní kyseliny dusičné musíme použít, abychom získali 2000 kg nitrační směsi obsahující 55 % H 2 SO 4, 30 % HNO 3 a 15 % vody? Uvedená procenta jsou hmotnostní. K přípravě kg směsi daného složení je třeba použít 1122,4 kg kyseliny sírové, 857,1 kg kyseliny dusičné a 20,5 kg vody Je třeba připravit 1500 kg směsi kyselin o složení 56 hm. % H 2 SO 4, 32 hm. % HNO 3 a 12 hm. % vody ze 78 %-ní kyseliny dusičné a 78 %-ní kyseliny sírové. Jakého množství jednotlivých kyselin je nutno použít a jaká bude potřebná koncentrace kyseliny sírové? Musí se použít 615 kg kyseliny dusičné a 885 kg kyseliny sírové o koncentraci 94,9 hm. % Jakým množstvím rozpouštědla musíme zředit 300 kg 80 %-ního roztoku na 16 %-ní roztok (hm. % )? Ke zředění je nutno použít 1200 kg rozpouštědla. 2

3 3.5.9 Odpadní ředidlo, obsahující 88 hm. % bezvodého ethylalkoholu a 12 hm. % esteru, má být upraveno na toto složení: 26 hm. % esteru, 32 hm. % ethylalkoholu, 40 hm. % benzenu a 2 hm. % změkčovadla. Určete hmotnost látek, které bude třeba připravit na 1,20 m 3 původní směsi o měrné hmotnosti 810 kg/m 3. Jaké bude výsledné množství směsi? K odpadnímu ředidlu bude třeba přidat 578 kg esteru, 1070 kg benzenu a 53 kg změkčovadla. Celkem získáme 2673 kg směsi Kapalina A a kapalina B jsou při určité teplotě omezeně mísitelné. Smísíme-li 40 kg kapaliny A a 60 kg kapaliny B, vytvoří se při dané teplotě dvě vrstvy. Vypočtěte hmotnost složek v jednotlivých vrstvách a vyjádřete v mol. % koncentrace složky A a B v obou vrstvách. Při dané teplotě se rozpouští 90 g kapaliny A v 10 g kapaliny B a 80 g kapaliny B se rozpouští ve 20 g kapaliny A. Molové hmotnosti kapalin: M A = 52 kg.kmol -1, M B = 78 kg.kmol -1. V první vrstvě je po smíšení kapalin 25,7 kg kapaliny A a 2,9 kg kapaliny B. Ve druhé vrstvě je 14,3 kg kapaliny A a 57,1 kg kapaliny B. Koncentrace složek v první vrstvě : 93 mol. % kapaliny A a 7 mol. % kapaliny B, ve druhé vrstvě 27,3 mol. % kapaliny A a 72,7 mol. % kapaliny B Zředěný roztok etylalkoholu obsahující 8,55 hm. % alkoholu, je přiváděn v množství 300 kg/h do kontinuální rektifikační kolony. Produkt obsahuje 95,36 hm. % ethylalkoholu a odpad z kolony 0,12 hm. % ethylalkoholu. Určete: a) množství produktu získané za hodinu, b) celkovou hmotnost zbytku odcházejícího z kolony za hodinu, c) procento ztrát alkoholu. Hmotnostní průtok produktu činí 26,5 kg/h, množství zbytku odcházejícího z rektifikační kolony 273,5 kg/h. Při rektifikaci je ztráta 1,28 % ethylalkoholu Při čištění chloridu draselného překrystalováním se tato sůl rozpouští v potřebném množství vody na nasycený roztok při teplotě 90 o C, kdy se rozpustí 53,8 g KCl ve 100 g vody. Vzniklý roztok se ochladí na 20 o C, kdy rozpustnost činí 34,7 g KCl ve 100 g vody. Při čištění chloridu draselného překrystalováním se zjistilo, že výtěžek z 1000 kg KCl ve výchozí surovině poklesl o 23% vlivem 3

4 přílišného zředění roztoku před jeho krystalizací. Máme zjistit, oč většího množství vody bylo při rozpuštění surové soli použito, než kolik ho je minimálně třeba. Při rozpouštění chloridu draselného bylo použito o 237 kg vody více Pro přečištění dusičnanu barnatého bylo při 90 o C rozpuštěno 1200 kg této soli na nasycený roztok. Za uvedené teploty se ve 100g vody rozpouští 30,6 kg Ba(NO 3 ) 2. Tento roztok se bez vypaření ochladí na teplotu 20 o C, za níž se této soli rozpouští 8,6g ve 100g vody. Určete: a) potřebné množství vody a množství získaných krystalů, b) množství krystalů, které získáme, použijeme -li k přípravě nasyceného roztoku o 10 % více vody, než je třeba, c) množství krystalů, které získáme, vypaří -li se během ochlazování 5 % vody z původního roztoku. K přečištění dusičnanu barnatého je třeba 3920 kg vody a získá se 863 kg krystalů Ba(NO 3 ) 2. Při použití většího množství vody k rozpouštění soli se získá jen 829 kg krystalů Ba(NO 3 ) 2. Naopak při vypařování rozpouštědla se množství získaných krystalů zvýší na 880 kg Ba(NO 3 ) Pro vytápění je k dispozici bioplyn o složení (v obj.) 38 % metanu, 50 % oxidu uhličitého, 10 % vodní páry a 2 % dusíku. Bioplyn je spalován s 5 %-ním přebytkem vzduchu vůči stechiometrii. Spočítejte teoretickou spotřebu kyslíku pro dokonalé spálení 1 Nm 3 bioplynu bez tvorby CO a NO x, skutečnou spotřebu kyslíku a vzduchu, skutečný objem a složení vlhkých spalin. Teoretická spotřeba kyslíku je 0,76 Nm 3, skutečná spotřeba kyslíku je 0,798 Nm 3, skutečná spotřeba vzduchu je 3,8 Nm 3, skutečné množství vlhkých spalin je 4,8 Nm 3, spaliny obsahují v obj. % 18,33 % oxidu uhličitého, 0,79 % kyslíku, 62,96 % dusíku a 17,96 % vodních par Pro vytápění je k dispozici energoplyn, který obsahuje (obj. %) 50 % vodíku, 25 % metanu, 5 % etanu, 15 % oxidu uhelnatého, 3 % propanu a 3 % dusíku. Za předpokladu dokonalého spálení 1 Nm 3 energoplynu s 5-ti %-ním přebytkem vzduchu proti stechiometrii, bez tvorby CO a NO x spočítejte teoretickou spotřebu kyslíku a vzduchu, skutečnou spotřebu kyslíku a vzduchu, objem a složení vlhkých spalin. 4

5 Teoretická spotřeba kyslíku je 1,15 Nm 3, teoretická spotřeba vzduchu je 5,476 Nm 3, skutečná spotřeba kyslíku je 1,208 Nm 3, skutečná spotřeba vzduchu je 5,75 Nm 3, skutečný objem vlhkých spalin je 6,486 Nm 3, jejich složení v obj. % je 9,09 % oxidu uhličitého, 19,60 % vodních par, 0,887 % kyslíku a 70,42 % dusíku Zemní plyn obsahuje 95 % metanu, 2 % etanu, 1 % propanu, 1 % butanu a 1 % dusíku (v obj. %). Za předpokladu dokonalého spalování bez tvorby NO x spočítejte: a) teoretickou spotřebu kyslíku a vzduchu, b) skutečnou spotřebu kyslíku a vzduchu při 15 % přebytku vzduchu, c) skutečný objem spalin a jejich složení v % obj. Výsledky: Teoretická spotřeba kyslíku je Nm 3, skutečná spotřeba kyslíku je 2,398 Nm 3, teoretická spotřeba vzduchu je 9,929 Nm 3, skutečná spotřeba vzduchu je 11,418 Nm 3, skutečné množství vlhkých spalin je 12,453 Nm 3. Spaliny obsahují v obj. % 8,51 % CO 2, 2,51 % O 2, 72,52 % N 2 a 16,46 % par H 2 O Jako abrazivum do zubních past a pleťových krémů je používán srážený uhličitan vápenatý. Jedna z výrobních technologií používá jako výchozí surovinu dusičnan vápenatý. Ke srážení je užíván hydrogenuhličitan amonný vyráběný absorpcí oxidu uhličitého ve čpavkové vodě. Ze srážení uhličitanu vápenatého odpadá roztok dusičnanu amonného používaný např. pro výrobu kapalných hnojiv. Napište příslušné stechiometrické rovnice! Spočítejte teoretické spotřeby surovin pro výrobu 500 t sráženého uhličitanu vápenatého a hmotnost odpadajícího dusičnanu amonného za předpokladu, že molekulové hmotnosti užitých látek jsou: M H2O = 18 g/mol, M Ca(NO3)2 = 164,1 g/mol, M NH3 = 17,0 g/mol, M CO2 = 44,0 g/mol, M CaCO3 = 100,09 g/mol, M NH4HCO3 = 79,0 g/mol, M NH4NO3 = 80,05 g/mol! Výsledky: Teoreticky je spotřebováno 820,5 t dusičnanu vápenatého, 170,0 t čpavku, 440 t oxidu uhličitého, 180,1 t vody. Zároveň je vyrobeno 800,0 t dusičnanu amonného. 5

6 Tepelné bilance Parní turbina je chlazena dvoustupňově. V prvém stupni se turbina chladí oběhovou cirkulací 2000 kg.h -1 minerálního oleje. Olej ve druhém stupni předává teplo v chladiči vodě (viz. schema). Olej odchází z turbíny při teplotě 50 0 C a předpokládáme, že se ochladí na teplotu o 5 0 C vyšší, než je vstupní teplota chladící vody. Vypočtěte spotřebu chladící vody za předpokladu, že její vstupní teplota je 20 0 C a ohřeje se o 10 0 C. Střední měrné teplo oleje v daném rozsahu teplot je 2,09 kjkg - 1 K -1. Střední měrné teplo vody je 4,18 kjkg -1 K -1. Výsledek : Na chlazení se spotřebuje kg.h -1 vody. Turbina s olej. chlazením vodní chladič oleje výstup chladící vody Vypočítejte, kolik tepla se uvolní při pražení 1 tuny pyritu, který obsahuje 40% síry, jestliže ve výpalcích zbudou 3 % síry z původně přítomného množství síry v pyritu. 4 FeS O 2 = 2 Fe 2 O SO 2 H o r = kj kmol -1 SO 2 M pyritu = 120 kg kmol -1 M S = 32 kg kmol -1 M ox..fe = 160 kg kmol -1 Pražením 1 tuny pyritu se uvolní 4, kj Zjistěte spotřebu elektrické energie na výrobu 1 tuny 85%-ního karbidu vápenatého (85% CaC 2 a 15% CaO), jestliže karbid vystupuje z pece při teplotě C, teplota plynu vystupujícího z pece je C a celkové tepelné ztráty pece do okolí činí 0,5 % z úhrnného tepla. Teplo tání CaC2 při C je 502 kj.kg -1. Teplota tání CaO při C je 753kJ.kg -1. Střední měrné teplo CaC 2 v rozmezí od 0 do C je 1,17 kj.kg -1 K -1.Střední měrné teplo CaO v rozmezí 0 do C je 1,00 kj.kg -1 K -1. Střední měrné teplo CO v rozmezí od 0 do C je 3,076 kj.kg -1.K -1. Referenèní teplota je 0 o C. 6

7 CaO + 3 C = CaC 2 + CO H o r = kj kmol -1 CaC 2 Spotřeba elektrické energie je 2700 kwh V protiproudém kondenzátoru se izobaricky kondenzuje 220 kg.h -1 NH 3. Přetlak v kondenzátoru je 6,74 kp.cm -2. Teplota vstupujícího plynného amoniaku je 50 0 C a teplota zkondenzovaného amoniaku 10 0 C. Vypočtěte, na jakou teplotu se ohřeje chladící voda 8 0 C teplá, přitéká - li v množství 5720 kg.h -1. Měrná entalpie plynného amoniaku při 50 0 C a přetlaku 6,74 kp.cm -2 je 1352 kj.kg -1. Měrná entalpie kapalného amoniaku 10 0 C teplého je 46,05 kjkg -1 (referenční stav: kapalný NH 3 při 0 0 C). Střední měrné teplo vody v uvažovaném rozmezí teplot je 4,18 kj.kg -1 K -1. Teplota vystupující vody je 20 0 C V chladiči se ochlazuje 1192 kg.h -1 směsi 90 mol. % acetonu a 10 mol.% ethylalkoholu z teploty 57 0 C. na 30 o C. Určete spotřebu chladící vody za předpokladu, že chladící voda se ohřeje z teploty 15 0 C na teplotu 25 0 C. Tepelné ztráty chladiče činí 10 % z tepla odebraného ochlazované směsi. Střední měrné teplo acetonu v uvedeném teplotním rozmezí je 125 kj.kmol -1 K -1. Střední měrné teplo ethylalkoholu v uvedeném teplotním rozsahu je 107 kj.kmol -1 K -1. Střední měrné teplo vody je 4,18 kj.kg -1 K -1. Molekulová hmotnost acetonu je 58,0 kg.kmol -1, molekulová hmotnost ethylalkoholu 46,0 kg.kmol -1. Celková výměna tepla je kj.h -1, spotřeba chladící vody je 1500 kg.h V kotli výtopny s účinností 80 % jsou spalovány dřevní štěpky o výhřevnosti 10 MJ/kg. Kolik dřevěných štěpků se v kotli spálí za měsíc a kolik tepelné energie kotel vyrobí při měsíčním fondu pracovní doby 744 hod./měsíc a výkonu 2 MW? Nízkoenergetický rodinný domek má v topné sezoně celkový příkon energie pro vytápění a ohřev vody do 11 kw/dům. Kolik domů je schopna výtopna zásobovat teplem, jsou-li ztráty centralizovaného rozvodu tepla do 5 %? Q = 5, J/měsíc, m dš = 668,7 t/měsíc, 172 domů 7

8 3.7.7 Výtopna zajišťuje dodávky tepelné energie pro vytápění a přípravu teplé užitkové vody s výkonem 100 t/hod. syté páry o tlaku 1 MPa. Kotle jsou napájeny parním kondenzátem o teplotě na vstupu do kotle 80 o C. Spočítejte, kolik tepelné energie je teoreticky výtopnou dodáváno ve formě syté páry! (c p ) vody = 4,18 kj/kgk, t syte pary = 179 o C, r vypyrne vody = 2015,2 kj/kg Q = 2, kj/hod Do uhelného kotle je dávkována odplyněná demineralizovaná napájecí voda o teplotě t nv = 100 o C v množství 50 t/hod. Za předpokladu nulových ztrát vody je z ní vyráběna sytá pára o tlaku 0,35 MPa a teplotě t sp = 138,9 o C. Účinnost kotle je ή k = 80 %. Spočítejte teoretickou spotřebu tepla pro výrobu 50 t syté páry za hodinu a hodinovou spotřebu uhlí, je-li měrné teplo vody c = 4,18 kj/kg.deg, výparné teplo vody r v = 2146 kj/kg a výhřevnost hnědého uhlí je Q u = 16,0 MJ/kg! Výsledky: Teoretická výroba tepla je 1, kj/hod., spotřeba uhlí je 9,02 t/hod Spočítejte teoretickou spotřebu tepla pro výrobu 50 t/hod páry přehřáté na teplotu 450 o C za tlaku 4,0 MPa, je-li kotel napájen parním kondenzátem o teplotě 100 o C, t syte pary = 249,2 o C, (c p ) vody = 4,18 kj/kgk, r vypyrne vody = 1716 kj/kg, i syte pary = 2796,4 kj/kg, i prehrate pary = 3302,2 kj/kg. Kolik uhlí se v kotli spálí, je-li jeho tepelná účinnost 88 % a výhřevnost hnědého uhlí je 15 MJ/kg? Q = 1, kj/hod., m uhli = 8,33 t/hod. 8