Министерство образования и науки
Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Волгодонский инженерно-технический институт – филиал НИЯУ МИФИ
Методические указания
к выполнению индивидуального задания и практическим занятиям
по курсу «Методы защиты окружающей среды»
г. Волгодонск 2011
Цель настоящего учебно-методического пособия – оказать помощь обучающимся в освоении курса «Методы защиты окружающей среды» и выполнении индивидуальных практических заданий для студентов дневной и вечерней форм обучения.
Индивидуальное задание состоит в решении задач по темам курса. Перед задачами каждой темы даются пояснения, необходимые для решения задач и приводятся примеры их решения.
Общие методические указания.
Индивидуальные задания к практическим занятиям содержат условия задач и варианты конкретных данных к этим условиям, представленные в соответствующих таблицах. Варианты заданий определяют по номеру в списке группы.
При выполнении работ необходимо соблюдать следующие условия:
Оформление работы должно соответствовать общим требованиям и правилам оформления текстовых документов в учебном процессе.
Контрольную работу следует выполнять аккуратно, оставляя поля для замечаний рецензента.
Условия задач для своего варианта переписывать полностью, для всех полученных числовых значений.
ТЕМА №1 МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС.
Рис. 1.1
Задача № 1.1 При сжигании топлива, содержащего серу Sr, азот Nr, (см. табл. № 1.1) образуются соответствующие оксиды. Определить концентрацию оксидов серы и азота (кг/кг) в дымовых газах, если известно, что коэффициент избытка воздуха ; весь топливный азот и сера переходят в оксиды; сгорание - полное.
Пример решения. При сжигании топлива, содержащего серу Sr =3,2 % по массе на 1 кг топлива, азота Nr =2,1 на 1 кг топлива. Коэффициент избытка = 4. Топливо - бурый уголь. Определить концентрацию оксидов серы и азота.
Решение. Рассчитаем количество образующихся оксидов серы и азота при сжигании 1 кг топлива. В соответствии с условием задачи в 1 кг топлива будет содержаться серы - 32 гр или 0,032 кг; азота – 21 гр или 0,021 кг.
З
32 кг/кмоль
64 кг/кмоль
Х кг
0,032 кг
Из химического
уравнения видно, что на каждые 32 кг серы
образуется в результате окисления
кислородом 64 кг оксидов серы. Следовательно,
на 0,032 кг содержащихся в топливе образуется
Х оксидов серы. Составляемее пропорцию
,
отсюда
на 1 кг топлива.
Аналогично для азота:
14 Кг/кмоль
46 Кг/кмоль
N +
O2
NO2
0,021 кг
у кг
на 1 кг топлива.
Схема материального баланса:
Топливо, в т.ч. сера и азот, в сумме массой
1 кг.
Атмосферный воздух при =4
для бурых углей
m=
=1,29.31м3
= 39,99 кг
+
Дымовые газы массой mд.г.
= 40,99 кг
В топку подаётся
1 кг топлива и в соответствии с избытком
воздуха для бурых углей (см. рис. 1.2)
подаётся необходимое количество воздуха
в м3.
Для перевода м3
воздуха в кг умножаем на его плотность
в стандартных условиях (То=273
К, Ро=101325
Па) 1,29 кг/м3.
Дымовые газы имеют суммарную массу
1кг+39,99=40,99кг, считаем, что в системе не
происходит накопление вещества.
Концентрация оксидов серы и азота в
дымовых газах:
;
.
Таблица № 1.1
№ варианта |
Sr, % по массе |
Nr, % по массе |
|
Топливо |
Ответ, кг/кг |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
1 |
4,1 |
3,3 |
1,3 |
Антрацит |
0,005 0,007 |
2 |
3,2 |
4,5 |
1,9 |
Бурый уголь |
0,003 0,008 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
3 |
1,3 |
3,4 |
2,1 |
Мазут |
0,0008 0,004 |
4 |
3,3 |
2,2 |
1,5 |
Антрацит |
0,0034 0,004 |
5 |
4,4 |
4,3 |
1,4 |
Мазут |
0,004 0,007 |
6 |
6,6 |
4,2 |
2,4 |
Бурый уголь |
0,005 0,006 |
7 |
2,8 |
4,4 |
1,8 |
Мазут |
0,002 0,006 |
8 |
2,9 |
4,1 |
1,2 |
Бурый уголь |
0,005 0,012 |
9 |
3,9 |
3,8 |
1,7 |
Антрацит |
0,004 0,006 |
10 |
2,5 |
2,9 |
2,2 |
Мазут |
0,002 0,003 |
Соответствующий коэффициенту избытка воздуха расход (м3) на полное горение 1 кг топлива смотри на рисунке № 1.2.
40 20 30 10 0 1 2 3 4 Коэффициент избытка воздуха Мазут Бурый уголь Антрацит 50
Рис. № 1.2
Задача №1.2 Для измерения расходных характеристик потока сточных вод в коллекторе используется метод солевого индикатора: известное количество раствора соли добавляется в поток и измеряется концентрация соли в точках, расположенных вверх и вниз по направлению потока (рис. 1.3).
Рис.
1.3
Определить массовый и объёмный поток сточных вод, если фоновая концентрация соли выше зоны смешения составляет С1 (см. табл. №1.2), а при добавлении в поток сточных вод раствора соли с массовой скоростью Q2 и концентрацией соли С2, концентрация соли в точке, расположенной вниз по направлению потока, достигает С3.
Таблица №1.2
№ варианта
|
С1, % |
С2, % |
С3, % |
Q2, кг/мин |
Ответ, Q1, кг/мин; м3/мин |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
1 |
0,005 |
20 |
0,1 |
100 |
20950; 29,95 |
2 |
0,009 |
25 |
0,12 |
90 |
20170 20,17 |
3 |
0,0009 |
24 |
0,3 |
120 |
9510 9,51 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
4 |
0,006 |
15 |
0,09 |
105 |
18640 18,64 |
5 |
0,04 |
12 |
0,2 |
89 |
6690 6,69 |
6 |
0,0004 |
18 |
0,14 |
95 |
12150 12,15 |
7 |
0,007 |
30 |
0,19 |
110 |
17920 17,92 |
8 |
0,08 |
28 |
0,21 |
112 |
23940 23,94 |
9 |
0,005 |
27 |
0,25 |
121 |
13210 13,21 |
10 |
0,0045 |
23 |
0,18 |
118 |
15340 15,34 |
ТЕМА №2. РАСТЧЁТ ПЛОТНОСТИ ДЫМОВОГО ГАЗА.
На основании измерений температуры, статического давления, химического состава и влажности газа рассчитывают его плотность. Плотность любого газа при стандартных условиях (То=273 К, Ро=101325 Па) можно рассчитать по следующей формуле:
(2.1),
где
mi – молекулярная масса газа, кг/кмоль;
Vo =22,4 м3/кмоль – объём одного киломоля газа в стандартных условиях.
Дымовые газы представляют собой смесь газообразных продуктов сгорания топлива, а также в некоторых случаях содержат твёрдые частицы. Для расчёта плотности смеси сухих газов используется следующая формула:
(2.2),
где
аi – содержание i-го компонента в смеси, об.%;
i – плотность i-го компонента смеси, кг/м3;
n – количество газообразных компонентов смеси.
В случае, когда необходимо рассчитать плотность смеси в условиях отличных от стандартных, следует учесть изменение объёма, используя уравнение Клапейрона - Менделеева:
где
Ро, То, Vo и Р, Т, V – соответственно значение давления, температуры, объёма в стандартных условиях и в отличных от стандартных (Па, К, м3/кмоль).
Плотность газов с учётом их влажности при стандартных условиях:
(2.3),
где
f – влагосодержание газообразной смеси, гр/м3 сухого газа;
см – плотность смеси сухих газов при стандартных условиях, кг/м3.
Для определения плотности смесей, содержащих пары воды, при отличных от стандартных условиях:
(2.4).
Задача № 2.1. Рассчитать плотность смеси газов (исходные данные см. таблицу № 2.1).
Пример решения.
Задача№2.1 Условие. Рассчитать плотность газовой смеси сухих газов см и содержащих пары воды вл, при стандартных условиях если газовая смесь содержит компоненты в следующем соотношении Н2S – 5%, NH3 – 40%, Cl2 – 35%, F2 – 20%. Содержание влаги 12 гр/м3.
Решение. 1.Определяем плотность каждого компонента отдельно:
2. Определяем плотность сухой смеси газов:
3.
Определяем плотность с учётом влажности:
Задача № 2.2 Условие. Рассчитать плотность газовой смеси, если Т=400оК, Р=1,3.105 Па, влажность 2 гр/м3.
Решение. Из формулы выражаем V. Полученное выражение подставляем в формулу (2.1) вместо Vо и производим расчёты аналогично задаче № 2.1. Расчёт плотности влажных смесей производим по формуле (2.4).
Таблица № 2.1
№ варианта |
Компоненты газовой смеси |
Ответ: см, вл, кг/м3 |
||||||||
СО, % |
СО2, % |
SO2, % |
NO, % |
NO2, % |
O2, % |
CH4, % |
N2, % |
f, гр/м3 |
||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
1 |
5 |
7 |
12 |
34 |
12 |
10 |
20 |
- |
10 |
1,53 0,86 |
2 |
6 |
6 |
14 |
30 |
9 |
- |
6 |
29 |
18 |
1,46 0,83 |
3 |
7 |
5 |
6 |
15 |
6 |
6 |
- |
55 |
29 |
1,45 0,82 |
4 |
8 |
4 |
8 |
5 |
- |
1 |
1 |
73 |
30 |
1,41 0,82 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
5 |
3 |
9 |
10 |
- |
8 |
3 |
1 |
66 |
30 |
1,54 0,82 |
6 |
- |
12 |
15 |
19 |
12 |
2 |
2 |
38 |
25 |
1,68 0,83 |
7 |
4 |
8 |
9 |
7 |
10 |
2 |
- |
60 |
35 |
1,54 0,82 |
8 |
12 |
- |
7 |
9 |
5 |
7 |
5 |
55 |
17 |
1,40 0,83 |
9 |
11 |
1 |
3 |
20 |
20 |
3 |
2 |
40 |
20 |
1,48 0,83 |
10 |
2 |
10 |
5 |
10 |
15 |
13 |
10 |
35 |
15 |
1,50 0,84 |
Задача№2.2. Для полученных в задаче № 2.1 результатов сделать пересчёт с учётом исходных данных из таблицы № 2.2.
Таблица № 2.2
№ варианта |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
Параметры среды |
Т, К |
400 |
321 |
455 |
489 |
405 |
450 |
430 |
476 |
490 |
445 |
Р, кПа |
120 |
143 |
115 |
123 |
150 |
128 |
135 |
130 |
140 |
190 |
|
Ответ, кг/м3 |
’см |
1,25 |
1,35 |
1,00 |
0,97 |
1,56 |
1,30 |
1,32 |
1,04 |
1,15 |
1,75 |
’вл |
0,70 |
0,77 |
0,57 |
0,56 |
0,83 |
0,64 |
0,70 |
0,62 |
0,65 |
0,98 |
|
ТЕМА № 3. РАСЧЁТ ВЫБРОСОВ ОТ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ.