Eötvös József Főiskola Műszaki Fakultás

Átírás

1 1 Eötvös József Főiskola Műszaki Fakultás Vincze Lászlóné dr. Levegőtisztaságvédelem Példatár II. évfolyamos nappali tagozatos környezetmérnök, III. évfolyamos levelező tagozatos környezetmérnök hallgatók részére 2005.

2 2 TARTALOMJEGYZÉK 1. FÜSTGÁZÖSSZETÉTEL SZÁMÍTÁSA PÉLDA PÉLDA PÉLDA PÉLDA GÁZ ÉGETÉSÉHEZ SZÜKSÉGES OXIGÉN MENNYISÉG GÁZ ÉGETÉSE SORÁN KELETKEZŐ FÜSTGÁZ ÖSSZETÉTEL KÉTKOMPONENSŰ GÁZELEGY ÉGETÉSE TÖBBKOMPONENSŰ GÁZELEGY ÉGETÉSE SZILÁRD TÜZELŐANYAG ÉGETÉSE LÉGFELESLEG SZÁMÍTÁSA A FÜSTGÁZÖSSZETÉTEL ISMERETÉBEN PÉLDA... 14

3 3 1. Füstgázösszetétel számítása 1.1. példa PB gázt égetünk 20-szoros térfogatú, azonos állapotú levegővel. A PB gáz relatív sűrűsége levegőre vonatkoztatva: 1,6. A levegő móltömege: 29 g/mól. Mi lesz a nedves és a száraz füstgáz v/v %-os összetétele? Mekkora a légfelesleg? Megoldás: rel = 1,6 = M M PB lev = M PB 29 M = 29 * 1,6 = 47 g/mól PB M = x PB p M p + x b M b = x p M p + x p M b 47 g/mól = x p *44 g/mól + (1-x p ) * 58 g/mól 47 = 44 x p x p 14 x p = 11 x p = 0,79; x b = 1- x p = 0, Ha 1 dm 3 PB gázt égetünk, akkor 20 dm 3 levegőt használunk fel: C 3 H O 2 = 3 CO H 2 O 0,79 dm 3 5 * 0,79 dm 3 3 * 0,79 dm 3 4 * 0,79 dm 3 C 4 H ,5 O 2 = 4 CO H 2 O 0, dm 3 6,5 * 0, dm 3 4 * 0, dm 3 5 * 0, dm 3 Σ 1 dm 3 PB 5,32 dm 3 O 2 3, dm 3 CO 2 4, dm 3 H 2 O Tehát szükséges 5,32 dm 3 O 2, rendelkezésre áll 20 * 0, = 4,2 dm 3 O 2 azaz a teljes mennyiségű PB gázt nem tudjuk elégetni. Ez a teljes oxigénszükséglet 79 %-a (4,2/5,32=0,79), ami azt jelenti, hogy a PB gáz %-a megmarad a füstgázban (nem ég el). Légfelesleg nincs. A levegőtényező: 0,79. A keletkező nedves füstgáz összetétele: Propán: 0, * 0,79 = 0,17 dm 3 0,8 v/v % Bután: 0, * 0, = 0,04 dm 3 0,2 v/v % Széndioxid: 0,79 * 3, = 2,54 dm 3 11,6 v/v % Víz: 0,79 * 4, = 3,33 dm 3 15,2 v/v % Nitrogén: 0,79 * 20 = 15,8 dm 3 72,1 v/v % Σ,9 dm v/v %

4 példa PB gázt égetünk 30-szoros térfogatú, azonos állapotú levegővel. A PB gáz relatív sűrűsége levegőre vonatkoztatva: 1,862. A levegő móltömege: 29 g/mól. Mi lesz a nedves és a száraz füstgáz v/v %-os összetétele? Mekkora a légfelesleg? Megoldás: rel = 1,862 = M M PB lev = M PB 29 M = 29 * 1,862 = 54 g/mól PB M = x PB p M p + x b M b = x p M p + x p M b 54 g/mól = x p *44 g/mól + (1-x p ) * 58 g/mól 54 = 44 x p x p 14 x p = 4 x p = 0,29; x b = 1- x p = 0,71 Ha 1 dm 3 PB gázt égetünk, akkor 30 dm 3 levegőt használunk fel: C 3 H O 2 = 3 CO H 2 O 0,29 dm 3 5 * 0,29 dm 3 3 * 0,29 dm 3 4 * 0,29 dm 3 C 4 H ,5 O 2 = 4 CO H 2 O 0,71 dm 3 6,5 * 0,71 dm 3 4 * 0,71 dm 3 5 * 0,71 dm 3 Σ 1 dm 3 PB 6,07 dm 3 O 2 3,71 dm 3 CO 2 4, dm 3 H 2 O Tehát szükséges 6,07 dm 3 O 2, rendelkezésre áll 30 * 0, = 6,3 dm 3 O 2, a felesleg 0,23 dm 3 O 2, 3,8 % felesleg. A levegőtényező: 1,038. A keletkező nedves füstgáz v/v %-os összetétele: Széndioxid: 3,71 dm 3 11,6 v/v % Víz: 4, dm 3 13,2 v/v % Oxigén: 0,23 dm 3 0,8 v/v % Nitrogén: 0,79 * 30 = 23,7 dm 3 74,4 v/v % Σ 31,85 dm v/v %

5 példa PB gázt égetünk. A gáz relatív sűrűsége H 2 -re vonatkoztatva: 23,75. Mennyi a gázelegy n/n%; v/v%; m/m %-os összetétele? 11 kg PB gáz tökéletes elégetésekor mennyi vízgőz (kg) keletkezik? M propán = 44 g/mól; M bután = 58 g/mól Megoldás: Az elegy átlagos móltömege: M = PB rel * M H2 M = 23,75 * 2 g/mól = 47,5 g/mól PB 47,5 g/mól = x p *44 g/mól + (1-x p ) * 58 g/mól 47,5 = 44 x p x p 14 x p = 10,5 x p = 0,75; x b = 1- x p = 0,25 Tehát a gázelegy n/n% = v/v%- os összetétele: 75 v/v% propán, 25 v/v% bután. A tömegszázalékos összetétel: 0,75 mól C 3 H 8 tömege: 0,75 * 44 = 33 g (33/47,5) * 100 = 69,5 m/m % 0,25 mól C 4 H 10 tömege: 0,25 * 58 = 14,5 g (14,5/47,5) * 100 = 30,5 m/m % 11 kg PB gázt égetünk, amely 11 * 0,695 = 7,65 kg propán, és 3,35 kg bután elégetését jelenti az alábbi sztöchiometriai egyenletek szerint: C 3 H O 2 = 3 CO H 2 O 44 kg 4 * 18 kg 7,65 kg m p m p = (4 * 18 ) * 7, ,5kg C 4 H ,5 O 2 = 4 CO H 2 O 58 kg 5 * 18 kg 3,35 kg m b m b = (5 * 18 ) * 3, ,2kg A keletkezett összes vízgőz mennyisége: 17,7 kg.

6 példa 30 v/v% etán és 70 v/v% propán elégetése az éppen szükséges azonos állapotú levegőben. Mennyi lesz a keletkező száraz füstgáz v/v%-os összetétele? A sztöchiometriai egyenletek: C 2 H 6 + 3,5O 2 = 2CO 2 + 3H 2 O C 3 H 8 + 5O 2 = 3CO 2 + 4H 2 O Legyen a kiindulási gázelegy 100 m 3 (a mennyisége ismeretlen ugyan, de a kiindulási anyag összetétele és a keletkező füstgáz összetétel tetszőleges mennyiség esetén is azonos!) C 2 H 6 + 3,5O 2 = 2 CO H 2 O Mennyiség: 30 m 3 3,5 * 30 m 3 2 * 30 m 3 3 * 30 m 3 C 3 H 8 + 5O 2 = 3 CO H 2 O Mennyiség: 70 m 3 5 * 70 m 3 3 * 70 m 3 4 * 70 m 3 Összesen: 455 m 3 O m 3 CO 2 A szükséges mennyiségű levegő a számított O 2 igény ismeretében kiszámítható (a levegőben levő O 2 és N 2 aránya: : 79 kerekítéssel). Az égéshez szükséges mennyiségű levegővel bevitt, füstgázban maradó nitrogén mennyisége: m 3 N 2 = A keletkező füstgáz tökéletes égést feltételezve m 3 N 2 -t és 270 m 3 CO 2 -t tartalmaz, ha 100 m 3 volt az elégetett gáz mennyisége. A füstgáz térfogatszázalékos összetétele: N , 4 v/v % CO 2 = ,4 = 13,6 v/v %

7 Gáz égetéséhez szükséges oxigén mennyiség Mekkora térfogatú azonos állapotú oxigén szükséges 1 m 3 etángáz elégetéséhez? 2 C 2 H O 2 = 4 CO H 2 O 2 m 3 7 m 3 1 m 3 7/2=3,5 m 3 a szükséges azonos állapotú oxigén mennyisége Gáz égetése során keletkező füstgáz összetétel Mi lesz a keletkező füstgáz térfogatszázalékos összetétele a vízgőz lecsapódása előtt és után, ha a metánt 10% levegőfeleslegben égetjük el? CH O 2 = CO H 2 O Legyen : 1 m 3 2 m 3 1 m 3 2 m 3 A felhasznált összes oxigén: 1,1* 2 m 3, a levegő: (1,1*2)/0, = 10,5 m 3 A füstgáz összetétele: Nedves füstgáz Száraz füstgáz Széndioxid 1 m 3 8,7 v/v% 1 m 3 10,5 v/v% Víz 2 m 3 17,4 v/v% - - Oxigén (a felesleg) 0,2 m 3 1,7 v/v% 0,2 m 3 2,1 v/v% Nitrogén 8,3 m 3 72,2 v/v% 8,3 m 3 87,4 v/v% Összesen 11,5 m 3 9,5 m 3

8 Kétkomponensű gázelegy égetése Egy CO és metánból álló gázelegy 1 dm 3 -jének a tömege standard állapotban 0,702 g. Az éppen szükséges mennyiségű levegővel elégetve mi lesz a nedves füstgáz v/v %-os összetétele? Megoldás: 1 dm 3 0,702 g 0,702 * 24,5 24,5 dm 3 M g, azaz M 17,2 g / mól 1 M = x 1 M 1 + x 2 M 2 17,2 g/mól = x 1 *28 g/mól + (1-x 1 ) * 16 g/mól 17,2 = 28 x x 1 1,2 = 12 x 1 ; x 1 = 0,1; x 2 = 0,9 CO + ½ O 2 = 2 CO 2 0,1 dm 3 0,05 dm 3 0,2 dm 3 CH O 2 = CO H 2 O 0,9 dm 3 1,8 dm 3 0,9 dm 3 1,8 dm 3 Σ 1,85 dm 3 1,1 dm 3 1,8 dm 3 A nedves füstgáz összetétele: széndioxid 1,1 dm 3 11,1 v/v% vízgőz 1,8 dm 3 18,3 v/v% nitrogén (1,85/0,)*0,79=6,96 dm 3 70,6 v/v% Összesen 9,86 dm 3

9 Többkomponensű gázelegy égetése Egy gázelegy N 2, H 2 és CH 4 tartalmú. Az elegy sűrűsége standard állapotban 0,540 g/dm 3. Az elegyben 3-szor több mólnyi hidrogén van, mint nitrogén. Szükséges mennyiségű levegővel elégetve mi lesz a keletkező gáz összetétele a vízgőz lecsapódása után?

10 Levegőszükséglet számítása Barnaszén égetése 30 % levegőfelesleggel történik. Mennyi az égetéshez szükséges levegőmennyiség 1 t/h szén égetése esetén? Az égetésre kerülő szén tömegszázalékos összetétele: Nedvesség C H S O N Hamu 17,2 m/m% 58,1 m/m% 5,0 m/m% 2,0 m/m% 11,0 m/m% 1,1 m/m% 5,8 m/m% Szén Alkotó kg/h M kmol/h kmol/h C ,42 48,42 H diszp 36, ,13 9,06 H nemdiszp 13,75 2 6,88 - S ,63 0,63 H 2 O 171,5 18 9,53 - N ,39 - Összes 58,11 Oxigén szükséglet H összes = 5 m/m% H nem diszponibilis = 1/8 * O m/m% = 11/8 = 1,375 m/m% H diszponibilis = H összes H nem diszponibilis = 5 1,375 = 3,625 m/m% A légfelesleg tényező figyelembe vételével az összes égetéshez használt levegő mennyiség: 58,11 * 1,4 /0,= 387,4 kmol/h Normál állapotban ez megfelel 387,4*22,41= 8682 Nm 3 levegőmennyiségnek.

11 Szilárd tüzelőanyag égetése Mennyi normál állapotú nedves füstgáz keletkezik 500 kg dél-nógrádi szén 40 % levegőfelesleggel történő elégetésekor? Mennyi a füstgáz térfogatszázalékos összetétele? Az égetésre kerülő szén tömegszázalékos összetétele: Nedvesség C H S O Hamu 10,0 m/m% 41,5 m/m% 3,3 m/m% 3,1 m/m% 9,0 m/m% 33,1 m/m% A szénben levő hidrogént két részre osztjuk, diszponibilis és nem diszponibilis hidrogénre. (Diszponibilis hidrogén a hidrogénnek az a része, mely nincs oxigénhez kötve, tehát elégethető. A nem diszponibilis hidrogén oxigénhez kötött, és egyenértékű mennyiségű vízként jelenik meg a füstgázban.) Szén A nem diszponibilis hidrogén: 1/8 O m/m% = 1,1 m/m% A diszponibilis hidrogén: H m/m% - 1/8 O m/m% = 3,3 1,1 = 2,2 m/m% Oxigén szükséglet Füstgáz Alkotó kg M kmol kmol alkotó kmol Nm 3 v/v% C 207, ,29 17,29 CO 2 17,29 387,47 11,92 H diszp ,5 2,75 H 2 O 5,5 123,26 3,79 H nemdiszp 5,5 2 2,75 - H 2 O 2,75 61,63 1,90 S 15,5 32 0,48 0,48 SO 2 0,48 10,76 0,33 H 2 O ,78 - H 2 O 2,78 62,30 1,92 N 2 (levegőből) 108,07 24,89 74,50 O 2 (felesleg) 8, 183,94 5,66 Összes 20, ,25 Az oxigénszükségletből lehet a légfelesleg tényező figyelembe vételével a füstgázban maradó felesleget és a nitrogén mennyiséget is számítani. A füstgázban levő oxigén mennyiség: O szükséges * (λ 1) = 20,52 * 0,4 = 8, kmol A füstgázban levő nitrogén mennyiség: O szükséges * λ * (79/) = 20,52 * 1,4 * 79/= 108,07 kmol Az összes normál állapotú füstgáz mennyisége: 3251 Nm 3 Összetétele: 11,92% CO 2, 0,33% SO 2, 7,61% vízgőz, 74,5 N 2, 5,66 O 2

12 Szén égetése Számítsa ki a dorogi dió szén 40 % légfelesleggel történő égetésekor keletkező nedves füstgáz térfogatszázalékos összetételét. A szén tömegszázalékos összetétele: C 53 % H 6 % S 4 % O 12 % N 1 % Nedvesség 14 % Hamu 10 % Szén Oxigén szükséglet Füstgáz Alkotó kg M kmol kmol alkotó kmol v/v% C ,42 4,42 CO 2 4,42 10,49 H diszp 4,5 2 2,25 1,12 H 2 O 2,25 5,33 H nemdiszp 1,5 2 0,75 - H 2 O 0,75 1,78 S ,38 0,38 SO 2 0,38 0,90 H 2 O ,78 - H 2 O 0,78 1,85 N ,04 - N 2 (szénből) 0,04 0,09 N 2 (levegőből) 31,17 73,94 O 2 (felesleg) 2,37 5,62 Összes 5,92 42,16 Gázok esetén a n/n% és v/v% egyenlő! A diszponibilis hidrogén: H m/m% - 1/8 O m/m% = 6 1,5 = 4,5 m/m% A nem diszponibilis hidrogén: 1/8 O m/m% = 1,5 m/m% A füstgázban levő oxigén mennyiség: O szükséges * (λ 1) = 5,92 * 0,4 = 2,37 kmol Az égéshez használt levegőből a füstgázba kerülő nitrogén mennyiség: O szükséges * λ * (79/) = 5,92 * 1,4 * 79/= 31,17 kmol A nedves füstgáz összetétele:co 2 H 2 O SO 2 N 2 O 2 10,49 v/v% 8,96 v/v% 0,90 v/v% 73,94 v/v% 5,62 v/v%

13 Egy kőszén tömegszázalékos összetétele: C 71,0 % H 4,6 % S 0,6 % O 7,6 % N 1,3 % Nedvesség 10,0 % Hamu 4,9 % Óránként 1 t szén égetése esetén milyen kapacitású ventillátor szükséges a 300 C o hőmérsékletű, normál nyomású nedves füstgáz elszívásához (m 3 /h), ha λ=1,4. Szén Oxigén szükséglet Füstgáz Alkotó kg M kmol kmol alkotó kmol Nm 3 v/v% C ,17 59,17 CO 2 59, ,93 12,42 H diszp 36,5 2 18,25 9,13 H 2 O 18,25 408,98 3,83 H nemdiszp 9,5 2 4,75 - H 2 O 4,75 106,45 1,00 S ,19 0,19 SO 2 0,19 4,20 0,04 H 2 O ,56 - H 2 O 5,56 124,50 1,17 N ,46 - N 2 (szénből) 0,46 10,40 0,10 N 2 (levegőből) 360, ,01 75,70 O 2 (felesleg) 27,39 613,90 5,75 Összes 68,49 476, ,37 A keletkező összes nedves füstgáz mennyisége normál állapotban Nm 3, átszámítása a gáztörvények alapján: P = konst. 1 T 1 V V = T 2 2 V 2 = V * T 1 T 1 2 V 2 = * = m 3 Tehát m C o hőmérsékletű nedves füstgáz elszívása szükséges óránként.

14 14 2. Légfelesleg számítása a füstgázösszetétel ismeretében 2.1. példa Egy gáztüzelésű kazánban etán-bután gázeleggyel tüzelnek. A keletkező füstgáz összetétele a következő: CO 2.10,78 v/v% H 2 O.13,95 v/v% N 2.73,48 v/v% O 2...1,77 v/v% a./ Hány százalék légfelesleggel történt a tüzelés? b./ Milyen térfogatszázalékos összetételű volt az etán-bután elegy? Megoldás: a./ A légfelesleg-tényező képletét felhasználva határozhatjuk meg a levegőfelesleget: n O 2 % * N 79 2 % n 79 1,77 % * 73,48 % 1,90 19,1 1,099 1,10 Így a számított légfeleslegtényező 1,1 volt, azaz az égetéshez 10%-al több levegőt használtunk fel a szükségesnél. A légfelesleg 10 v/v%. Közelítő számítással, egyszerűsített képlettel: n O 2 % 1,77 19,23 1,092 1,09 Eszerint a légfelesleg 9 %, ez 10% eltérést jelent a kerekítés után. b./ Az égetésre került gázelegyben levő etán és bután térfogat-százalékos arányát a két komponens égési reakciói alapján a füstgázban levő széndioxid és vízgőz arányából számíthatjuk (sztöchiometria). A reakciók: C 2 H 6 + 3,5 O 2 = 2 CO H 2 O C 4 H ,5 O 2 = 4 CO H 2 O

15 15 A reakcióegyenletből kiolvasható, hogy 1 térfogatnyi etánból 2 térfogatnyi széndioxid és 3 térfogatnyi vízgőz képződik. A bután esetében a széndioxid négyszeres, míg a vízgőz ötszörös térfogatnyi az elégetett butánhoz képest. Mivel nem ismerjük a kiindulási gázkeverék térfogatszázalékos összetételét, jelöljük az etán térfogatszázalékát x-el, ekkor a butáné:100-x. Legyen száz egységnyi az elégetett gázkeverék térfogata, akkor a keletkezett széndioxid térfogata: 2x + 4 (100-x) a keletkezett vízgőz térfogata: 3x + 5 (100-x) Az elégetett gáz mennyisége ismeretlen, de a keletkezett, füstgázban levő széndioxid és vízgőz aránya megegyezik az előbb, 100 térfogategységnyi gáz elégetéséből számított széndioxid és vízgőz arányával: 2 x 4(100 x) 10,78 3x 5(100 x) 13,95 (2x x)*13,95 = (3x x)*10,78-27,9 x = -,56x = 6,34x x = 30 Tehát az égetésre került gáz összetétele: 30% etán és 70 % bután.