Расчет допустимой температуры и количества израсходованного газа

Санкт-Петербургский  государственный Технологический  институт

(Технический университет)

 

 

 

 

Кафедра технологии электротермических    Факультет  V

 и плазмохимических  производств     Курс             IV

Группа        

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

по  дисциплине  Теоретические основы технологии неорганических веществ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Студентка      

Руководитель      Удалов Юрий Петрович

 

 

 

Оценка за курсовую работу

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2010

Санкт-Петербургский  государственный Технологический  институт

(Технический  университет)

 

Факультет наукоемких технологий

Кафедра технологии электротермических и плазмохимических производств

Учебная дисциплина Теоретические  основы технологии неорганических веществ

Курс 4         Группа

Студентка      Дата 27.12.10

 

Задание

Вариант №7

 

1. Предельно допустимое давление  газа в баллоне во избежание  взрыва равно                150 кгс/  по манометру. В этом баллоне находится газ при давлении 135 кгс/ и температуре . До какой температуры допустим нагрев газа?

2. Сленцевый газ, получаемый  в газогенераторе при высокотемпературной  перегонке горючих сланцев, имеет  следующий объемный состав:

 

Этот газ находится в шаровом  газгольдере постоянного объема при абсолютном давлении в 5 бар и  температуре . После того как часть газа израсходовали, давление в газгольдере упало до 3,5 бар, а температура до . Объем газгольдера 2000 . Определить количество израсходованного газа.

3. Определить парциальные  давления  продуктов взаимодействия смеси  при общем давлении 0,1 МПа в  интервале температур 1000 – 3500 К  с шагом 500 К. Построить график  в координатах  – Т.

Данные:

4. С помощью программы DIATRIS 1.2 построить диаграмму плавкости тройной системы и построить диаграмму плавкости сечения от легкоплавкого оксида через тройную эвтектику с минимальной температурой. Данные по бинарным системам извлечь из программы ACerS-NIST Phase Equilibria Diagrams (PED) CD-ROM Database Version 3.0.1

 

 

 

 

 

 

 

Руководитель      Удалов Юрий Петрович

 

Студентка      Соболева Екатерина Александровна

 

 

Содержание

 

Задание..........................................................................................................................................2

Введение .......................................................................................................................................4

1. Расчет допустимой температуры  и количества 

     израсходованного газа.............................................................................................................6

2. Расчет состава газовой смеси с учетом диссоциации

    при высокой температуре

2.1. Расчет состава газовой смеси в случае

       слабой диссоциации при температуре Т = 1000 2000 К......................................7

2.2 Расчет  состава газовой смеси в случае 

      сильной диссоциации при температуре Т = 2500 3500 К...................................11

3. Расчет диаграммы плавкости  тройной

    системы ................................................................................................18

Заключение.................................................................................................................................23

Список использованной литературы.........................................................................................24

Приложение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В инженерной практике достаточно часто требуется знать состав газовой смеси, получающейся в результате сочетания химических реакций и процесса диссоциации при высоких температурах. Существующие методы термодинамического анализа, экспериментальные значения соответствующих констант равновесия реакций позволяют создать работоспособный алгоритм для решения проблемы, а вычислительные возможности, предоставляемые современными ЭВМ позволяют решать эту задачу с высокой точностью для неограниченного числа компонентов. Такие сведения позволяют спроектировать и вести технологический процесс и, в частности, минимизировать выделение вредных газообразных компонентов и оптимизировать выход целевого продукта. На основании термодинамических расчетов можно получить: равновесный состав продуктов химической реакции при различных значениях параметров состояния, энергозатраты на полученные единицы целевого продукта, равновесные теплоемкости, оптимальный объем камеры реактора, коэффициенты переноса в газовых смесях. Все эти сведения позволяют рационально проектировать технологический процесс и реактор для его осуществления.

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Синтез  тугоплавких соединений, разработка на их основе материалов, базируется на знании соответствующих диаграмм состояния. Диаграммы состояния являются физико-химической основой химико-технологических процессов, реализуемых во всех областях техники (силикатной промышленности, электротермии, металлургии и т.п.). Экспериментальное изучение диаграмм состояния развивается интенсивно на протяжении всего XX века.

Для синтеза  и создания керамических материалов, проектирования высокотемпературных  процессов особое значение помимо температур плавления исходных веществ приобретает информация о появлении жидкой фазы в термообрабатываемом материале, темпе кристаллизации фаз при охлаждении.

Особым  классом материалов с уникальными  физическими свойствами являются монокристаллы тугоплавких соединений и направленно закристаллизованные эвтектики. Для технологии этих материалов обязательно установление типов диаграмм состояния смеси исходных компонентов, состава и температуры плавления эвтектической смеси. Оптимизация технологических процессов синтеза и спекания, выращивание монокристаллов, получение эвтектических композиций направленной кристаллизацией тугоплавких соединений требует знания о поверхности ликвидуса диаграммы состояния соответствующих систем. В то же время применительно к тугоплавким соединениям решить такую задачу экспериментальным путем не всегда представляется возможным.

Как известно, построение диаграмм состояния двойных  и более сложных систем экспериментальными методами, либо с помощью строгих  термодинамических расчетов, является весьма трудоемкой, а зачастую и трудноразрешимой задачей. В  этой связи весьма плодотворны приближенные расчетные способы построения диаграмм состояния. В их основе лежат модельные представления о строении расплава и энергетики взаимодействия структурных единиц в жидкой и твердой фазах.

Необходимость использования приближенных методов расчета связана с тем, что технологу необходимо в условиях меняющейся сырьевой обстановки иметь  расчетные данные, прогнозирующие температуру появления расплава, путь кристаллизации, сравнительную скорость кристаллизации, фазовый состав слитка. Эти данные позволяет получить диаграмма плавкости системы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Расчет допустимой температуры  и количества

израсходованного газа

 

1. Дано: – предельно допустимое давление газа в баллоне,

  - данное давление газа в этом баллоне,

   - данная температура газа в этом баллоне.

Рассчитать до какой температуры  допустим нагрев газа?

 

Расчет:

Обозначим температуру, которую необходимо найти за , тогда:

,

 

Следовательно, нагрев газа допустим до .

 

 

2. Дано:

Сланцевый газ, имеющий объемный состав: 

 – давление  газа в шаровом газгольдере,

- температура  газа в шаровом газгольдере, 

После того как часть газа израсходовали:    ,

    .

Объем газгольдера .

Определить количество израсходованного газа.

 

Расчет:

Уравнение Менделеева – Клапейрона:  , где R = 8.314 .

Из него выразим массу газа:  .

	Объем компонента V,	Молярная масса компонента M, г/моль	Масса компонента в газгольдере , кг	Масса компонента после израсходования части газа , кг
	760	2	312	221
	300	28	1724	1219
	360	16	1182	836
	80	58	952	674
	300	44	2709	1916
	180	28	1034	732
	20	32	131	93

 

Таким образом, израсходовали:

 

 

2. Расчет состава газовой смеси с учетом диссоциации

при высокой температуре

 

2.1. Расчет состава газовой смеси в случае слабой диссоциации

при температуре Т = 1000 2000 К

 

Выразим количество каждого компонента смеси в г-моль:

 

(г-моль),

(г-моль),

(г-моль),

(г-моль),

 

где - молярные массы компонентов смеси.

Найдем концентрацию водорода  :

 

 

 

 

таким образом концентрация водорода равна  (г-моль).

Определим избыток  или недостаток кислорода в смеси.

Если условие   выполняется, то кислород содержится в избытке.

 

 

 

следовательно, кислород находится  в недостатке.

В этом случае чаще всего наблюдается равновесие между

Найдем недостающие  концентрации:

 

 

 

 

то есть концентрация углекислого  газа равна  (г-моль).

Задаем произвольные значения . Находим соответствующие значения по стехиометрическим уравнениям и константу равновесия для реакции :

 

 

 

 

 

 

Например, если выбрать :

(г-моль),

(г-моль),

(г-моль),

 

Полученные  значения заносим в таблицу 1.

 

Таблица 1. Расчетные значения константы  равновесия

,г-моль	0.33	0.3	0.2	0.19	0.18	0.17	0.16	0.15	0.14	0.13	0.12	0.11	0.1	0.09
	1.7	1.33	0.6	0.55	0.51	0.47	0.43	0.39	0.35	0.32	0.29	0.26	0.23	0.2

 

 

Строим график зависимости  от по таблице 1 (рис. 1).

 

Рис. 1. График изменения константы равновесия конверсии воды при изменении  концентрации

 

 

По таблице  констант (приложение 3, ) и графика (рис. 1) определяем значения для заданных температур, а также концентрации остальных компонентов смеси.

Например, при температуре Т = 1000 К:

(г-моль),

(г-моль),

(г-моль).

Полученные  данные запишем в виде таблицы 2.

 

Таблица 2. Результаты расчета изменений  концентраций основных компонентов  газовой 

         смеси с ростом температуры

Т, К
	г-моль в 1кг смеси
1000	0,307	0,213	16,883	16,457
1500	0,1506	0,3694	17,0394	16,3006
2000	0,097	0,423	17,093	16,247

 

Из рассчитанных данных вычисляем  и сравниваем с приведенных в приложении 3, .

Пример, при Т = 1000 К:

.

Составляем  сравнительную таблицу 3.

 

Таблица 3. Сопоставление расчетных и теоретических значений константы равновесия

        конверсии воды

Т, К	1000	1500	2000
	1.4049	0.3900	0.2180
	1.4030	0.3916	0.2198

 

Определим сумму  концентраций компонентов газовой  смеси при заданной температуре:

 

 

Пример, при Т = 1000 К:

(г-моль).

Результаты вычислений занесены в  таблицу 4.

 

Таблица 4. Сумма концентраций компонентов  с ростом температуры

Т, К	1000	1500	2000
, г-моль	51.41	51.41	51.41

 

Парциальное давление компонента газовой смеси  при заданной температуре определяем по уравнению:

                                                                                      (1)