Ciencias Ambientales - Problemas De Contaminacion Del Aire.pdf 4jc36

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE INGENIERÍA

PROBLEMAS DE CONTAMINACION DEL AIRE

CATERA: Ciencias Ambientales

PRESENTADO A: Ing. José Pomalaya Valdez REALIZADO POR: ALFARO ASTOHUAMÁN, Ángel

ALUMNO DEL VIII SEMESTRE DE LA FIQ-UN

Ciudad Universitaria – Huancayo Perú Julio del 2008

1

18

1. Convierta los siguientes valores: Solución: a. 500 ppb de CO, medidos a 293K y 101,3 Kpa a mg CO/m3

500 ppm = 500

cm 3 l = 0,5 3 3 m m

T = 293K P = 101.3Kpa = 1atm gCO M = 28 mol w w PM pv = nRT = RT ⇒ = = M v RT

gSO2 1atmx 28 g / mol = 1.165 atmxl l 0.082 x 293K molxK 3 g 10 mg mgCO l ⇒= 0.5 3 x1.165 x = 582,7 l g m3 m b. 500 ppm de SO2. Medidos en condiciones normales a mg SO3/Nm 3 cm 3 l 500 ppm = 500 3 = 0,5 3 m m T = 293K

P = 101.3Kpa = 1atm gSO3 M = 64 mol w w PM gSO2 1atmx64 g / mol pv = nRT = RT ⇒ = = = 2,66 Atmxl M v RT 0.082 l x 293K molxK 3 1 g 10 mg mgSO 2 ⇒= 0.5 3 x 2.66 x x1331.89 m l g m3 c. 500 ppm de de CO. Medidos en condiciones normales a mg CO/Nm3 Solución: cm 3 l 500 ppm = 500 3 = 0,5 3 m m gCO 28 gCO 1mol g M = 28 = x = 1.25 mol mol 22,4l / mol l 3 1 g 10 mg mgCO ⇒= 0.5 3 x1.25 x = 625 m l g m3 d. 500 pmm de SO2, medidos en condiciones normales a mg SO2/Nm3 Solución:

2

18

500 ppm = 500

cm 3 l = 0,5 3 3 m m

T = 293K P = 101.3Kpa = 1atm

3

18

M = 64

gSO2 28 gSO2 1mol g = x = 2.85 mol mol 22,4l / mol l

⇒= 0.5

1 g 10 3 mg mgSO 2 x 2 . 857 x = 1428.57 3 m l g m3

2. Exprese las concentraciones de contaminantes que se indican en los valores que se piden: Solución: a. 250 mgC6H6/Nm3 en ppm.

1molC6 H 6 mg 1g 22.4l 103cm3 cm3 x x x x = 71 . 79 = 71.79 ppm Nm 2 103mg 78g 1molC6 H 6 1l m3 b. 420ppm C6H6 medidos a 293K y 101.3 Kpa en mg C6H6/Nm3 250

420 ppm = 420

cm 3 l = 0,42 3 3 m m

T = 293K P = 101.3Kpa = 1atm gC 6 H 6 mol w w PM pv = nRT = RT ⇒ = = M v RT

M = 78

gC H 1atmx64 g / mol = 3.246 6 6 Atmxl l x 293K 0.082 molxK 3 mgC 6 H 6 1 g 10 mg ⇒= 0.42 3 x3.246 x = 1363.5 l g m m3 c. 350 ppm de NO2, medidos en condiciones normales a mg NO2/Nm3 cm3 350 ppm = 350 3 m gNO2 M = 46 mol cm3 1l 46 gNO2 mg 1mol 103 mg mgNO2 ⇒= 350 3 x 3 3 x x x = 718.75363.5 m 10 cm 1mol 22.4l 1g m3 d. 250 mg deNO2, medidos a 293 K y 101.3 Kpa a ppm NO2.

250mgNO2 = 0.25 gNO2 T = 293K P = 101.3Kpa = 1atm gNO2 M = 46 mol w w PM 1atmx 46 g / mol gNO 2 pv = nRT = RT ⇒ = = = 1.915.246 M v RT 0.082 Atmxl x 293K l molxK 1l lNO 2 cm3 NO2 ⇒= 0.25 g = 0.1305 3 = 130.5 = 130.5 ppmNO2 1.915 g m .aire m3 4

18

2. En una estación Municipal de control de contaminación media de ozono, para un periodo de 24 horas, de 25 µg / m3 a 25ºc y 1 Bar. ¿Cuál será la concentración de ozono expresado en ppm? Solución: Concentración =

25µg cm3 1g 1 = 500 x 6 = 0.5 3 3 3 m m 10 ug m

T = 298K P = 1bar = 750mmmhg = 0 − 9861atm w w PM 0.986atmx 46 g / mol 48 g gg pv = nRT = RT ⇒ = = = 1.937 Atmxl M v RT 298Kxmol l 0.082 x 293K molxK cm 3 g 1 103cm3 ⇒= 25 *104 3 x x = 0.0129 3 = 0.0129 ppm.ozono 1l m 1.937 g m

5

18

3. Una norma de calidad fija para el monóxido de carbono una concentración media de 11 ppm medidos durante un periodo de muestreo de 24 horas. ¿Cual será la concentración equivalente en mg/m3. Solución:

cm3 m3 cm3 1mol 28 gCO mg 1l 103 cm3 ⇒= 11 3 x x x 3 x = 13.75 m 22,4l 1mol 10 cm3 1g Nm 3

11 ppm = 1

P = 1.05bar = 1.036atm T = 500 ª C + 273K pv = nRT =

6

18

w PMv 0.986atmx 46 g / mol 48 g g RT ⇒ w = = = 1.937 Atmxl l M RT 298 Kxmol x 293K 0.082 molxK

4. En una planta de producción de energía , el gas de chimenea sale a 500C y contiene las cantidades de bióxido de azufre que a continuación se indica según sea la calidad de combustible quemado: a. 2100 ppm b. 1900ppm. Si la emisión de gases es de 30000m3/min cual será la emisión de gas de SO2/5? Dato: La presión de los gases a la salida de la chimenea es de 1.05 bar. Solución: cm3 l = 2 .1 m3 m3 cm3 l b. 1900 ppm = 1900 = 1 .9 m3 m3

a. 2100 ppm = 2100

a.

PMv 1.0364atm 2M 64 gSO2 gSO = x 3 x = 2,196 3 2 Atmxl m 1molx 273K RT m 0.082 molxK g 30000m3 1 min gSO = 2.196 x x = 1098 3 2 m3 min 60seg m w=

b.

1.0364atm 1.9l 64 gSO2 gSO x 3 x = 1.987 3 2 Atmxl m 1molx 273K m 0.082 molxK g 30000m3 1 min gSO w = 1.987 x x = 993.5 3 2 m3 min 60 seg m

w=

7

18

5. Una norma de calidad del aire fija para el dióxido de azufre una concentración de 85ug/m3 a 20·C y 1.1 bar de promedio anual. ¿cual será la concentración equivalente en ppb ? Solución: Concentración =

85µg 1g g ug = 85 3 x 6 = 85 *10 −6 3 3 m m 10 ug m

T = 20º C + 273K = 293K P = 1.1bar = 1.0855atm w w PM 1.0855atmx64 gSO 2 / mol 64 g g pv = nRT = RT ⇒ = = = = 2.891 Atmxl M v RT 298Kxmol l 0.082 x 293K molxK 3 3 3 g 1 10 cm 10 mm 3 mm 3 ⇒= 85 *10 −6 3 x x x = 29.40 3 = 0.0129 ppb.SO2 1l 1cm3 m 2.891g m

8

18

6. Un método muy frecuente de obtención de cobre es el tratamiento de sulfuro de cobre (I) con oxigeno, proceso en el cual se libera e cobre metálico y se genera dióxido de azufre. Si de desea fabricar diariamente 40Tn de una aleación Cu-Ni con un contenido de cobre de 18%. Calcule: a. La cantidad diaria de mineral de cobre , con un contendido de sulfuro de cobre (I) del 32% que abra que tratar, si el proceso de obtención del cobre transcurre con un rendimiento del 78% b. Si todo el azufre contenido en el minera procesado se emitiera a la atmósfera como SO2,. ¿Cual serán las emisiones diarias de este compuesto a la atmósfera expresada en Kg SO2/dia? c. ¿ Cual seria la concentración de este compuesto en las bases de emisión si se liberan a la atmósfera 6.2*104 Nm3 de gas por tonelada de mineral procesado?. Exprésala en ppm y mg SO2/Nm3. Solución: a. La reacción: Cu2 S + O2 → 2Cu + SO2 Aleación CU-Ni: 18%Cu Producción: 40OM/día Cu en la aleación: 0.18 (40) = 7.2TM/día 7.27TM / dia Rendimiento: = 9.23TM / dia 0.78 La cantidad de mineral de cobre: TM 11.55TM / dia 1molCu2 S 1molCu 159 gCu2 S 9.237TM = x x x = 11.55 = 2molCu 63.5 gCu 1molCu2 S dia dia 0.32

36.11TM / dia.deCu2 S

b. De la reacción: Cu 2 S + O 2  → 2Cu + SO 2

=

1mol SO 2 1molCu 2 S 64gSO 2 11,55TM Cu 2 S x x x 1molCu 2 S 159g Cu 2 S 1molSO 2 dia

= 4.649TM/día = 4649

kgSO 2 día

c. se tiene: = 4.649 x10 4 Nm 3 gas / TM mineral =

9

18

6.2 x10 4 nm 3 gas x 36.11 TM mineral = 223.882 x 10 4 Nm 3 gas TMmineral

=

=

4649 kg 10 4 mg x 1Kg 223,882 x 10 4 Nm 3

18

mg SO 2 Nm 3

4649 kg 22,4l 1mol 10 3 cm 3 10 3 g x x x x 1mol 64g 11 1kg 223,882 x 10 4 Nm 3

= 726,79

10

= 2076,54

cm 3 = 726,79 ppm SO 2 Nm 3

7. Para generar electricidad, se queman en una central térmica 4000 TM día de un carbón que tiene una riqueza en carbón del 80 y un contenido de azufre de un 1.1 %. calcule: a. Las toneladas de dióxido de azufre emitidas a la atmósfera al año. b. ¿Que cantidad mensual de caliza del 85 de riqueza de carbonato de calcio, será necesario añadir a los gases de escape para reducir en un 80 las emisiones de dióxido de azufre, precipitándolo en forma de sulfato de calcio? c. Las emisiones de dióxido de azufre, una vez depurado, expresadas en ppm y en mg/Nm3, si el volumen total de gases emitidos es de 4.10 4 Nm3 / día. Solución:

a. Carbón: 4000TM I día C = 0.80(4000)

= 3200 TM / dia

S = 0.011(4000) = 44 TM / dia → SO 2 En la reacción: S + O 2 

La cantidad de SO2 emitidas:

=

1mol SO 2 1mol S 64g SO 2 TM SO 2 365 Dias x x x 44 TM de S = 88 x 1mol S 32g S 1mol SO 2 dia año

= 32120

TM SO 2 TM SO 2 = 2676, 67 año mes

b. Se tiene la reacción: 2Ca CO 3 + 2SO 2 + O 2  → 2 CaSO 4 + 2CO 2 =

2mol CaCO 3 2mol SO 2

x

1mol SO 2 100g CaCO 3 0.80(2676, 67) TM SO 3 x x 64g SO 2 1mol Ca CO 3 mes

La cantidad de caliza:

11

18

=

3345,83 TM CaCO 3 TMCaCO 3 = 3936.27 (0.85) mes mes

c. Las emisiones de SO2 = 88 TM SO2

=

88 TM SO 2 dia 10 6 mg 22,4L 1mol SO 2 10cm 3 x x x x x = 770 cm3 3 m3 Dia mol 64g L 4x 10 m3 TM

= 770 ppm SO 2

=

12

18

88TM SO 2 mg SO 2 dia 10 6 mg x x = 2200 3 3 dia 1 TM 4x10 m Nm 2

8. Una industria utiliza como combustible 21/día de un carbón que contiene 90% de C y un 2% de S y emite gases a las atmósfera con un caudal de 1500 Nm3/h. a. Calcular la concertación de partículas en le gas de emisión si un 5% del contenido de C del carbón se forma de partículas inquemadas. b. Calculas el contenido de SO2 en los gases de emisión, expresado como mg/ Nm3, suponiendo que no se aplica ningún sistema de depuración. c. Si para depurar las emisiones de partículas se instala un filtro de mangas que tiene una eficacia teórica de 99%, calcular la concentración final de la partícula que se emite en el exterior. Solución:

a. Cantidad de carbón: 2 TM I día C = 90% = 0.90 (2) = 1.80 TM/ día S = 2% = 0.02 (2) = 0.047 TM /día Gases a las atmósferas: 1500 Nm3 / h

Partículas: 5% de C = 0.05 (1.8) = 0.09 TM/día = 3.75kg/h La concentración: =

3.75 kg/h 10 4 mg mg C x = 2500 3 kg 1500Nm / h Nm 3

b. Contenido de SO2 en la atmósfera: S = 0.04 TM día = 1.6667 kg/día

La reacción de emisión: ? S + O2  → SO 2

=

1mol SO 2 1mol S 64g SO 2 1.667 kg/h 10 4 mg x x x x 2 kg 1molS 32g S 1mol SO 2 1500Nm /h

c. Partículas al exterior: eficiencia de filtro 99% 13

18

= 2222.22

mg SO 2 Nm 3

Al exterior: 1% = 0.01(2500) = 25

14

18

mg particulas Nm 3

9. Si durante un proceso de producción se genera 3 kg de partículas por tonelada de producto fabricado, y la istración le permite unas emisiones máximas de 110 mg/ m3, calcule cual debe ser el rendimiento mínimo del sistema de depuración de partículas a instalar si el caudal de gases es de 1400 m3 por tonelada de producto fabricado. Solución:

Producción:

3

partículas TM Prod. Fabricado

Emisión máxima:

110

mg m3

m3 1400 Flujo de gases: TM prod. Fabricado

Relacionando: 3Kg. Partículas 10 6 mg x TM Prod. Fabricado 1kg =3 = 2147.85mg/m 3 3 m 1400 TM Prod. Fabricado

Rendimiento: =

110 x 100% = 5.12% 2147.85

Rendimiento mínimo: (100 - 5.12) = 94.88% (que falta para sistema de depuración)

15

18

10. Un garaje posee unas dimensiones de 5 m de largo, 4m de ancho y 2.8m de altura. Si un coche permaneciera en marcha dentro del e, calcule cual seria la concentración en mg/ m3 de monóxido de carbono en el interior al cabo de 3 horas, sabiendo que la concentración de este compuesto en los gases de escape es de 8g CO/m3 y que el motor del coche al ralentí emite 2.4 m3/h de gases de escape. Calcule también en cuanto tiempo se llegaría a alcanzar la concertación de 1500 ppm de Co, considerada inmediatamente peligrosa para la vida o la salud (IPVS). Solución:

• • • • • • •

Volumen del garaje: = 5m x 4m x 2.8m = 56 m3 Presión: 1atm. Temperatura: 20º C =293 k 8 g CO Gas de escape: : tiempo 3h m3 Emisión: 2.4 m3/h Concentración de CO: 1500 ppm = 1500 cm3/m3 = 1.5 L/m3

CO en el garaje: = 8000mg/m3 x 2.4 m3/56m3 x 1028,57 mg CO/m3 La concentración de CO: • w w PM pv = nRT = RT ⇒ = • M v RT 1atmx28g = = 1.1654g/l 0.082 atm x 1 x 293K molxK •

g 1 mgCO = 1.1654 x1.5 3 = 1.7481g/m 3 = 1748.1 l m m3 Calculo del tiempo:

=

16

18

3h mg CO x 1748.1 = 5.09h = 5h5min. 1028.57mgCO/m3 m3

11. Sabiendo que le valor limite umbral (VLU) que indica el porcentaje del oxigeno en el aire ambiente por debajo del cual pueden ocasionarse efectos perjudiciales para la salud es de 18% en volumen, calcule si se correría el riesgo de alcanzar en un laboratorio de dimensiones 8m de largo, 5m de ancho y 3m de altura en el que se produce una fuga total del nitrógeno contenido en 4 botellas de 20 litros cada uno, a una presión d 180 atm. Y situados en el interior del laboratorio. Considere que el laboratorio se encuentra a una presión de 1atm. Y 22 C de temperatura, y que la composición de aire es de un 21% de oxigeno y un 79% de nitrógeno en volumen.

Solución:

Efecto perjudicial (18% de O2 en el aire Laboratorio P= 1Atm T= 22C Volumen total de laboratorio (aire) = 8mx5mx3m = 120m3 Fuga de nitrogeno: P s1= 4x20l=80l Ps2 = 180atm. Aplicando la ley de Boyle:

P1 V1 = P2 V2 V2 =

180atmx80L = 14400L = 14.4 m 3 N 2 1atm

Volumen de aire: 120 m2

Vol.O 2 = 0,21(120) = 25,2 m 3 Vol.N 2 = 0.79 (120) = 94,8 m 3 Volumen de N 2 = 94.8 + 14.4 (fuga) = 109.2 m3 N2 Volumen Total del aire : Vol.O 2 + Vol.N 2 = 25.2 + 109.2 = 134.4m 3

17

18

25.2 x 100% = 18.75% O 2 134.4 109,2 x 100% = 81.25% N 2 Vol. N 2 = 134.4 Vol.O 2 =

Por lo tanto al ser: 18.75%. 18% no supone riesgo aunque este muy próximo.

18

18