2518_fisicoquimica.docx

FÍSICO QUÍMICA AMBIENTAL COMPONENTE AIRE

HERNÁN ALONSO SOTO MARTÍNEZ

CODIGO DEL CURSO: 358115_39

TUTOR SONIA ESPERANZA RUIZ

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA (UNAD) MARZO DE 2019.

Unidad 1: Fisicoquímica Atmosférica Fase 2 – Aire Una empresa X dedicada a la fabricación de vidrio emplea dentro de su materia prima bórax, caliza, arena, dolomita, carbonato sódico, ácido bórico, feldespato y sulfato sódico. En dicho proceso se adicionan ingredientes menores que son los encargados de aportar alguna función específica como color. Las materias se llevan al horno de fusión que comprende el aumento progresivo de la temperatura hasta un máximo de 1600°C, seguido de un enfriamiento. Se debe realizar un análisis de las emisiones contaminantes de esta empresa a la atmosfera considerando que hay una estación de monitoreo la cual indica las concentraciones de: A mg/Nm3CO, B mg/Nm3 SO2 C mg/Nm3 NO2, D mg/Nm3 O3, E µg/m3 PM10. (Los valores de A, B, C, D, E los encuentra en el Anexo 1). Se conoce que el caudal de salida de los gases de chimenea es de 60.000 Nm3/h y la velocidad de salida de dichos gases es de 30 m/s. El gas de chimenea sale 400 K. • Determine las concentraciones de emisiones totales en kg/año medido a condiciones normales. (1atm, 25°C) 

𝑄 = 60.000 𝑚3 /ℎ



𝑄 = 60.000

        

𝑚3 33𝑚𝑔 𝑚𝑔 ∗ 𝑚3 = 1′980.000 ℎ 𝐶𝑂 ℎ 𝑚3 64𝑚𝑔 𝑚𝑔 𝑄 = 60.000 ∗ 3 = 3′ 840.000 𝑆𝑂2 ℎ 𝑚 ℎ 𝑚3 25𝑚𝑔 𝑚𝑔 𝑄 = 60.000 ℎ ∗ 𝑚3 = 1′500.000 ℎ 𝑁𝑂2 𝑚3 12𝑚𝑔 𝑚𝑔 𝑄 = 60.000 ∗ 3 = 720.000 𝑂3 ℎ 𝑚 ℎ 𝑚3 122𝜇𝑔 𝜇𝑔 𝑄 = 60.000 ∗ 3 = 7′320.000 𝑃𝑀10 ℎ 𝑚 ℎ 𝑚𝑔 1𝑔 1𝐾𝑔 24 𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠 365 𝑑𝑖𝑎𝑠 𝐾𝑔 1′980.000 ℎ 𝐶𝑂 ∗ 1000𝑚𝑔 ∗ 1000𝑔 ∗ 1 𝑑𝑖𝑎 ∗ 1 𝑎ñ𝑜 = 86,724.8 𝑎ñ𝑜 𝐶𝑂 𝑚𝑔 1𝑔 1𝐾𝑔 24 𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠 365 𝑑𝑖𝑎𝑠 𝐾𝑔 3′ 840.000 ℎ 𝑆𝑂2 ∗ 1000𝑚𝑔 ∗ 1000𝑔 ∗ 1 𝑑𝑖𝑎 ∗ 1 𝑎ñ𝑜 = 33,638.4 𝑎ñ𝑜 𝑆𝑂2 𝑚𝑔 1𝑔 1𝐾𝑔 24 𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠 365 𝑑𝑖𝑎𝑠 𝐾𝑔 1′500.000 ℎ 𝑁𝑂2 ∗ 1000𝑚𝑔 ∗ 1000𝑔 ∗ 1 𝑑𝑖𝑎 ∗ 1 𝑎ñ𝑜 = 13,140 𝑎ñ𝑜 𝑁𝑂2 𝑚𝑔 1𝑔 1𝐾𝑔 24 𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠 365 𝑑𝑖𝑎𝑠 𝐾𝑔 720.000 ℎ 𝑂3 ∗ 1000𝑚𝑔 ∗ 1000𝑔 ∗ 1 𝑑𝑖𝑎 ∗ 1 𝑎ñ𝑜 = 6,307.2 𝑎ñ𝑜 𝑂3 𝜇𝑔 1𝑚𝑔 1𝑔 1𝐾𝑔 24 𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠 365 𝑑𝑖𝑎𝑠 7′320.000 𝑃𝑀10 ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ = ℎ 1000𝜇𝑔 1000𝑚𝑔 1000𝑔 1 𝑑𝑖𝑎 1 𝑎ñ𝑜 𝐾𝑔 164.1232 𝑎ñ𝑜 𝑃𝑀10

Sumatoria: 𝐾𝑔

𝐾𝑔

𝐾𝑔

𝐾𝑔

𝐾𝑔

86,724.8 𝑎ñ𝑜 𝐶𝑂 + 33,638.4 𝑎ñ𝑜 𝑆𝑂2 + 13,140 𝑎ñ𝑜 𝑁𝑂2 + 6,307.2 𝑎ñ𝑜 𝑁𝑂2 + 𝐾𝑔

164.1232 𝑎ñ𝑜 𝑃𝑀10 = 139,975 𝑎ñ𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠

• Realizando una revisión bibliográfica identifique en qué etapa del proceso se genera cada contaminante. Molienda de vidrio reciclado: en este proceso se tritura el vidrio hasta quedar en pequeñas partículas que permiten que la fusión y el calentamiento del materias sea rápido y parejo, durante este proceso es posible que algunas partículas que alcancen las 10 micras se volatilicen y escapen por las chimeneas del horno esta cantidad de polvo es llamada PM10. Horno de fusión: en el horno de fusión entran compuestos químicos como el silicio y nitratos que al momento de entrar en combustión estas sustancias se oxidan para pasar a ser dióxidos de los elementos referencia que se volatilizaran. Además en el horno cuando la combustión del hidrocarburo no es completa puede generar un desprendimiento de COX debido a la falta de oxígeno en el medio para entregar CO2 Enfriamiento lento: en el enfriamiento lento muchos gases son desprendidos de las reacciones químicas del vidrio como NOX y una cantidad suficiente de SOX debidos a los procesos de combustión y oxidación de la materia prima.

• Realice el diagrama de flujo del proceso de fabricación del vidrio. (Realice revisión bibliográfica)

•

Determine le diámetro de la tubería de la chimenea del horno.

Calculo del diámetro de la chimenea. Q=A*V Donde:   

Q: caudal A: área V: velocidad

A=Q/V Área= (60000 m^3/h)/(108000 m/h)= 0.55m^2 Área circulo=π*r^2 √ ((0.55m^2)/π)= √(r^2)=0.4184 m (0.4184m +0.4184m) =0,836828 m • Determine el número de moléculas de cada componente que salen de la chimenea. 







𝑚𝑔 1 𝑚𝑀𝑂𝐿 1 𝑀𝑂𝐿 𝐶𝑂 = ∗ ∗ 6.022𝑥1023 = ℎ 28 𝑚𝑔 1000𝑚𝑀𝑂𝐿 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠𝐶𝑂 4.25441𝑥1025 ℎ𝑜𝑟𝑎 𝑚𝑔 1 𝑚𝑀𝑂𝐿 1 𝑀𝑂𝐿 3′ 840.000 ℎ 𝑆𝑂2 = 64 𝑚𝑔 ∗ 1000𝑚𝑀𝑂𝐿 ∗ 6.022𝑥1023 = 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠𝑆𝑂2 3.6132𝑥1027 ℎ𝑜𝑟𝑎 𝑚𝑔 1 𝑚𝑀𝑂𝐿 1 𝑀𝑂𝐿 ′ 1 500.000 𝑁𝑂2 = ∗ ∗ 6.022𝑥1023 = ℎ 60 𝑚𝑔 1000𝑚𝑀𝑂𝐿 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠𝑁𝑂2 1.5550𝑥1025 ℎ𝑜𝑟𝑎 𝑚𝑔 1 𝑚𝑀𝑂𝐿 1 𝑀𝑂𝐿 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠𝑂3 720.000 ℎ 𝑂3 = 48 𝑚𝑔 ∗ 1000𝑚𝑀𝑂𝐿 ∗ 6.022𝑥1023 = 9.033𝑥1024 ℎ𝑜𝑟𝑎

1′ 980.000

Centre su análisis en: Realice un análisis de la empresa X y su impacto ambiental. El principal impacto ambiental que tiene una empresa de vidrios, es la contaminación generada por gases que se expulsan en los hornos en el momento de fundición de las materias primas para lograr vidrio, la cantidad de sílice y de algunos estabilizantes para darle firmeza al vidrio se oxidan en el procesos y generan volúmenes bastante grandes de gases que se expulsan al exterior. Estos gases son tóxicos para la salud humana y generan reacciones adversas en la atmosfera terrestre, causando lluvia acida, siendo catalizadores para otras sustancias mas nocivas en la atmosfera.

2. La ciudad de Bogotá cuenta con X vehículos registrados, si consideramos que el promedio de emisiones de NOx es de Z g/km, y de HC es de Y g/km, por vehículo y suponiendo que el recorrido promedio de cada vehículo es de 23km/día. Calcule la cantidad de NOx y HC en volumen que son emitidos diariamente en Bogotá. Teniendo en cuenta que el límite de emisiones establecido por el Ministerio de Ambientes y Desarrollo Sostenible es de 0.25g/km para hidrocarburos y 0.62 g/km para óxidos de Nitrógeno (NOx), cuál es el volumen diario actualmente excedido. Emplee como peso molecular de NOx 40g/mol, de HC 82g/mol Centre su análisis en: El valor excedido y las implicaciones a la atmósfera y la salud de los bogotanos. Datos para el grupo   

Cantidad de carros: 1’826,300 NOx: 0, 8 g/Km HC: 0, 78 g/Km DESARROLLO 23𝐾𝑚 𝑉𝑒ℎ𝑖𝑐𝑢𝑙𝑜∗𝑑𝑖𝑎



1′ 826,300 𝑉𝑒ℎ𝑖𝑐𝑢𝑙𝑜𝑠 ∗



42′004,900 𝑑𝑖𝑎 ∗ 0,8 𝐾𝑚 = 3.36039𝑥107 𝑑𝑖𝑎 𝑁𝑂𝑥



42′ 004,900 𝑑𝑖𝑎 ∗ 0,78 𝐾𝑚 = 3.27638𝑥107 𝑑𝑖𝑎 𝐻𝐶

𝐾𝑚

𝑔

𝐾𝑚

= 42′004,900

𝑔

𝑔

𝑔

Número de moles de NOx 

3.36039𝑥107 𝑔 𝑁𝑂𝑥 =

1 𝑚𝑜𝑙 40𝑔

= 840,098 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

Número de moles de HC 

3.27638𝑥107 𝑔 𝐻𝐶 =

1 𝑚𝑜𝑙 82𝑔

= 2.680663 ∗ 109 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

Volumen del NOx 

𝑣=



𝑣=

840,098 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑚𝑜𝑙∗0.0821𝑎𝑡𝑚∗

𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜 ∗293.15𝐾 𝐾

1 𝑎𝑡𝑚 7 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 2.02192𝑥10 𝐷𝑖𝑎

Volumen del HC 

𝑣=



𝑣=

𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜 ∗293.15𝐾 𝐾

2.680663∗109 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑚𝑜𝑙∗0.0821𝑎𝑡𝑚∗ 1 𝑎𝑡𝑚 10 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 6.46609𝑥10 𝐷𝑖𝑎

𝐾𝑚 𝑑𝑖𝑎

𝐾𝑚

𝑔

6 𝑔 𝑁𝑂𝑥 𝑑𝑖𝑎 𝑔 6.94076𝑥106 𝑑𝑖𝑎 𝐻𝐶



1′ 826,300 𝑣𝑒ℎ𝑖𝑐𝑢𝑙𝑜𝑠 ∗ 𝑑𝑖𝑎 ∗ 0,62 𝐾𝑚 = 1.13231𝑥10



27763024 𝑣𝑒ℎ𝑖𝑐𝑢𝑙𝑜𝑠 ∗ 𝑑𝑖𝑎 ∗ 0,25 𝐾𝑚 =

𝐾𝑚

𝑔

Número de moles de NOx 

1.13231𝑥106 𝑔 𝑁𝑂𝑥 =

1 𝑚𝑜𝑙 40𝑔

= 28307.7 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

Número de moles de HC 

3.27638𝑥107 𝑔 𝐻𝐶 =

1 𝑚𝑜𝑙 82𝑔

= 84643.4 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

Volumen Del NOx  

𝑣= 𝑣=

𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜 ∗293.15𝐾 𝐾

28307.7 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑚𝑜𝑙∗0.0821𝑎𝑡𝑚∗ 1 𝑎𝑡𝑚 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 681298 𝐷𝑖𝑎

Volumen del HC 

𝑣=



𝑣=

𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜 ∗293.15𝐾 𝐾

84643.4 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑚𝑜𝑙∗0.0821𝑎𝑡𝑚∗ 1 𝑎𝑡𝑚 6 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 2.03716𝑥10 𝐷𝑖𝑎

Diferencias NOx 

𝑣 = 2.02192𝑥107



6.46609𝑥1010

𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 𝐷𝑖𝑎

− 681,298

𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 𝐷𝑖𝑎

= 1.95379𝑥107

HC 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 𝐷𝑖𝑎

− 2.03716𝑥106

𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 𝐷𝑖𝑎

= 6.46589𝑥1010

Conclusión: los dos contaminantes superan los límites diarios por kilómetros permitidos para este tipo de gases de expulsión vehicular, teniendo grandes afectaciones a nivel de la salud de los Bogotá, porque estos gasees están relacionados a enfermedades cancerígenas y cardio respiratorias que pueden presentarse en la primera infancia y en ancianos con mayor facilidad.

3. El etileno en presencia de ozono produce formaldehído, de acuerdo con la información presentada en la tabla, determine la ecuación de velocidad de la reacción y la constante de velocidad de formación del formaldehído. Así como la concentración que deben tener los reactivos para que la reacción se desplace de productos a reactivos si se cuenta con una concentración de formaldehído de 0.25M. 1 𝐶2 𝐻4 (𝑔) + 𝑂3(𝑔) ↔ 𝐶𝐻2 𝑂 (𝑔) + 𝑂2 (𝑔) 2 [C2H4] M

[O3] M

Velocidad de formación de CH2O (M/s)

0.15 x 10-7

2.0 x 10-8

1.23 x 10-12

0.15 x 10-7

3.0 x 10-8

2.46 x 10-12

0.20 x 10-7

2.0 x 10-8

4.92 x 10-12

Centre su análisis en: El ozono y el formaldehído como agentes contaminantes primarios, hacia donde debería desplazarse la reacción para ser menos lesivo al ambiente, y a la salud.

Ecuaciones 1. (0.15𝑥10−7 )𝑛 ∗ (2.0𝑥10−8 )𝑚 = 1.23𝑥10−12 2. (0.15𝑥10−7 )𝑛 ∗ (3.0𝑥10−8 )𝑚 = 2.46𝑥10−12 3. (0.15𝑥10−7 )𝑛 ∗ (2.0𝑥10−8 )𝑚 = 1.23𝑥10−12



(0.15𝑥10−7 )𝑛 ∗(3.0𝑥10−8 )𝑚



n= 1



(0.15𝑥10−7 )𝑛 ∗(2.0𝑥10−8 )𝑚



m=1

(0.15𝑥10−7 )𝑛 ∗(2.0𝑥10−8 )𝑚

(0.15𝑥10−7 )𝑛 ∗(3.0𝑥10−8 )𝑚

2.46𝑥10−12

= 1.23𝑥10−12 1.23𝑥10−12

= 2.46𝑥10−12

Calculo de la constante: 1. (0.15𝑥10−7 )1 ∗ (2.0𝑥10−8 )1 𝑘 = 1.23𝑥10−12

1.23𝑥10−12



𝑘 = (0.15𝑥10−7 )1 ∗(2.0𝑥10−8 )1



𝑘 = (0.15𝑥10−7 )1 ∗(2.0𝑥10−8 )1 = 4100



(0.15𝑥10−7 )1 ∗ (2.0𝑥10−8 )1 4100 = 1.23𝑥10−12

1.23𝑥10−12

Hacia el lado de los productos por que el formaldehido no se acumula en animales y las concentraciones son bajas además presenta solubilidad con el agua lo que lo hace fácil de eliminar, en cambio el ozono troposférico genera reacciones que pueden implicar un deterioro en la capa de ozono además de catalizar gases para volverlos efecto invernadero. 4. Diríjase a la sección de aprendizaje práctico, lea la guía para el uso del simulador disponible en la carpeta “Guía para el uso de recursos educativos”, ingrese al simulador de cinética química y determine la energía de activación del proceso realizando los siguientes pasos: a. Seleccione un mecanismo de reacción: El simulador cuenta con 6 mecanismos de reacción, por lo que cada estudiante debe seleccionar un mecanismo diferente. b. Determine el orden de reacción respecto al reactivo A: Mantenga constante la temperatura del simulador a 45°C y la concentración del reactivo B en 0.1M, determine el tiempo de reacción variando las concentraciones del reactivo A así; 0.1M, 0.15M, 0.20M, 0.25M, 0.30M. Realice la gráfica correspondiente para determinar el orden parcial de la reacción. Tenga en cuenta que el reactivo inicial tiene una concentración de 1M, y el volumen de la solución a trabajar es de 100ml.

Orden de reacción respecto el reactivo A [A], M [B], M TIEMPO DE REACCIÓN PARA CADA MECANISMO (S) 1

2

0.10

0.1

53

0.15

0.1

51

0.20

0.1

50.5

0.25

0.1

48

ORDEN DE REACCIÓN

3

4

2

concentración A 54 53 52 51 50 49 48 47 0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

c. Determine el orden de reacción respecto al reactivo B: Mantenga constante la temperatura del simulador a 45°C y la concentración del reactivo A en 0.1M, determine el tiempo de reacción variando las concentraciones del reactivo B así; 0.1M, 0.15M, 0.20M, 0.25M, 0.30M. Realice la gráfica correspondiente para determinar el orden parcial de la reacción.

5

Orden de reacción respecto el reactivo B [A], M

[B], M

TIEMPO DE REACCIÓN PARA CADA MECANISMO (S) 1

2

0.1

0.10

52

0.1

0.15

34

0.1

0.20

26

0.1

0.25

21

ORDEN DE REACCIÓN

3

4

5

1

concentración de B 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

d. Determine la velocidad de reacción: Mantenga constante las concentraciones de A y B como 0.1M, y determine el tiempo requerido para que se produzca la reacción variando la temperatura así: 5°C, 20°C, 25°C, 30°C, 35°C y 55°C. Considerando que la concentración del producto es 0.08M cuando se deja de ver la cruz del simulador, determine la velocidad de cada reacción (M/s) e. Influencia de la temperatura TEMPERATURA DE REACCIÓN (°C)

[A], M

[B], M

TIEMPO DE REACCIÓN PARA CADA MECANISMO (°C) 1 2 3 4 5

15

0.1

0.1

1,21

25

0.1

0.1

0,55

30

0.1

0.1

0,54

40

0.1

0.1

0,52

55

0.1

0.1

0,46

temperatura 60

50 40

30 20

10 0 0.44

0.46

0.48

0.5

0.52

0.54

0.56

f. Determinación de la energía de activación: A partir de los datos anteriores, determine la constante de velocidad K, y realice la gráfica de lnk vs. 1/T(k) y determine la energía de activación y el factor de frecuencia de choque de la reacción. Para la entrega del documento final, no presente la descripción de los pasos realizados en el simulador ni los cálculos. Entregue únicamente las siguientes tablas y gráficas:

0,54−0,52



𝑚=𝑘=

 

La velocidad de la reacción es: V= 𝟐𝒙𝟏𝟎−𝟑 ∗ 𝟎, 𝟎𝟖 = 𝟏, 𝟔𝒙𝟏𝟎−𝟒

40−30

= 𝟐𝒙𝟏𝟎−𝟑