Evaluación y Control de Emisiones Atmosféricas 2017-II PRÁCTICA CALIFICADA UNIDAD III 1. La norma calidad del aire para el monóxido de carbono en el Perú es de 10 000 µg/m 3 medidos durante un período de muestreo de 8 h. ¿Cuál, será la concentración equivalente en ppm? Monóxido de carbono Peso molecular = 28.01 g/mol 10000ug/m3en 8 horas 10000ug/m 3 = 10 mg/ m3 Solución-. Ppm = 24.45 x ( mg/m3) (peso molecular)
Ppm = 24.45 x (10 mg/m 3) 28.01 g/mol Ppm= 8
2. La norma primaria de calidad del aire para el NO 2, expresada como promedio anual es de 100 µg/m3 ¿Cuál será la concentración equivalente en ppm? para la presión atmosférica de Huancayo (750 hPa) y temperatura del aire anual de 12°C.
Formula
Ppm=83.08 x (T x mg / m 3 ) ( P x M )
Ppm = 0.08308 x (285.15 x 100 ) / ( 750 x 44 ) Ppm = 0.072
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Evaluación y Control de Emisiones Atmosféricas 2017-II 9. Un fuego que se consume a nivel de suelo emite monóxido de nitrógeno a una tasa de 3,6 g/s. Se supone que el fuego es una fuente puntual sin elevación efectiva de la pluma. Determine la concentración de NO directamente en la dirección del viento, a una distancia de 2,5 Km en las siguientes condiciones atmosféricas: a) noche nublada, velocidad del viento 6 m/s, b) noche despejada, velocidad del viento de 3 m/s, c) una tarde parcialmente nublada, velocidad del viento 4 m/s. Nota: Determinar la categoría de la estabilidad atmosférica y calcular los valores de σ y y σz, para cada caso.
,, = () a) Noche nublada: Distancia: 2.5 Km=2500 m, vel. Viento=6 m/s, categoría de e stabilidad D,
3.6∗10 2500,0,0 = 6150∗50 =25.4648 /
=150 = 50
b) Noche despejada: Distancia: 2.5 Km=2500 m, vel. Viento=3 m/s, categoría de estabilidad E,
3.6∗10 2500,0,0 = 3110∗40 =86.8118 /
=110 = 40
c) Tarde parcialmente nublada: Distancia: 2.5 Km=2500 m, vel. Viento=4 m/s, categoría de estabilidad C,
=270 =150
3.6∗10 2500,0,0 = 4270∗150 =7.0735 /
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Evaluación y Control de Emisiones Atmosféricas 2017-II
PROBLEMAS RESUELTOS 1. Si durante un proceso de producción se generan 3 Kg de partículas por tonelada de producto fabricado y la administración le permite unas emisiones máximas de 110 mg/m 3. Calcule cual debe ser el rendimiento mínimo de depuración de partículas a instalar, si el caudal de gases es de 1 400 m 3 por tonelada de producto fabricado. Solución: Factor de emisión másico = 3 Kg de partículas / 1 t de producto fabricado Concentración máxima = 110 mg/m3 Factor de emisión volumétrico = 1 400 m 3 / 1 t de producto fabricado a) Si se divide el factor de emisión entre el flujo volumétrico, se tiene: 3 Kg de partículas / 1 400 m3 Convirtiendo a mg / m3, tenemos la concentración total de partículas generadas
3 x x = = 2 142.86 3 kg g
El rendimiento mínimo de depuración de partículas a instalar se calcula: Si 2 142,86 mg/m3 110 mg/m3
100
→
% (total de partículas emitidas) x
X = 5,13 % del total se retiene en el equipo de control. Entonces: Rendimiento de depuración = 100% - 5,13 % = 94,87 % Rendimiento mínimo para el sistema a instalar. 2. Para generar energía eléctrica, se consumen en una central termoeléctrica 4 000 t/día de un carbón que tiene una pureza de carbono del 80 % y un contenido de azufre de 1,1 %. Calcule: i) Las toneladas de dióxido de azufre, SO2 emitidas a la atmósfera por año. ii) ¿Qué cantidad mensual de caliza del 85 % de pureza de carbonato de calcio, será necesario añadir a los gases de escape, para reducir en 80 % las emisiones de SO 2, precipitándolo en forma de sulfato de calcio? Página 3
Evaluación y Control de Emisiones Atmosféricas 2017-II iii) Las emisiones de SO 2 una vez depurado el gas, expresadas en ppm y en mg/Nm 3, si el volumen total de gases emitidos es de 4 x 10 4 Nm3/día. iv) La cantidad de tCO2/h emitido, considerando una combustión completa de todo el carbono. Solución: i) Las toneladas de dióxido de azufre, SO2 emitidas a la atmósfera por año. Se tienen 4 000 t / día de carbón, por lo que se tiene: C = 3 200 t/día (80%)
S = 44 t (1,1%)
S + O2
Otros = 800 t (20,0%)
SO2
= ∗ í = día año ñ
88 t SO2 / día
ii) ¿Qué cantidad mensual de caliza del 85 % de pureza de carbonato de calcio, será necesario añadir a los gases de escape, para reducir en 80 % las emisiones de SO 2, precipitándolo en forma de sulfato de calcio?
2 CaCO3 + 2 SO2 + O2
2 CaSO4 + 2 CO2
Por la estequiometria de la ecuación se tiene:
∗ ∗ = x , ∗80 % = = ,
=
= 3 936,27 t
iii) Las emisiones de SO 2 una vez depurado el g as , expresadas en ppm y en mg/Nm 3, si el volumen total de gases emitidos es de 4 x 10 4 Nm3/día. El flujo másico de emisiones de SO 2 = 0,2 * 88 t / día Volumen = 40 000 N
, ∗
/ día
∗ = ,∗ ∗ ∗
Realizando la conversión a ppm.
4,4∗10
∗ = 44,64∗∗64 Página 4
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4,4∗ 10 = 44,64∗64 = ,
iv) La cantidad de tCO2/h emitido, considerando una combustión completa de todo el carbono.
C + O2
CO2
Por la estequiometría de la ecuación, se tiene: 1 mol-t de C generan 1 mol-t de CO 2, entonces 12 t C generan 44 t de CO 2
3200∗44 ℎ = 12 = /
3. Un garaje posee unas dimensiones de 5 m de largo, 4 m de ancho y 2,8 m de altura. Si un coche permaneciera encendido, calcule cual sería la concentración en mg/m 3 de monóxido de carbono, CO en el interior al cabo de 3 horas, sabiendo que la concentración de este compuesto en los gases de escape es de 8 g/m 3 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 concentración de 1 500 ppm de CO considerada inmediatamente peligrosa para la vida o la salud (IPVS). Considere condiciones de 1 atm de presión y 20 °C de temperatura. Solución: Volumen del garaje = 5 m * 4 m * 3,2 m = 56 m 3 El flujo másico de CO de los gases de escape en el garage se obtiene:
Cinicial = 8
entonces: 8 x 2,4 = 19,2
La concentración en el garaje al cabo de 3 horas se calcula:
* 3 h = 57,6 g CO , x = 1 028,57 19,2
A condiciones normales se puede utilizar la ecuación siguiente:
=
Se debe considerar la T ambiente de 20°C = 293 K. 1 028,57
= ,
= 882,59 ppm de CO
Calculo del tiempo:
∗1 500 = , , Página 5
Evaluación y Control de Emisiones Atmosféricas 2017-II 4. Una cocina doméstica que consume gas licuado de petróleo muestra la siguiente reacción química:
C3H8 + N2 + O2
CO + NO2 + H2O
Si después de usarla un tiempo razonable se generaron 1 000 galones de dióxido de nitrógeno. ¿Cuántos Kg de propano se consumieron? Nota: P = 1 atm, T = 25°C. Solución:
2 C3H8 + 2 N2 + 2 mol
O2
6 CO + 4 NO2 + 8 H2O 4 mol
X gal
1 000 gal
X = 1000 * 2/4 = 500 gal En litros: 500 gal * 3,785 L/gal = 1 892,5 L de C 3H8 Cálculo de las moles de propano n = 1 atm * 1 892 L / (0,082 L atm /K mol) * 298 n = 77,5 mol La masa de propano es de: 77,45 mol * 44 g/mol = 3,410 Kg de propano 5. Una fábrica emplea como combustible 3,5 toneladas diarias de carbón, que contiene 90 % de C y 2 % de S; cuya combustión emite 1 700 Nm 3/h de gases a la atmósfera. Calcular: i) La concentración de partículas en el gas de emisión si un 5 % del contenido de C del carbón se emite en forma de partículas. ii) El contenido de SO2 en los gases de emisión, (mg/Nm 3), suponiendo que no se aplica ningún sistema de depuración. iii) La concentración final de partículas, tras la instalación de un filtro de mangas que tiene una eficiencia teórica del 99 %. Solución: 3,5 t carbón/día * 0,9 t C/t carbón = 3,15 t C/día 3,5 t carbón/día * 0,02 t S/t carbón = 0,07 t S/día Flujo volumétrico de gases = 1 700 Nm 3/h i) Cantidad de Material Particulado, PM: 3,15 t C/día * 0,05 t PM/t C * 1 día/24 h * 10 9 mg PM/t PM) = 6,56 x 106 mg PM de C/h. Concentración de partículas sin filtro: 6,56 x 106 mg PM de C/h / 1 700 Nm 3/h = 3 860,3 mg PM de C/Nm 3 gas ii) La concentración de SO 2 se halla dividiendo su flujo másico sobre el f lujo volumétrico del gas. S + O2 Por día:
SO2 De la reacción se tiene 1 mol de S produce 1 mol de SO 2
∗10 = 2 187,5 = / Página 6
Evaluación y Control de Emisiones Atmosféricas 2017-II Flujo molar a flujo másico de SO 2: 2 187,5 mol/día * día/24 h * 64 g/mol * 10 3 mg/g = 5,83 x 106 mg/h de SO2. Concentración del gas de salida: Flujo másico/Flujo volumétrico del gas de salida Concentración (mg/Nm 3) = 5,83 x 106 mg/h de SO2 / 1 700 Nm3/h = 3 431,4 mg de SO2 /Nm3 gas iii) La concentración de partículas luego del filtro de mangas de eficiencia 99 %. Concentración de partículas con filtro: 6,56 x 106 * (1-0,99) mg PM de C/h / 1 700 Nm3/h = 38,60 mg PM de C/Nm 3 gas 6. La empresa minera “Gold & Silver S.A.” emplea para sus procesos 1 300 toneladas de carbón por día, con un contenido de azufre elemental del 4%. ¿Cuál sería la cantidad máxima (tm) que emitiría, de SO 2 en un día (combustión completa)? Solución: Cantidad de carbón: 1 300 t/día S = 4% = 0.04 (1 300) = 52 t de S/día En la reacción: S + O2
SO2
∗ 1 ∗ 64 ∗52 = 104 = 11 32 1 í Rpta: La cantidad máxima emitida de SO2 es de 104 t/día
PROBLEMAS UNIDAD III 1. Una industria emite 20 g/s de SO2 a una altura H=30 m. La velocidad del viento es 3 m/s. Los valores de
y y σ z a una distancia de 1 Km en la dirección del viento son 30 m y 20 m
σ
respectivamente. Determine las concentraciones de SO 2 a 1 Km de distancia de la base de la chimenea, a ras del suelo y en el eje del viento. Solución:
,,3 = 2
+ − − ∗
} + − ,0,0 = 20 −{ ∗ 2∗3.14∗3∗30∗20
20 ,0,0 = 2∗3.14∗3∗30∗20 ∗0,3246∗10 =574,1 µ Página 7
Evaluación y Control de Emisiones Atmosféricas 2017-II 2. Se propone instalar una fábrica de papel y el pueblo más cercano estaría situado a 1 700 m al NE del emplazamiento elegido. Se ha calculado que se emitiría 500 kg de H 2S por día. Determinar la altura efectiva que debe tener la chimenea si la contaminación de H 2S en el pueblo no debe de exceder de 28 µg/m 3. Considerar reflexión en el suelo. Datos meteorológicos: a) Presión atmosférica: 1 atm. b) Temperatura ambiente: 17 ºC c) Atmosfera ligeramente estable, E (tasa de decaimiento de 6°C/Km). d) Los vientos vienen del SW con una velocidad de 2 m/s. e) Humedad relativa: 85% Solución: i.
Conversión de la tasa de emisión:
∗ ∗ ∗ =5,787∗ 103 − 28 ∗ 10 =
Se convierte la concentración a la misma unidad de masa Kg/m 3 y se tiene:
ii.
Cálculo de los coeficientes de dispersion:
Para calcular los coeficientes tenemos que mediante la hoja de cálculo o de las gráficas respectivas, para condiciones ligeramente estables, E, se obtiene:
√ + ..∗ ∗ √ +..∗ y =
= 94,29 m
z =
= 33,77 m
Utilizando el método gráfico con las curvas de Pasquill-Gifford se obtienen valores cercanos de iii.
= 80 y 30, respectivamente.
Aplicación del modelo gaussiano (fórmula general):
−∗+ ∗ −∗− − Cx,y,z= 2∗∗σy∗σz
Se considera las inmisiones a nivel de suelo, con reflexión, por lo tanto z = 0, asimismo que la concentración máxima se presenta en y = 0
,,= 2∗
− − 2∗
Simplificando con y = 0, se tiene:
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,, =
−
Sustituyendo valores se obtiene:
} − 5,79∗10 {− 28∗10− = 28030 28030− ∗− = {− } 5,79∗10 } {− 0,0729= } 1 = { 0,0729 2,62= 1 800 4 716 = =, 3. Se descarga bisulfuro de carbono en forma gaseosa desde una chimenea de 30 m de altura, la tasa de descarga es de 400 lb de CS 2 por hora. La velocidad del viento es de 4,47 m/s. Los valores de
σ y
y σ z a una distancia de 1 Km en la dirección del viento son 160 m y
120 m respectivamente. Determine la concentración a 1 Km viento abajo de la chimenea si el valor umbral es de 0,21 ppm y si será posible detectar el olor en una región poblada localizada a dicha distancia. Solución: i. Conversión de la tasa de emisión:
700 ∗ 454 ∗ 1ℎ =50,44 ℎ 1 3 600 ii. Considerando la emisión a nivel del suelo, y = Z = H= 0. Se emplea la formula siguiente:
,,= Página 9
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50,44∗10 ,0,0 = 3,14∗4.47∗160∗120 =187,09 µ µ = 10 ∗∗ µ 10 187,09 = 0.082∗293/1 ∗76∗ 82∗293/1 = 187,09∗0.100∗76
iii. Determinando la concentración final:
=,
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