Приклади розв’язання задач

Дата добавления: 2014-11-10; просмотров: 843

Приклад 1.Теплові електростанції є одними з головних джерел емісії SO₂ і NО_х в атмосферу. Визначте мольне співвідношення діоксиду сульфуру та монооксиду нітрогену, які надходять в атмосферу протягом доби з викидами теплової електростанції, що працює на вугіллі. Вміст Сульфуру у вугіллі дорівнює 1,5% (мас). За добу на станції спалюється 10тис. т вугілля. Концентрація монооксиду Нітрогену в газових викидах становить 1,5∙10^-2% (об.). Для спалення вугілля подається стехіометрично необхідна кількість повітря. Прийняти що вугілля містить в якості домішок тільки Сульфур.

Розв’язок:Поява діоксиду сульфуру у викидах ТЕС пов’язана з процесом окиснення сполук Сульфуру, що міститься у вугіллі при його спалюванні:

S+O₂→SO₂

Кількість Сульфуру, що спалюється за добу на станції становить:

m_S=m_{вугілля}·α_S

де m_S та m_{вугілля} – маса Сульфуру та вугілля, що спалюється на станції за добу; α_S – масова частка Сульфуру у вугіллі.

m_S = 10000·0,015=150(т/добу).

Кількість молів діоксиду сульфуру, що утворюється в процесі горіння вугілля, дорівнює кількості молів Сульфуру, що містить у вугіллі, і становить:

N_SO2=N_S=m_S/M_S,

де M_S – молярна маса Сульфуру, г/моль.

N_SO2=150·10⁶/32=4,69·10⁶(моль/добу).

Для визначення кількості молів монооксиду нітрогену, що утворюється в процесі горіння вугілля необхідно знайти загальну кількість молів, що містяться у вихідних продуктах (N_заг). Ця величина буде визначатися кількістю молів азоту N_N2, що міститься в повітрі, яке необхідне для окиснення вугілля та Сульфуру, кількістю молів діоксиду карбону N_СO2, що утворюється при горінні вугілля, і кількістю молів діоксиду сульфуру N_SO2:

N_заг= N_N2 + N_СO2+ N_SO2.

Процес горіння вугілля можна представити рівнянням:

C+O₂→CO₂

Кожну добу на станції спалюється 10000т вугілля, яке за умовою задачі складається з 150т Сульфуру та 9850т Карбону. Кількість молів Карбону, які спалюються на станції за добу становить:

N_C=m_C/M_C,

де M_С – молярна маса Карбону, г/моль.

N_C=9850·10⁶/12=8,21·10⁸(моль/добу).

З кожного молю Карбону утворюється 1моль діоксиду карбону та витрачається як і при окисненні Сульфуру 1моль кисню із повітря. Тому загальна кількість молів кисню, що витрачається в процесі горіння вугілля становить:

N_O2=N_{O2 (на окиснення Сульфуру)}+ N_{O2 (на окиснення Карбону)};

N_O2=4,69·10⁶+8,21·10⁸=8,26·10⁸ (моль/добу).

Оскільки в процесі спалювання вугілля використовується повітря, кисень з якого за умовою задачі буде повністю витрачатися на окиснення Сульфуру та Карбону, у вихідних газах залишиться лише азот, якщо не брати до уваги інші інертні гази та процес окиснення самого азоту. Кількість азоту можна визначити за відомим середнім складом повітря:

N_N2= N_O2·α_N2/α_O2,

де : α_N2 і α_O2 – вміст азоту та кисню в повітрі відповідно.

N_N2= 8,26·10⁸·78,08/20,95=3,08·10⁹(моль/добу).

Загальна кількість молів монооксиду нітрогену, що містяться у вихідних продуктах згорання вугілля складає:

N_NO= α_NO·N_заг ,

де α_NO – об’ємна частка монооксиду нітрогену у вихідних газах.

N_NO= 1,5·10^-4·(3,08·10⁹+8,21·10⁸+4,69·10⁶)=5,86·10⁵(моль/добу).

Мольне співвідношення діоксиду сульфуру і монооксиду нітрогену становить:

n= N_SO2/N_NO=4,69·10⁶/(5,86·10⁵)=8.

Відповідь:Мольне співвідношення діоксиду сульфуру та монооксиду нітрогену дорівнює 8.

Приклад 2. Відомо що монооксид Карбону при взаємодії з гемоглобіном крові людини утворює карбоксигемоглобін СОHb, при цьому знижується частка гемоглобіну зв’язаного з киснем (оксигемоглобін О₂Hb), і порушується кисневий обмін в організмі. При одночасному надходженні з повітрям СО и О₂ при диханні в крові встановлюється рівновага між співвідношеннями концентрацій карбоксигемоглобіну і оксигемоглобіну та парціальних тисків газів:

Коефіцієнт пропорційності К для крові людини змінюється в межах від 200 до 250. При концентрації карбоксигемоглобіну в крові 2-5% спостерігається враження центральної нервової системи, що виражається в порушенні ряду психомоторних функцій, наприклад зниженню здатності до сприйняття звукових сигналів, послаблюється здатність розрізняти збільшення яскравості світла.

Таблиця 2.1 – ознаки отруєння монооксидом карбону при високому вмісті карбоксигемоглобіну в крові (за Г. Феленбергом)

При вмісті СОHb в крові більше 5% відбувається функціональні зміни серцевої та легеневої діяльності. При концентрації карбоксигемоглобіну в крові 8% серйозно порушуються навички водіння автомобіля, послаблюється реакція на появу стоп-сигналів і на швидкість автомобілю, що рухається попереду, внаслідок чого збільшується імовірність аварій на дорогах. В табл. 2.1 вказані ознаки отруєння монооксидом Карбону при більш високому (порівняно з розглянутим вище) вмістом СОHb в крові (10-60%).

Таким чином, високі локальні концентрації СО, навіть короткочасні, є так званими екологічними пастками. На таку небезпеку наражаються курці й люди, що знаходяться поруч і дихають сигаретним димом – пасивні курці.

Який середній вміст карбоксигемоглобіну може спостерігатися в організмі курця, який дихає сигаретним димом, якщо вміст монооксиду Карбону в сигаретному диму становить (400-450)·10^-4 % (об.), а вміст кисню в сигаретному диму відповідає середньому для приземного шару повітря значенню? До яких наслідків це може призвести?

Розв’язок:Парціальний тиск монооксиду Карбону в сигаретному диму Р_СО можна визначити за допомогою рівняння:

де Р_заг. – загальний тиск суміші (за умовою задачі дорівнює тиску повітря, за нормальних умов – 101,3 кПа); α_со – об’ємна доля монооксиду Карбону у в сигаретному диму (приймемо середнє значення з інтервалу концентрації СО).

Парціальний тиск кисню в сигаретному димі за умовою задачі дорівнює парціальному тиску кисню в приземному повітрі і без врахування вмісту парів води в повітрі складає:

Приймаючи значення коефіцієнту пропорційності в рівнянні, що поєднує співвідношення концентрації карбоксигемоглобіну і оксигемоглобіну в крові людини зі співвідношенням парціальних тисків газів, рівним 225, визначимо середнє значення співвідношення карбоксигемоглобіну і оксигемоглобіну в крові людини, що вдихає сигаретний дим:

Розв’язуючи це рівняння, знайдемо Х=31%. Отже, вміст карбоксигемоглобіну в крові курця, що вдихає сигаретний дим, становить 31%. При такій концентрації будуть спостерігатися втрата свідомості, параліч, порушення дихання і життєдіяльності (див. табл. 2.1).

Відповідь: середній вміст карбоксигемоглобіну в крові курця становить 31%. У курця будуть спостерігатися втрата свідомості, параліч, порушення дихання і життєдіяльності.

Приклад 3. розрахуйте прогнозний рівень забруднення цезієм-137врожаю гречки, якщо щільність забруднення ґрунту складає 12,3Кі/км², а коефіцієнт переходу радіонуклідів з ґрунту в рослину К_п = 0,76 .

Одержані прогнозні рівні порівняйте з тимчасовими допустимими рівнями (ТДР) вмісту радіонуклідів у сільськогосподарській продукції (табл. 2.2) та визначте відсоток перевищення, коли такий існує.

Таблиця 2.2 – Тимчасові допустимі рівні вмісту Сs137 в с/г продукції

Охарактеризуйте фактори, що впливають на накопичення радіонуклідів у сільськогосподарській продукції.

Розв’язок.Розглянемо розрахунок прогнозного вмісту радіонуклідів у сільськогосподарській продукції з використанням коефіцієнта переходу (К_п). Вміст радіонуклідів в урожаї (С) можна розрахувати за формулою:

С=К_п ∙Д, Бк/кг

де К_п – коефіцієнт переходу радіонуклідів з ґрунту в рослину, ; Д – щільність забруднення ґрунту, Бк/м².

Для розрахунку рівня забруднення радіонуклідами врожаю гречки необхідно перевести щільність забруднення ґрунту і коефіцієнт переходу в відповідні одиниці виміру. Виразимо щільність забруднення ґрунту в Бк/м² :

Д^і = 3,7∙10⁴∙Д

де 3,7∙10⁴ — коефіцієнт переводу Кі/км² в Бк/м².

Д^і = 3,7∙10⁴∙12,3 = 45,51∙10⁴ (Бк/м²).

Вміст радіонуклідів в урожаї (С):

С=0,76∙10^-3∙45,51∙10⁴ = 345,9 Бк/кг

Одержаний прогнозний рівень радіонуклідів у врожаї порівнюємо з тимчасовими допустимими рівнями вмісту радіонуклідів у сільськогосподарській продукції (табл. 2.2). Гречка відноситься до зерна харчового і згідно табл. 2.2 тимчасово допустимий рівень вмісту цезію-137 не повинен перевищувати 592 Бк/кг. Вміст радіонуклідів в урожаї гречки прогнозується на рівні 345,9 Бк/кг, тобто перевищення не очікуємо.

Рівні забруднення врожаю сільськогосподарської культури залежить від щільності забруднення ґрунту, агрохімічних властивостей ґрунту, біологічних особливостей рослин. Чим вища окультуреність ґрунту, тим менше накопичення радіонуклідів у врожаї. Коефіцієнт переходу радіонуклідів у рослини залежить від типу та кислотності ґрунтів, вмісту в них гумусу, обмінного Кальцію та Калію, видових та сортових особливостей рослин. У зв'язку з цим розміщення культур із врахуванням щільності забруднення ґрунту, а також біологічних особливостей рослин різних культур дозволяє регулювати рівні забруднення врожаю та вирощувати продукцію з вмістом радіонуклідів значно нижче тимчасово допустимих рівнів.

Відповідь:Вміст радіонуклідів в урожаї гречки прогнозується на рівні 345,9Бк/кг, тобто перевищення тимчасово допустимих рівнів не очікується.