AMBIENTALES 2 PARCIAL PROBLEMAS.docx

7/30/2019 AMBIENTALES 2 PARCIAL PROBLEMAS.docx

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6.2. Calcule la velocidad de ascenso de una burbuja de aire de 100um de

dimetro en un tanque de agua a 20 C.

SOLUCION:

18

. 2 P P t

d g . (1)

Datos:

sm Kg

sm g

m Kg

m Kg P

./10*1

/8.9

3/998

3/204.1

3

2

Remplazando valores en la ecuacin (1)

)10*1(18

)10*100(*8.9*998204.13

26

t seg mt /10*43.53

6.4. Determine la velocidad de sedimentacin Terminal, en agua 20 C, de

una partcula de arena esfrica de 0.07 mm de dimetro.

SOLUCION:

sm Kg

sm g m Kg

C O H

C O H

P

./10*1

/8.93/998

320,2

220,2

)10*1(18

)10*07.0(*8.9*9983

23P

t

seg Kg m P t ./)998(10*67.246

6.6. La siguiente informacin procede de una prueba de laboratorio que sellevo a cabo para determinar la concentracin de slidos suspendidos

de una muestra de aguas residuales no tratadas. Una muestra de 100

mL se filtra a travs de una almohadilla de filtracin. El peso de la

almohadilla y el crisol limpios, los cuales se secaron, se dejaron enfriar

y se pesaron, es de 48.610 g. despus de filtrar, secar a 104 C y dejar

enfriar, el peso del crisol, la almohadilla de filtracin y los slidos secos

es de 48.903 g. Cul es la concentracin de slidos suspendidos en lamuestra de aguas residuales, en mg/L?


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SOLUCION:

Lmg ionConcentrac

Lmg

mLmuestra g

ionConcentrac

/2930

10010*293.0

100)610.48903.48( 6

6.8. Una planta generadora de energa elctrica de 1,000MW que consume

carbn consume antracita, que contiene 5% de cenizas y 2.5% de

azufre, con una eficiencia trmica de 40%. El contenido calorfico del

carbn es de 31.280 KJ/Kg. Si el 99.5% de las cenizas y el 88% del so2

se capturan antes de que se emitan por la chimenea, calcule:

(a) la taza de alimentacin de carbn al horno (Kg/dia)

(b) la taza de emisin de cenizas y SO2 hacia la atmsfera (Kg/dia)

(c) el volumen de SO2 que se emite (m3/dia) a 20 C y presin

atmosfrica

SOLUCION:

(a) F: Kg Carbon/Dia = ? Si 1000Mw = 10 9 J/seg

dia Kg F dia

seg Kg KJ F /83.1104859

186400

*)4.0(*10*)/31280( 61

6.10. Por accidente se derrama etanol a un ri, la accin microbiana lo

degrada de acuerdo con la ecuacin de reaccin

O H COOOH H C 23222352

(a) Cuntos kilogramos de oxigeno se consumen en el proceso sise derramaron 500 Kg de etanol?


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(b) Cuntos kilogramos de CO2 se producen?

SOLUCION:

(a)

47.10432

2Im 232*52Im 23*46 521*52500

KgO

olO KgOOH H olC molO Kg OH H molC OH H KgC

(b)

52.9862

2Im244

*521

22*

46521

*52500

KgCO

olO KgCO

OH H molC molCO

Kg OH H molC

OH H KgC

6.12. El aire es una solucin compuesta principalmente por nitrgeno,

oxigeno y argon, con fracciones molares de0.781, 0.21 y 0.009,

respectivamente. Calcule las fracciones de masa de cada uno.

T Ar Ar

OO

t N N

mmW

mmW

mmW

/

/

/

22

22

Se sabe:

Ar O N T

T A A A

T A A

mmmm

n y M m

n yn

22

**

*

T T nm *948.28

Remplazando valores de m A y masa total e las ecuaciones anteriores.

%54.75.....%..........7554.0*948.28/*868.21 22 N T T N W nnW

%54.75.....%..........2321.0*948.28/*72.6 22 OT T O W nnW

%25.1.....%..........0125.0*948.28/*36.0 Ar T T Ar W nnW 6.14. Llene los espacios en blanco de la siguiente tabla.

SOLUCION:

Ion oCompuesto

mol / L meq / L ppm comoCaCO3

mg /L

Na+ 10 -3 1 8.69 23Fe+3 3.1*10 -3 9.3 310 173.6

(HCO) 3- 1.22*10 -3 1.22 122 106.14

SO -4 3.3*10 -4 0.67 33.3 32OCI - 5*10 -4 0.5 50 77.5


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Ejemplo muestra: PARA EL Fe +3

LmgFe

eqFe gFe

LmeqFe 3

3

33

6.1731

67.18*3.9

LmolFe

m gFemolFe

LmgFe 33

3

3

33

10*1.30031.01

10561

*6.173

L

mgCaCO

gFemolFe

gFe

gCaCO

LmgFe 3

3

3

33

3

310561

56

100*6.173

Para el resto de los elementos es similar, el procedimiento.6.16. Una planta de fundicin emite 1 tonelada mtrica de SO2, que se

transforma en H2SO4 en la atmsfera hmeda de acuerdo a las

reacciones

4222322

3222

SO H OSO H

SO H O H SO

Cuando cae al suelo con una precipitacin pluvial de 10mm sobre una

rea total de 400 Km2, que pH es de esperar en la lluvia a 25 C si el

nico componente adicional del pH se incorpora a los niveles

ambientales de CO2? Suponga disociacin total de H2SO4 y un pH de

5.6 para la lluvia normal con base a los niveles ambientales de CO2.

SOLUCION:Para una lluvia acida normal pH = 5.6

24242 SO H SO H

La emision de SO2 para una tonelada en gramos

2101

210*21 6

6

SOTN gSO

ToneladaSO

De la reaccin

421221

32

3222

SO H OSO H

SO H O H SO

De la disolucin: 24242 SO H SO H

4213312504214298

*21

421*

26421

*210 6 SO gH SOmolH SO gH

molSOSOmolH

gSOmolSO

gSO

Consideramos gases ideales: PV = nRT

Hallamos el volumen: V = 382091.875L


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Obtenemos de: molH SOmolS

molH SO gH SOmolH

SO gH 15626421

1*

4298

421*421331250

Calculamos la concentracin:

LmolH

CcH 87.38209115625

3883.10908933.01

log1

log H

pH

39.1 pH

6.18. Como jefe de control ambiental de una fundadora de Zinc y plomo usted

esta a cargo del control de la emisiones de lluvia acida. Dicho control se

consigue neutralizando el dixido de azufre que se extrae de las

chimeneas durante la operacin de fundicin.

(a) con base a la siguiente reaccin, Cuntos litros de Ca(OH)2 2M se

necesitan para neutralizar los 120 Kg de SO2 que se producen cada

da?

422232

3222

SO H OSO H

SO H O H SO

(b) si el hidrxido de calcio tiene una pureza de solo 95% en peso,

Cuntos kilogramos del mismo se deben diluir para preparar 100Lde la solucin 2M?

SOLUCION:

(a)

2)(75.1382)(12)(74

*21

2)(1*

26421

*2120 OH KgCaOH molCaOH KgCa

molSOOH molCa

KgSOmolSO

KgSO

2*2)(742)(75.138

* V OH KgCaOH KgCa

L M

w M

LV 9395.0

(b)

2)(1480

100*2)(742

OH KgCaw

OH KgCaw

Al 95% === 14000KgCa(OH)2*095

2)(14060 OH KgCaw


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6.20. Se ha analizado una muestra de agua obteniendo los siguientes

resultados:

CationCantidad

(mg / L)

Ca+2

Mg+2

Na+

104

38

19

Calcule el nmero de miliequivalentes por litro de cada cation, la dureza

total y la alcalinidad como mg/L de CaCO3.

SOLUCION:

Lmeq

Leq 3101 L

eqmeq 11 3

Lmeq Leq

L

mg Leq

Ca /52000522

1041.2

Lmeq Leq

eq g L g

mg g L

mg Ca /2.50052.0

/20/104.0

/10104

. 32

Lmeq Leqeq g L g mg g Lmg Mg /128.30031.0/18.12 /038.0/1038.32

Lmeq Leq

eq g L g

mg g Lmg

Na /826.0000826.0/23

/019.0/10

19. 3

6.22. Un anlisis de una muestra de agua proporciona los siguientes

resultados:

Alcalinidad total 72mg/L como CaCO3

Temperatura 25 C

pH 9.8

Calcule las alcalinidades de carbonato, bicarbonato e hidrxido.

SOLUCION:

O H

L

mol

O H

O H

310*585.1

103

3log8.9

10

9.8


7/16


8/16

Dixido de carbono (CO2) 8.8 mg/L

Bicarbonato de calcio [Ca(HCO3)2] 186.3 mg/L

Sulfato de calcio (Ca SO4) 81.6mg/L

La cal /Ca(OH)2)se usa para precipitar el CO2 y el Ca (HCO3)2, y la

sosa comercial para precipitar el sulfato de calcio de acuerdo con las

siguientes ecuaciones:

42)(3324

2)(322)(2)3(

2)(32)(2

SO Na ppt CaCOCO NaCaSO

O H ppt CaCOOH Ca HCOCa

O H ppt CaCOOH CaCO

Calcule la masa de cal y la sosa comercial necesaria para ablandar por

completo en teora 1 litro de esa agua.

SOLUCION:

O H ppt CaCOOH CaCO 2)(32)(2

8.1444

74*8.82)(OH mgCa

O H ppt CaCOOH Ca HCOCa 2)(322)(2)3(

84136

140*6.8132COmgNa

42)(3324 SO Na ppt CaCOCO NaCaSO

1.85162

74*3.1862)(OH mgCa

6.30. Un cilindro que contiene oxigeno a 20M Pa a 0 C podra explotar si la

presin pasa de 50 M Pa, Cual es la temperatura mxima (C) a la que

se puede almacenar este cilindro sin peligro, con un factor de

seguridad de 2.0?

SOLUCION:

Considerando volumen constante

T1 = 0 C = 273K ; P1 = 20MPa

P2 = 50MPa ; factor de seguridad = 2.0


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T2 = ?

Numero de moles no varia

Aplicando la ecuacin de los Gases Reales

PV = nRT

T

V P

T

V P 221

11 ..Si V = Cte.

20273*50

2T

C T 5.4092

6.32. Una muestra de 50 mL de oxigeno a una presin de 0.1 MPa se mezcla

con una muestra de 250 mL de nitrgeno a la misma temperatura y auna presin 0.0667 MPa. La mezcla se coloca en un recipiente de 150

mL, sin que la temperatura cambie. Calcule la presin parcial de cada

gas y la presin total del recipiente.

SOLUCION:

Considerando la Temperatura constante de 298 K Aplicando la ecuacin de los Gases Ideales:

mol RT

V pn OOO 002.0298*0821.0

05.0*98.0. 222

mol RT

V pn N N N 0067.0298*0821.0

25.0*66.0. 222

Calculamos presin total P T

15.0298*0821.0*0087.0)( 22

V RT nn P N OT


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atm P T 42.1

Calculamos las presiones parciales del oxigeno y del nitrgeno

T OO P y p .22

T N N P y p .22

atm pO 33.02

atm p N 09.12

6.34. Una muestra de 1.002 g de grafito (C) se quema totalmente en un

recipiente de acero que contiene 250 mL de oxigeno a una presin de

1.0 MPa a 27 C. calcule la fraccin molar de cada gas y la presin

total despus de la combustin: suponga que todos los gases y que la

temperatura aumenta 2.5 C.

SOLUCION:

Se tiene la reaccion:

22 COOC

Grafito (C) = 1.002 gramos

T = 27 C

VRECIPIENTE = VO2 = 250 mL = 0.25 L

Moles de grafito(C) = 0.0835

Moles de oxigeno, aplicamos la ecuacin:

P O2 = 1MPa = 9.87 atm

mol RT PV

nO 1.0300*0821.025.0*87.9

2

El reactivo limitante es el grafito, y una combustin completa:

Despus de la reaccin queda:

mol n

mol nmol n

T

O

CO

1.0

0165.00835.0

2

2

Hallamos las fracciones molares de los gases:

16.0

84.0

2

2

O

CO

y

y

Calculamos la presion total ( P T) del recipiente:

25.0)5.2300(*0821.0*1.0

V nRT P T


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atm P T 93.9

6.36. La digestin anaerobia de un residuo industrial, que es principalmente

acido actico, produce dixido de carbono y metano gaseosos. Calcule

el volumen de CO2 y de metano que se produce diariamente a 20 Cpara una produccin diaria de residuos equivalente a 500 kg de

CH3COOH.

SOLUCION:

Se tiene la reaccin :

423 CH COCOOH CH

T = 20 C

500 Kg CH3COOH = 8333.33 mol CH3COOHSegn la reaccin se tiene: 1mol de CH3COOH, produce 1 mol de

CO2 Y 1 mol de CH4

Por PV = nRT tenemos:

Latm

V O 7.2004601293*0821.0*33.8333

2

Latm

V CH 7.2004601293*0821.0*33.8333

4

6.40. En la situacin que se describe el problema 6.39, suponga que una sola

fabrica es la causante de la emisin del contaminante, y que la

eficiencia global de la planta para la eliminacin de este material es de

60%. Si el flujo residual promedio que sale de la fabrica es 0.05 m3/seg.,

entonces sin tomar en cuenta los volmenes que se quitan alas flujos

(por ejemplo, en los slidos, etc.,) cual es la concentracin mxima del

contaminante, en mg/L, que se puede descargar al sistema de

alcantarillado.SOLUCION: Realizamos el balance de materia:

Del problema (6.39), C i = 1.169 mg/L

Aplicamos la formula:


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100

100 EficienciaC C ie

Lmg C e /4676.0100

60100169.1

En la ecuacin de balance de materia, se tiene:

Base de clculo 1dia:

eC Lmg

Lmg

m Lmg

m *)5.222()4676.0(*)05.0()4.0(*)210( 33

Lmg C e /377.0

6.42. Un esperador que trabaja por gravedad recibe 30,000 galones por da de

lodos de aguas residuales y aumenta el contenido de slidos de 3.0 a

7.0% con una recuperacin del 90% de los slidos. Calcule el volumen

de lodos espesados.

SOLUCION:

De un balance de materia: de slidos

ENTRADA = SALIDA

R = L + E

Base de clculo para un da:

333

3

*10*901

5.4*30000*10*10

10*70*30000*1

5.4

Q Lmg

gal L

gal Lmg

Lmg

gal gal

L

dia LQ /600003 ; Q = V / t ; t = 1 d a


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LV 60000

6.46. Se lleva acabo una reaccin qumica en un RTCM. El componente A se

trasforma en el producto C, y la ecuacin de velocidad se informa como

s Lmol Ar A ./15.0 (a) calcule el volumen necesario para una conversin del 90% de A para un

gasto volumtrico de 100 L/seg., suponiendo que [A 0] = 0.1 mol/L.

(b) despus de que ha completado el diseo, el ingeniero averigua que se

ha cometido un error en el orden de la reaccin, la cual resulta ser de

orden cero, y la ecuacin correcta es

s Lmol r A ./15.0 Cul ser el efecto de esto en el diseo?

SOLUCION:

(a) en un RTCM C A

Aplicando la ecuacin:

Q A

V r A A A

00

.1 y por dato

01.0

.0 A

X A A A O

Despejando volumen tenemos:

100*

01.0*15.01.001.0

.0

V Q

r

A AV

A

LV 6000

(b) si la reaccione es de orden cero

El volumen seria:

Q

r

A AV

A

.0

100*

15.01.001.0

V LV 60

En un error de diseo de volumen de 5940 L.

6.48. Una reaccin en fase liquida se llava a cabo en dos reactores RTCM que operan enestado estacionario en paralelo y a la misma temperatura. Un reactor es dos vecesms grande que el otro. La corriente de alimentacin total se divide de maneraapropiada entre ambos para conseguir la misma conversin fraccionaria del reactivo,que es de 0.70. Es necesario retirar de servicio el reactor ms pequeo pararepararlo. Si la velocidad de alimentacin total no cambia, cual es la conversinfraccionaria resultante en el reactor ms grande? Suponga que la reaccin es de

primer orden.

SOLUCION:


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Se tiene la ecuacin PARA UN RTCM, de prior orden

Q A

V r A A A

00

.1 . (1) )1(*0 X A A

De la condicin inicial calculamos para el reactor pequeo:

V = 1V; Q = 1Q; X = 0.7

Remplazando en EC. (1)

33.27.017.0

1 X X

QkV

Ahora calculamos en las condiciones finales:

V = 3V; Q = 4Q; X = ?

De la ecuacin (1)

X X

QkV

143

* X

X 14

3*33.2

Desarrollando tenemos:

64.0 X

6.50. Una reaccin en fase liquidase lleva acabo en un reactor intermitente a

temperatura constante. Se alcanza una conversin del 50% en 20

minutos cuanto tiempo tomara alcanzar la misma conversin (a) en

RTFT; (b) en un RTCM?

SOLUCION:

T = Cte; X = 50 %; T = 20 min.


15/16

(a) en un RTFT, cal calculamos el valor de k

Se tiene la ecuacin: para una reaccin de 1er orden

A

A Lnkt 0 ;

5.0*

.

0

0

A A

X A A A O

min201

*5.0*

0

A A

Lnk ; 1min035.0k

El tiempo seria el mismo, t = 20 min .

(b) en un RTCM

k A

At

1*10

035.0

1*1

5.0*0

0

A

At min57.28t

6.52. Se inyectan burbujas de aire de 100 (mu) de dimetro por la entrada inferior de unRTFT de 1m de profundidad, a travs del cual fluye agua a 20 C con un tiempo deretencin de 4 min.(a) alcanzaran las burbujas de aire la superficie del agua antes que el agua sederrame por la salida del tanque?

(b) dibuje la curva de salida del trazador para el RTFT y anote todos los parmetrossuponga una alimentacin continua de trazador y un comportamiento de flujo ideal.SOLUCION:

(a).

18. 2 P P

t

d g . (1)

Datos:


16/16

sm Kg

sm g

m Kg

m Kg P

./10*1

/8.9

3/998

3/204.1

3

2

Remplazando valores en la ecuacin (1)

)10*1(18

)10*100(*8.9*998204.13

26

t

seg mt /10*43.53

Aplicamos la ecuacin:

t t

et t e

me 1

seg seg m

mt 16.184

/10*43.51

3

.min07.3t Como el tiempo de llegada de las burbuja de aire es menor que el tiempo deresidencia; entonces si las burbujas de aire llegaran a la superficie delliquido, antes de que el liquido salga del estanque.

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