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Ch.3 환경화학과 환경기초계산

Ch.3 환경화학과 환경기초계산. ( 계의 경계 ). 계. ( 유출 ). ( 유입 ). 3.2 환경화학 양론. 1. 물질수지와 반응 어떤 공정의 물질수지란 주어진 조작 시간 동안 , 공정에 들어간 물질 , 나간 물질 , 쌓인 물질 혹은 생겼거나 없어진 물질 등 모든 물질에 대한 정확한 수지계산을 말함 . 물질수지는 어떤 일정하게 정의된 계 (System) 와 그 주변 사이의 물질의 주고받음 사이에서 이루어지기 때문에 계에 대하여 알아야 한다 .

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Ch.3 환경화학과 환경기초계산

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Presentation Transcript

  1. Ch.3환경화학과 환경기초계산

  2. (계의 경계) 계 (유출) (유입) 3.2 환경화학 양론 • 1. 물질수지와 반응 • 어떤 공정의 물질수지란 주어진 조작 시간 동안, 공정에 들어간 물질, 나간 물질, 쌓인 물질 혹은 생겼거나 없어진 물질 등 모든 물질에 대한 정확한 수지계산을 말함. • 물질수지는 어떤 일정하게 정의된 계(System)와 그 주변 사이의 물질의 주고받음 사이에서 이루어지기 때문에 계에 대하여 알아야 한다. • 또한 물질의 기본이 되는 질량은 질량불변의 법칙에 의하여 변하지 않기 때문에 정량적으로 해석된다.

  3. 계(System)의 종류

  4. 공정과 공정상태의 종류

  5. 물질수지

  6. 물질수지의 해석 • 물질수지의 해석을 위해서는 먼저 물질 수지 식을 세우고 다음의 단계에 의하여 문제를 검토하여 해석하여야 한다. 1단계 : 문제의 의미를 파악한다. 2단계 : 흐름 도를 그리고 유입량과 유출량을 표시한다. 3단계 : 각 흐름의 유량을 파악한다. 4단계 : 화학반응이 일어나면 반응식을 세운다. 5단계 : 계산의 기준을 가정한다. 6단계 : 계산식을 세우고 문제를 해석한다. 물질보존의 법칙을 적용하면 Input - Output + Generation - Consumption = Accumulation 만약   생성이나 소멸이 없다면    Input - Output  = Accumulation 또한 축적이 없다면    Input = Output    [유입 = 유출]  과 같이 된다.

  7. 예제1 pp.81 예제 1) 혼합 :진한 황산에 물을 가하여 묽은 황산을 만들려고 한다.다음 물질 수지 도를 보고 필요한 물의 양과 생성 양을 구하여라. 풀이> Basis : Feed, c-H2SO4 100 kg/s ★ 총괄 수지 식F + W = P 100 + W = P ............... ① ★ 성분 수지 식 F․xi, j + W․xi, j = P․xi, j H2SO4 ⇒ F(0.98) + W(0) = P(0.4) ............... ② H2O ⇒ F(0.02) + W(1) = P(0.6) ............... ③ 식 ①, ②, ③ 에서 (참고) 성분1 : F x 1,1 + W x2,1= P x3,1 성분2 : F x 1,2 + W x2,2= P x3,2

  8. 순환공정 • Recycle: 수율과 생성물의 순도를 높이고 미반응물의 재사용과 반응에 필요한 열량의 보존의 목적 • By-pass: 단계를 건너 뜀 • Purge: 비활성물질 등의 축적을 막기 위해서 방출 • 다중공정 • 다중장치 공정의system 구성은 전체공정: 1,부분공정: 2, 3, 4, 5로 되어 있다. • 물질수지 해결방법은 전체공정의 수지 식 (총괄 및 성분 수지 식)과 각 부분공정에 대한 물질수지 식을 세워 수학적으로 해결 한다.

  9. 에제 4 pp.83 • 다음 공정에 주어진 물질 양을 이용하여 처리되는 슬러지 양을 계산하여라.

  10. 물질수지의 응용

  11. C0 기울기 = -k C(농도) t(시간) 반응속도 방정식 • 반응속도 방정식 • n= 0 : 0차 반응 (zero-order reaction) • n=1 : 1차 반응 (first-order reaction) • n=2 : 2차 반응 (second-order reaction) • 0차 반응의 경우

  12. C0 C(농도) t(시간) • 1차 반응의 경우

  13. 회분식 반응조의 농도계산식 유도

  14. 압출형 반응조(PFR)의 농도계산식 유도 • 유입량 –유출량 ± 반응량 = 축적량 = 0 • 유입량은 QC, 유출량은 Q(C+ㅿC), 반응량은 반응차수별로 대입 • 축적량은 0

  15. 완전혼합조(CFSTR: Continuous Flow Stirred Tank Reactor)의 농도계산식 • 반응이 일어나지 않는 경우 농도계산 식 • 반응이 일어나지 않기 때문에 다음과 같은 반응 조 에서의 농도계산식을 이용할 수가 있다. • V × (dC/dt) = Q×Co - Q×C + V×{ - k×Cn }에서 • V × (dC/dt) = Q×Co - Q×C 이므로 • Co = 0이라고 하면 결과적으로 다음 식을 얻을 수 있다. • dC/dt = - (Q/V) × dt

  16. 비보존성 오염물의 물질수지 (예제) 부피가 500m3인 술집에 50명의 흡연자가 있으며 시간당 2개의 담배를 피운다. 흡연시 한 개의 담배당 1.4mg의 포름알데히드 (formaldehyde, HCHO)를 방출하고 포름알데히드는 1차 반응속도상수 k=0.40/hr를 가지고 이산화탄소로 변환된다. 술집에 신선한 공기가 1000m3/hr로 들어오고 오염된 공기도 같은 속도로 배출된다. 완전한 혼합을 가정하고 정상상태에서의 공기 중 포름알데히드의 농도를 계산하라. (예제) 유입속도 = 흡연자 50명 x 2개비/시간 x 1.4mg/개비 = 140 mg/시간 배출속도 = 1000 m3/hr x C (mg/m3) = 1000C mg/hr 소멸속도 = 0.40/hr x Cmg/m3 x 500 m3 물질수지에 따라 유입속도 = 유출속도 + 소멸속도 140 = 1000 C + 200 C C= 0.117 mg/m3 부피 = 500 m3 1000 m3/hr 신선한 공기 1000 m3/hr C=? 140 mg/hr

  17. 반응이 일어나지 않는 경우 농도계산 식 • 반응이 일어나지 않기 때문에 다음과 같은 반응 조 에서의 농도계산식을 이용할 수가 있다. • V × (dC/dt) = Q×Co - Q×C + V×{ - k×Cn }에서 • V × (dC/dt) = Q×Co - Q×C 이므로 • Co = 0이라고 하면 결과적으로 다음 식을 얻을 수 있다. • dC/dt = - (Q/V) × dt

  18. 3.5 환경측정의 단위 • 공학이나 기술 등에서 양을 나타내거나 변화를 말하려고 할 때 차원과 단위를 사용한다. • 길이, 시간, 온도 등과 같이 측정할 수 있는 값으로 측정의 기본이 되는 개념을 차원(dimension ) 이라고 한다. (즉 각 기본개념은 한 개의 차원이 된다.) • 차원의 크기를 구체적으로 나타내기 위한 방법으로 단위(unit ) 를 사용하게 되는데 단위는 하나의 약속이다.

  19. 기 본 량 SI 기 본 단 위 명 칭 기 호 길 이질 량시 간전 류열역학적 온도물 질 량광 도 미 터킬로그램초암 페 어켈 빈몰칸 델 라 mkgsAKmolcd 유 도 량 SI 유 도 단 위 명 칭 기 호 넓 이부 피속력, 속도가 속 도파 동 수밀도, 질량밀도비(比) 부피전류 밀도자기장의 세기(물질량의) 농도광 휘 도굴 절 률 제곱 미터세제곱 미터미터 매 초미터 매 초 제곱역 미터킬로그램 매 세제곱 미터세제곱 미터 매 킬로그램암페어 매 제곱 미터암페어 매 미터몰 매 세제곱 미터칸델라 매 제곱 미터하나 (숫자) m2m3m/sm/s2m-1kg/m3m3/kgA/m2A/mmol/m3cd/m21(가) SI (International System of Unit) • 국제단위계

  20. 절대단위계: 힘을 SI 단위계로 표시 • 중력단위계: 무게단위로 힘을 나타내는 단위계이며 질량 1 ㎏을 저울에서 무게로 달면 실제로는 뉴턴의 운동 제2법칙에 따라 중력가속도9.8m/sec2 이 작용 하여 SI 단위계로 9.8m/sec2, 즉 9.8 뉴턴의 힘이 작용하지만 관습상 무게로 1㎏이라고 측정하는 것을 정하여 중력가속도환산계수 gc를 나누어줘서 1 kgf로 표시하는 방법이다.

  21. 단위의 환산 • 예제) 비행기가 2200 ft/s의 속도로 날아가고 있다. 이 비행기의 비행속도를 km/hr단위로 나타내어라. • 풀이)

  22. 농도단위 • 백분율농도: 다음과 같은 4가지의 농도가 있다. • v/v %농도 : 용액 100ml에 녹아 있는 용질의 ml수 • w/w %농도 : 용액 100g속에 녹아 있는 용질의 g수 • w/v %농도 : 용액 100ml속에 녹아 있는 용질의 g수 • v/w %농도 : 용액 100g속에 녹아 있는 용질의 ml수 • ppm 농도 (parts per million) • 어떠한 용액 1L 에 어떠한 용질이 몇mg이 녹아 있는가를 1ppm 이라고 한다 (단 비중이 1인 경우) • 비중이 1이 아닌 경우 변환하여야 한다 그러나 mg/l는 대부분 그냥 씀 • 단순히 10-6을 의미하기도 한다 • ppb 농도 [parts per billion] • ppb 농도 = ppm 농도×1,000 • μg/l, mg/m3

  23. 액체 (무게비로 표현) • 1 mg/l = 1 g/m3 = 1 ppm (parts per million; 백만분의 일) • 1 μg/l = 1 g/m3 = 1 ppb (parts per billion; 십억분의 일) • 기체 (부피비로 표현) • 기체 1ppm (ppmv) = 1부피의 기체상 오염물질/106부피의 공기 • 기체 1%= 10,000 ppm • ppm을 mg/m3으로 표현할 경우 (@ 0 oC and 1 atm) (@ 25 oC and 1 atm)

  24. 몰 농도 (Molarity :M) • 용액1ℓ에 들어 있는 용질의 몰수를 말하며, M 또는 mol/ℓ로 나타낸다. • 몰랄 농도 (molarity :m) • 용매1,000g 속에 녹아 있는 용질의 몰수를 말하며, m 으로 표시한다. • 노르말 농도 (Normal : N) • 용액 1ℓ속에 녹아 있는 용질의 g 당량 수로 나타내며, N으로 표시한다.

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