Przykłady obliczeń z zakresu statyki i kinetyki przemian substancji w środowisku wodnym.doc

(2714 KB) Pobierz
Zadanie 1

WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA

Politechniki Krakowskiej

im. Tadeusza Kościuszki

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Andrzej Bielski

 

 

Przykłady obliczeń z zakresu statyki i kinetyki  przemian substancji w środowisku wodnym

 

 

Kierunek studiów: Inżynieria Środowiska

Moduły: Ochrona Wód

                                                                        Procesy w środowisku wodnym

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Kraków 2009

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W skrypcie zaprezentowano obliczenia z zakresu statyki i kinetyki przemian substancji występujących w wodach naturalnych z uwzględnieniem procesów dyfuzji, adwekcji i dyspersji masy. Przykłady obliczeń stanowią materiał uzupełniający do modułów „Procesy w środowisku wodnym” i „Ochrona wód” wykładanego na kierunku Inżynieria Środowiska w Politechnice Krakowskiej.

Skrypt przeznaczony jest dla studentów inżynierii środowiska i kierunków pokrewnych. Może być również przydatny pracownikom ośrodków naukowych, biur projektów oraz osobom interesującym się zagadnieniami ochrony środowiska.

Następne wydania będą uzupełniane nowymi przykładami z zakresu: przemian i transportu zanieczyszczeń w stanach nieustalonych, dynamiki procesów, absorpcji, adsorpcji, przemian i transportu substancji w wodach podziemnych, optymalizacji strumieni zanieczyszczeń wprowadzanych do wód powierzchniowych, filtracji, a także wyznaczania izochron dla ujęć wód podziemnych.

Obliczenia, dotyczące zwłaszcza równowag chemicznych, prowadzone będą z dużą dokładnością aby możliwe było sprawdzenie poprawności równań i wyników. Szczególnie istotna jest duża dokładność przy sprawdzaniu bilansów masy i ładunków. Znaczna rozpiętość rzędów wartości stężeń składników roztworu wymaga obliczeń, w których liczby reprezentowane są przez nawet dziesięć cyfr znaczących. Z punktu widzenia użyteczności  wyników obliczeń chemicznych dokładność 3 – 4 cyfr znaczących jest wystarczająca.

W zadaniach zapis [H2CO3] należy traktować jako sumę stężeń hydratowanego dwutlenku węgla CO2(aq) i niezdysocjowanego kwasu węglowego H2CO3 o ile nie zaznaczono w tekście inaczej.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Spis treści:                                                                                                                                        str.

 

Równowagi węglanowe (zadania: 1, 2, 3a, 3b, 3c, 3d)                                                                      8

 

Równowaga kinetyczna procesu (zadanie 4)                                                                                     37

 

Biochemiczne utlenianie związków organicznych, absorpcja

tlenu z atmosfery (zadania: 5¸6)                                                                                                                 43

 

Minima lokalne stężeń tlenu (zadania: 7¸8)                                                                                                   48

 

Biochemiczne utlenianie związków organicznych, absorpcja tlenu z atmosfery,

fotosyntetyczna produkcja tlenu, obszarowy dopływ zanieczyszczeń,

minima lokalne stężeń tlenu (zadanie 9)                                                                                                   54

 

Model Monoda przemian zanieczyszczeń (zadanie 10)                                                                        63

 

Biochemiczne utlenianie związków organicznych, absorpcja tlenu z atmosfery,

dopływ zanieczyszczeń obszarowych, ilość zużytej lub wydzielonej

substancji w danym procesie (zadania: 11¸12)                                                                                      69

 

Fotosynteza, równowaga termodynamiczna składników

gazowych układu woda – powietrze atmosferyczne,

równowagi węglanowe (zadania: 13¸14)                                                                                                   73

 

Obieg fosforu (zadanie 15)                                                                                                                                82

 

Nitryfikacja, równowagi węglanowe (zadanie 16)                                                                                      85

 

Biochemiczne utlenianie związków organicznych, nitryfikacja, denitryfikacja,

absorpcja tlenu z atmosfery, zużycie tlenu (zadanie 17)                                                                        89

 

Biochemiczne utlenianie związków organicznych, kinetyka przemian dla układu

kwas węglowy – woda (zadanie 18)                                                                                                                 101

 

Procesy przebiegające w osadach dennych,

dyfuzyjny transport masy (zadania: 19¸21)                                                                                                   112

 

Dyspersyjny transport masy, kaskada zastępcza (zadania: 22¸24)                                            121

Dopływ wód podziemnych do studni (zadanie 25)                                                              138

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wykaz ważniejszych oznaczeń

 

(uwaga: niektóre takie same oznaczenia mogą

mieć różne znaczenie w różnych przykładach)

 

Alfabet łaciński:

 

[a] – stężenie substancji o nazwie „a” [g/dm3], [mol/dm3] lub współczynnik

         piezoprzewodności [m2/s]

as – współczynnik przewodności stanów [m2/s]

A* - powierzchnia normalna do kierunku dyfuzji [m2]

a, b, A, B – stałe, chyba, że w tekście podano inaczej

Ax – powierzchnia przekroju poprzecznego koryta cieku w przekroju x [m2]

B – wartość całkowitego biochemicznego zapotrzebowania tlenu [g O2 BZTC/m3]

Br - wartość całkowitego biochemicznego zapotrzebowania tlenu w stanie równowagi         kinetycznej procesu [g O2 BZTC/m3]

C* , C* - stężenie na granicy faz [g … /m3]

C, C – stężenie [g/dm3], [mol/dm3], stężenie węgla nieorganicznego [g C/m3]

C~ - stężenie w rdzeniu fazy [g … /m3], w głębi fazy

c – stężenie [g/dm3], [mol/dm3]

C…,d – stężenie substancji w dopływie obszarowym [g … /m3]

CB… ,  CBZTc… - wartość całkowitego biochemicznego zapotrzebowania tlenu [g O2 BZTC/m3]

CBZT5… - wartość 5- dobowego biochemicznego zapotrzebowania tlenu [g O2 BZT5/m3]

Cq – stężenie dla źródła punktowego [g … /m3]

CT* – stężenie tlenu w stanie równowagi termodynamicznej dla układu woda – powietrze               [g O2 /m3]

CT… – stężenie tlenu [g O2/m3]

Cwo – stężenie węgla nieorganicznego [mol C/dm3]

Cso – stężenie siarki nieorganicznej [mol S/dm3]

D – współczynnik dyspersji wzdłużnej [m2/s]

D* , D*... - współczynnik dyfuzji w warstwie bentosowej [m2/s]

E – stała w prawie Raoulta [mmHg]

f – nazwa funkcji

F – nazwa funkcji

h – głębokość fazy wodnej, rzędna swobodnego zwierciadła wód gruntowych  [m]

H- głębokość, rzędna napiętego zwierciadła wód gruntowych  [m]

Hśrd , – średnia głębokość [m]

H - stężenie jonów wodorowych [mol/dm3]

I – natężenie promieniowania fotosyntetycznie aktywnego [kcal/m2 d)]

Ir – iloczyn rozpuszczalności [mol2/dm6]

Iw – iloczyn jonowy wody [mol2/dm6]

Ix – nachylenie zwierciadła wód gruntowych

k – współczynnik filtracji [m/s]

k – stała szybkości procesu [d-1], np.: stała szybkości biochemicznego utleniania

k- - stała szybkości procesu przebiegającego w lewo

k* - stała szybkości absorpcji tlenu z atmosfery przez wodę [d-1]

k+ - stała szybkości procesu przebiegającego w prawo

K - stała Michaelisa - Menten dla substancji opisanej indeksem dolnym [g/m3]

k - wyrażenie funkcyjne, stała szybkości procesu

K1 – stała reakcji chemicznej dla I stopnia dysocjacji kwasu węglowego [mol/dm3]

k1 – stała szybkości biochemicznego utleniania [d-1]

k1 , k2 , k3 ,  - stałe szybkości procesu dotyczące obiegu fosforu [d-1]

K2 – stała reakcji chemicznej dla II stopnia dysocjacji kwasu węglowego [mol/dm...

Zgłoś jeśli naruszono regulamin