TECHNOLOGIA CHEMICZNA I ZAGROŻENIA CHEMICZNE W ŚRDOWISKU PRACY - ODPOWIEDZI NA PYTANIA TESTU B

1. Podaj definicje stężenia procentowego ( masowego ) i wzór.

Stężenie procentowe to liczba masowa substancji rozpuszczonej w 100 jednostkach masowych ROZTWORU! ( suma substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika).

• stężenie %

M_s - masa substratu [ g, kg ]

M_roztw - roztworu [ g, kg ]

M_rozp - roztworu [ g, kg ]

M_roztw = M_s + M_rozp

Stężenie molowe to liczba moli substancji rozpuszczonej, zawartej w 1 dm³ roztworu.

• stężenie molowe

n - ilość moli

V - obj. roztw. [dm³]

Ms - masa subst.[g]

2. Wymień i opisz zasady technologiczne, które stosuje się przy projektowaniu procesu technologicznego.

Są trzy zasady technologiczne przy projektowaniu procesu :

1. Zasada najlepszego wykorzystania surowców - jedno z głównych kryteriów wyboru procesu technologicznego. Ale nawet po dokonaniu wyboru procesu możemy optymalizować zużycie surowców poprzez następujące techniki :

• Technika przeciwprądu materiałowego stosowana jest w operacjach jednostkowych przebiegających w układach w których występuje granica rozdziału faz. Gdy w stykających się fazach pewien składnik ma różne stężenia dąży on do ich wyrównania. Ilość przeniesionej masy jest wprost proporcjonalna do różnicy stężeń w obu graniczących fazach. Technika ta może dotyczyć również innych parametrów fizyko-chemicznych np. temperatury.

• Maksymalne wykorzystanie produktów ubocznych - należy tak dobierać surowce i surowce dodatkowe aby otrzymywać przydatne produktu uboczne i jak najmniej odpadów.

• Indywidualne regulowanie procesów głównych i ubocznych - jeżeli obok reakcji głównej przebiegają reakcje uboczne należy tak dobierać parametry procesu aby osiągnąć możliwie największą szybkość reakcji głównej nie zwiększając prędkości reakcji ubocznych.

• Regeneracja materiałów - należy tak ustawić ciąg produkcyjny, aby uwzględnić regenerację surowca pomocniczego, który potem zawracamy do procesu głównego uzupełniając jedynie jego straty.

• Zasada najlepszego wykorzystania energii - również w znacznym stopniu decyduje o opłacalności metody technologicznej. Stopień i racjonalność wykorzystania energii ocenia się na podstawie bilansu energetycznego. Jest on oparty na obliczeniach stechiometrycznych, termochemicznych i termodynamicznych z uwzględnieniem współczynników wydajności, określających stopień przereagowania substratów znanych a bilansu materiałowego. Realizuje się powyższą zasadę poprzez następujące techniki:

• Odzyskiwanie ciepła - kiedy w różnych miejscach procesu są przeciwstawne potrzeby ( chłodzenie i grzanie) należy tak go ustawić aby bezpośrednio bądź za pomocą wymienników ciepła wykorzystać istniejące zasoby.

• technika przeciwprądu cieplnego - technika analogiczna do techniki przeciwprądu materiałowego. Oparta jest ona na zasadzie, że ilość ciepła wymienionego przez jednostkę powierzchni w jednostce czasu jest wprost proporcjonalna do różnicy temperatur między fazami wymieniającymi ciepło.




T I T II



a


a












b b





długość wymiennika długość wymiennika

• wielokrotne wykorzystanie ciepła w procesie - przykład to wyparka wielodziałowa z której opary z jednego działu ogrzewają przeponowo dział następny. Często jednak w tej technice istnieje problem spadku temperatury, który rozwiązuje się stosując szereg odbieralników ciepła o coraz niższych temperaturach, bądź podwyższając temperaturę odpadkowego nośnika ciepła dostarczając dodatkową energię.

• Zasada najlepszego wykorzystania aparatury - bardzo ważna aby stworzyć produkt możliwie najmniejszym nakładem kosztów. Amortyzacja aparatury w znacznym stopniu obciąża zakład a tym samym rzutuje na cenę produktu. Zasadę tą realizujemy stosując następujące techniki :

• Maksymalne oddalenie od stanu równowagi - każdy proces chemiczny i fizyczny przebiega tym szybciej im jest większa ujemna wartość potencjału termodynamicznego. Należy rozpoznać czynnik decydujący o szybkości sumarycznej procesu ( może to być np. tempo reakcji chemicznej, dyfuzja, wymiana ciepła) i zapewnić jego optymalną wielkość.

• Utrzymywanie obiegu kołowego - technikę tę stosuje się często gdy stan równowagi jest niekorzystny dla procesu. Przerywa się reakcję wtedy kiedy prędkość procesu jest jeszcze duża, wyprowadza reagenty z reaktora i wydziela produkt, po czym ponownie zawraca się pozostałą mieszaninę substratów do reakcji. Taki obieg kołowy pozwala na zachowanie dużej szybkości reakcji i wysoką wydajność aparaturowa procesu. Stosuje się ją w syntezach prowadzonych pod wysokim ciśnieniem, gdzie koszty aparatury są szczególnie wysokie. Np. synteza amoniaku z azotu i wodoru.

• Utrzymywanie maksymalnej temperatury w reakcjach, w których temperatura odgrywa rolę decydującą o jej szybkości. Ograniczeniem może być przesuwanie się stanu równowagi w niepożądanym kierunku, występowanie reakcji ubocznych lub koszty aparatury przystosowanej do wysokich temperatur.

• Maksymalne rozwinięcie powierzchni zetknięcia się faz - stosowana w układach dwu i wielofazowych, gdzie o sumarycznej szybkości procesu decyduje dyfuzja reagentów lub ciepła między fazami. Ilość dyfundujących reagentów lub przechodzącego ciepła zależy wprost proporcjonalnie od wielkości powierzchni między fazami. Np. rozdrabnia się materiały przed procesem ługowania, stosuje się porowate materiały, o dużej powierzchni czynnej w reakcjach z katalizatorami itp.

• Utrzymywanie maksymalnych prędkości ruchu faz względem siebie - np. mieszanie przyspiesza rozpuszczanie ciał w cieczach, szybciej ogrzejemy ciecz przepuszczając ją z dużą prędkością przez zespoły rur, zamiast powolnego przepływu przez wszystkie rury równocześnie.

• Ciągłość pracy - wynika z racjonalnych zasad organizacji procesu. Nie marnuje się wówczas części cyklu produkcyjnego na czynności rozruchowe i kończące proces.

3. W jaki sposób oblicza się rzeczywistą wydajność procesu technologicznego. Jakie czynniki uwzględnia się przy obliczaniu wydajności rzeczywistej w stosunku do wydajności teoretycznej. Rzeczywista wydajność procesu technologicznego W_rz jest obliczana jako iloczyn wydajności teoretycznej W_teor obliczonej na podstawie równań stechiometrycznych i współczynników wydajności Q<1.

W_rz = W_teor x Q_a x Q_b x Q_c x Q_s x Q_p

Gdzie :

Qa - współczynnik wydajności odwracalności reakcji

Qb - współczynnik wydajności powolności przebiegu reakcji

Qc - współczynnik wydajności udziału substratów w reakcjach ubocznych

Qs - współczynnik strat systematycznych

Qp - współczynnik strat przypadkowych

W bardziej skomplikowanych przypadkach, gdy w procesie stosuje się zawracanie półproduktów do wcześniejszych operacji i gdy prowadzi się procesy z obiegiem sporządza się tzw. wykresy strumieniowe przedstawiające ilościowo np. na 1 tonę produktu przepływy materiałów w procesie.

4. Jakie własności fizyko-chemiczne substancji są istotne przy jej rozprzestrzenianiu się w środowisku pracy. Co to jest prężność pary, w jakich jednostkach się ją wyraża i jak się ją wyznacza?

Substancje chemiczne występujące w środowisku pracy dzielimy na:

1. materie nieorganiczną:

• pierwiastki chemiczne,

• związki chemiczne,

• materie organiczna :

- związki chemiczne.

Ze względu na postać występującą w powietrzu, substancje dzielimy na:

1. gazy,

2. pary,

3. aerozole:

• pyły,

• mgły,

4. substancje smoliste.

Postać w jakiej substancje występują w środowisku pracy głównie zależy od ich stanu skupienia, od stopnia rozdrobnienia, od prężności pary w danych warunkach, temperatury wrzenia, topnienia, lotności, rozpuszczalności w wodzie, składu chemicznego i innych fizyko-chemicznych cech.

Prężność pary substancji jest definiowana jako ciśnienie pary nasyconej nad stałą lub ciekłą substancją. Jednostką ciśnienia w układzie SI jest Pascal (Pa). Prężność pary jest wielkością parametryzującą przemiany fazowe ciecz-gaz i ciało stałe-gaz, i razem z rozpuszczalnością substancji w wodzie stanowi podstawowy parametr do obliczania stężenia substancji w powietrzu.. Nie ma jednej metody pomiarowej wyznaczania prężności pary dla całego zakresu ciśnień.

1. metoda izoteniskopu:

Prężność pary substancji w wybranych temperaturach jest równoważona przez ciśnienie gazu obojętnego. Ta metoda nie jest przydatna do substancji wieloskładnikowych. W przypadku badania cieczy, ta sama substancja może służyć jako wypełnienie różnicowego manometru. Bańkę z próbką ostrożnie ogrzewa się na małym płomieniu aż wydostające się pary próbki zajmą wystarczającą objętość przesuwając część próbki z górnej części bańki i ramienia manometru, tworząc wypełniona parą, wolna od azotu. Gdy aparat zostanie napełniony, umieszcza się go w kąpieli o regulowanej termostatem temperaturze i ustala się ciśnienie azotu aż do osiągnięcia równowagi próbki. W stanie równowagi, ciśnienie azotu jest równe prężności pary substancji.

2. metoda statyczna

Wyznacza się w niej prężność pary w stanie równowagi termodynamicznej, w określonej temperaturze. Metoda ta jest odpowiednia dla jedno jaki i wieloskładnikowych substancji stałych i ciekłych w zakresie 10 Pa do 10⁵ Pa oraz w zakresie od 1 do 10 Pa, jednak przy zachowaniu szczególnej uwagi. Aparatura składa się z kąpieli o stałej temperaturze ( dokładność
0,2 K ), z naczyńka na próbkę podłączonego do przewodu próżniowego, z manometru i układu do regulacji ciśnienia. Komora z próbką podłączona jest do próżni przez zawór i manometr różnicowy ( U-rurka zawiera odpowiednią ciecz manometryczną - rtęć, silikony, ftalany - uzależnione jest to od zakresu ciśnienia i chemicznych właściwości badanej substancji; badana substancja nie może rozpuszczać się lub reagować z cieczą w U-rurce ), który służy jako wskaźnik zera. Zamiast U - rurki można zastosować manometr ( stosuje się rtęć w zakresie ciśnienia od normalnego w dół do 10² Pa, ciecze silikonowe i ftalanowe dla ciśnień poniżej 10^-1 Pa ). Temperaturę mierzymy na zewnętrznej ściance z próbką lub w samym naczyniu.

5. Wyjaśnić pojęcie dozymetrii indywidualnej. Jak się oblicza wskaźnik narażenia przy dozymetrii indywidualnej.

Dozymetria indywidualna to rodzaj strategii pomiarowej na stanowiskach pracy. Polega ona na pobieraniu próbek powietrza zgodnie z ustalonymi w PN następującymi zasadami:

• próbnik lub głowicę pomiarową należy umieścić w strefie oddychania pracownika,

• czas pobierania próbki nie może być krótszy niż 5 minut,

• w przypadku uzyskania wyników niższych od oznaczalności metody do obliczeń należy przyjmować liczbę równą ½ wartości stężenia które można oznaczyć daną metodą,

• ocena narażenia zawodowego powinna obejmować wszystkie podstawowe grupy pracowników zatrudnionych przy pracach z substancjami szkodliwymi. Jeżeli liczebność poszczególnych grup wynosi od 1 do 6 pracowników na jednej zmianie, należy przeprowadzić ocenę narażenia wszystkich ich przedstawicieli, jeżeli liczba osób w grupie jest większa niż 6, należy przeprowadzić ocenę narażenia dla co najmniej 6 osób,

• jeżeli istnieje uzasadnione procesem technologicznym lub organizacją pracy podejrzenie, że niektórzy pracownicy z danej grupy mogą być narażeni na wyższe stężenia substancji szkodliwych, przede wszystkim tych pracowników należy wyposażyć w pompki indywidualne z próbnikami lub w dozymetry pasywne,

• w przypadku jednakowego narażenia pracowników z danej grupy wybór pracowników do badań powinien odbyć się losowo,- stosując dozymetr indywidualny, próbki powietrza należy pobierać w sposób ciągły, przez okres równy co najmniej 75% zmiany roboczej. W tym czasie należy pobrać kolejno w zależności od spodziewanej wielkości stężenia od 1 do 5 próbek powietrza, przy czym większemu stężeniu powinna odpowiadać większa liczba próbek,

• stosując dozymetr pasywny należy go umieścić w strefie oddychania pracownika na okres równy co najmniej 75% czasu trwania zmiany roboczej, jeżeli jest to zgodne z instrukcją stosowania dozymetru.

Obliczanie wskaźników narażenia - dozymetria indywidualna

Po przeprowadzeniu pomiarów z zastosowaniem dozymetrii indywidualnej, wskaźnikiem narażenia (ekspozycji), którego wartość nie  może przekraczać NDS jest średnie stężenie ważone obliczone wg wzoru:



 gdzie:
  c₁, c₂, ... , c_n - stężenie oznaczone w poszczególnych próbkach, mg/m³,
   t₁ , t₂, ... , t_n - czas pobierania poszczególnych próbek, min.

n - liczba próbek,

6. Jakie instrumentalne metody analityczne stosuje się przy oznaczaniu stężeń substancji chemicznych na stanowiskach pracy. Podać krótki opis metod.

Oznaczanie stężeń substancji chemicznych na stanowiskach pracy służące do oceny higienicznej tych stanowisk odbywa się zgodnie z metodami znormalizowanymi wg PN wprowadzonych do stosowania Rozporządzeniami Ministra Pracy i Polityki Socjalnej. W metodach znormalizowanych wymieniane są również metody instrumentalne stosowane do w/w oznaczeń.

Należą do nich :

1. Chromatografia gazowa z zastosowaniem równych detektorów.

Metoda ta służy do identyfikacji ilościowego oznaczenia składników mieszanin. Jest to szybka metoda analizy gdzie składniki rozdzielonej mieszaniny dzielą się między dwie fazy i osiągając szereg następujących po sobie stanów równowagi rozpuszczania lub desorbcji, przemieszczają się w ośrodkach porowatych. Jedna faza jest ruchoma ( gaz lub ciecz ) o dużej powierzchni właściwej. Druga, przepływająca przez nią faza - ruchoma ( stały absorbent lub ciecz ). Cechą tej metody jest zastosowanie w fazie ruchomej gazu ( jako gazu nośnego - substancja ściśliwa, niska lepkość znaczne wartości współczynników dyfuzji ). Analizowane składniki powinny być na tyle lotne, by mogły być przenoszone przez gaz. W chromatografii gazowej stosowana jest często metoda elucyjna, która polega na wprowadzeniu analizowanej próbki do strumienia gazu nośnego, dokładnie na początku kolumny, w możliwe jak najkrótszym czasie. Rozdzielone składniki opuszczają kolumnę w strumieniu gazu nośnego, w postaci mniej lub bardziej rozmytych pasm. Stężenie każdej z substancji w gazie nośnym jest mniejsze niż w próbce wyjściowej.

Stosuje się następujące detektory:

1. płomieniowo - jonizacyjny ( FID ) - wykrywa węglowodory i ich pochodne,

2. wychwytu elektronów ( ECD ),

3. cieplno - przewodnościowe ( TCD ) - analizuje gazy, reaguje na wszystkie badane substancje ( oprócz gazu nośnego ),

4. płomieniowo - fotometryczny ( FPD ) - wykrywa związki siarki i fosforu,

5. alkaliczny płomieniowo - jonizacyjny ( AFID ) - wykrywa śladowe ilości związków fosforu i azotu oraz związków halogenoorganicznych,

6. fotojonizacyjny ( PID ) - oznacza związki aromatyczne w powietrzu, kwasów, aldehydów,

7. spektometria mas MS.

1. Kolorymetria. Jest to spektrofotometria w świetle widzialnym. Dawniej było to wizualne porównanie lub

cena intensywności barwy roztworu w stosunku do wzorców. Dzisiaj mierzy się absorbancję.

2. Spektrofotometria absorpcyjna w nadfiolecie ( UV ) - 200 - do 3080 nm.

Jako spektrofotometrię określa się pomiar absorbancji przy określonej długości fali w celu ustalenia stężenia roztworu. Absorbancja jest zależna od liczby cząsteczek związku w środowisku absorbującym ( zależy od stężenia roztworu i długości drogi optycznej ). Większość związków aromatycznych dobrze absorbuje promieniowanie UV.

3. Spektrofotometria absorpcyjna w świetle widzialnym ( VIS ) - 380 - 780 nm.

Metoda ta wykorzystuje absorpcję w zakresie światła widzialnego ( kolorymetria ). Warunkiem, aby związek absorbował światło widzialne jego cząsteczka zawierać musi grupy frakcyjne, zwane chromoforami. Gdy związki te nie zawierają takich grup warunkiem analizy ilościowej jest zastosowanie odpowiedniej reakcji chemicznej i utworzenie barwnego ( zawierającego chromofory ) produktu reakcji.

4. Spektrofotometria absorpcyjna w podczerwieni ( IR ) - 1 do 16 μm.

5. Wysokosprawna chromatografia cieczowa.( Jak w pkt. 1, ale fazą nośną jest ciecz. Warunkiem możliwości

analizowania mieszanin jest rozpuszczalność jej składników ).

6. Wagowa. ( Waży się ).

7. Spektrometria absorpcji atomowej.

Mierzy się rezonansową absorpcję promieniowania o określonej długości fali. Podstawą metody jest prawo Kirchhoffa - pierwiastek absorbuje promieniowanie o tej samej długości fali, jakie emituje w stanie wzbudzonym. Zaabsorbowana część promieniowania jest proporcjonalna do stężenia pierwiastka. Metoda ta wymaga aby źródło promieniowania i układ atomizacji były oddzielone przestrzennie. W celu otrzymania wolnych atomów stosuje się kombinacje palnika i rozpylacza lub postępowanie bezpłomieniowe. Najczęściej przydatnym źródłem światła są lampy z katodą wnękową, w których jako materiał katodowy stosuje się oznaczony pierwiastek. W związku z tym niezbędna jest oddzielna lampa dla każdego oznaczonego pierwiastka i wykorzystywanie absorbcji atomowej staje się opłacalne tylko w przypadku analiz rutynowych. Stosuje się również techniki z kuwetą grafitową i techniki zimnych par.

---