Скачать

Расчет основных параметров среды в производственном помещении и внутренней среды в оборудовании

Тема контрольной работы "Расчет основных параметров среды в производственном помещении и внутренней среды в оборудовании" по курсу "Основы экологии".

Цель работы –произвести расчет основных параметров среды в производственном помещении и внутренней среды в оборудовании.

Согласно задания, определим параметры внутренней среды в трубопроводе, транспортирующем газовую смесь.

1.Теоретическая часть

1.1 Нормируемые параметры наружной среды

1.1.1 Температура, влажность и подвижность воздуха

При нормировании параметров воздушной среды в помещениях исходят из так называемого диапазона допустимых параметров. Диапазон допустимых параметров определяется нижним допустимым температурным уровнем, служащим для расчета систем отопления, и верхним, обеспечиваемым средствами вентиляции.

Скорость движения, относительная влажность и загрязненность воздуха вредными примесями обычно определяются верхним допустимым уровнем. Параметры воздуха, соответствующие оптимальным и допустимым, зависят от периода года (теплый, холодный, переходный), от тепловой напряженности (по явному теплу) помещения и от тяжести выполняемой в помещении работы.

По тепловой напряженности различают две категории помещений: помещения с незначительными избытками явного тепла (не превышающим или равным 23Вт/м3 внутреннего объема помещения) и помещения или участков цехов со значительными избытками явного тепла (превышающими 23 Вт/м3). Допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в рабочей зоне производственных зданий следует принимать: в теплый период года – по табл. 1.1 и 1.2; для холодного и переходного периодов – по табл. 1.3 (ГОСТ 12.1.005-76).

Таблица 1.1 Допустимые нормы температуры t, относительной влажности φ и скорости движения воздуха υ для районов с расчетной наружной температурой 25ºС и ниже

Таблица 1.2 Допустимые нормы температуры t, относительной влажности φ и скорости движения воздуха υ для районов с расчетной наружной температурой выше 25ºС

Таблица 1.3 Допустимые нормы температуры t, относительной влажности φ и скорости движения воздуха υ в холодный и переходный периоды года

Оптимальные нормы параметров воздуха внутри помещений устанавливают в соответствии с требованиями к условиям пребывания в помещении (табл. 1.4).

Таблица 1.4Оптимальные нормы температуры t, относительной влажности φ искорости движения воздуха υ в рабочей зоне производственных объединений

1.1.2 Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны (ПДКр.з.)

Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны – это концентрации, которые при ежедневной (кроме выходных дней) работе в продолжение 8 часов или при другой длительности, но не превышающей 41 часа в неделю, в течении всего рабочего стажа не могут вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы или в отдельные сроки жизни настоящего или последующих поколений.

Предельно допустимую концентрацию вредного вещества в воздухе рабочей зоны на постоянных рабочих местах производственных помещений, а также в цехах опытно-экспериментальных производств принимают по ГОСТ 12.1.005-76.

1.1.3 Предельно допустимые концентрации в воздухе населенных мест (ПДКн.м.)

ПДКн.м. вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест – максимальные концентрации, отнесенные к определенному периоду осреднения (30 минут, 24 часа, 1 месяц, 1 год) и не оказывающие при регламентированной вероятности их появления ни прямого, ни косвенного вредного воздействия на организм человека, включая отдаленные последствия для настоящего и последующих поколений, не снижающие работоспособности человека и не ухудшающие его самочувствия.

Максимально кратковременная (разовая) концентрация – наиболее высокая из числа 30-минутных концентраций, зарегистрированных в данной точке за определенный период наблюдения.

Среднесуточная концентрация – средняя из числа концентраций, выявленных в течение суток или отбираемая непрерывно в течение 24 часов.

1.2 Определение основных свойств наружной и внутренней среды

Для расчета количеств выделяющихся вредных веществ из технологического оборудования в атмосферный воздух необходимо знать основные свойства химических соединений и их смесей. Характеристические константы нескольких сотен чистых веществ, которые используются затем для расчета свойств химических соединений и их смесей, приведены в Приложении I (1).

При температуре, отличающейся от 20◦С, плотность жидкости рассчитывается по формуле:

ρ_iж = ρ_ож * 1/(1 + β_i (Т – Т₀)) (1)

где ρ_ож – плотность жидкости при 20◦С, (кг/м3);

β_i – коэффициент температурного расширения, выражающий относительное увеличение объема жидкости при увеличении температуры на 1◦С.

Коэффициент температурного расширения капельных жидкостей незначителен. Так, для воды при температуре 10-20◦С и давлении 101,308 кПа

β_i = 0,00015 (1/◦С) (2)

Для практических расчетов количеств вредных веществ, выделяющихся из оборудования и трубопроводов, можно принять (для жидкостей):

ρ_iж = ρ_ож (3)

Плотность газообразных веществ и паров определяют по следующим формулам.

Плотность газа или пара при температуре t = 0ºС и давлении Р = 101,308кПа:

ρ_ог = М / 22,4 (4)

где М – молекулярная масса вещества, кг/кмоль;

22,4 – объем 1 моль газа или пара, л;

Для определения плотности газа или пара при температуре t ≠ 0 и давлении Р ≠ 101,308 кПа используют уравнение Клапейрона:

ρ_iг = ρ_огT₀ * P / TP₀ (5)

Динамическая вязкость газов и паров при t = 0ºС рассчитывается по формуле:

μ_iг = μ_ог((Т₀ + Sat) / (T + Sat)) * (T / T₀)^1/5 (6)

где μ_ог – динамическая вязкость газа при н. у., (Па*с);

Sat – константа Сатерлента.

Для расчета динамической вязкости жидкости при t ≠ 0 имеются различные зависимости. В практических расчетах для определения количества вредных веществ, выделяющихся через неплотности соединений трубопроводов и оборудования, можно использовать формулу Пуазейля:

μ_iж = μ_ож / (1 + 0,0368t + 0,000212 t²) (7)

Изменение динамической вязкости с изменением температуры является существенным. Так, с увеличением температуры от 0 до 100ºС вязкость воды уменьшается в 7 раз.

Кинематическая вязкость ν (м²/с) связана с динамической вязкостью соотношением:

ν = μ / ρ (8)

где μ – динамическая вязкость, Па*с;

ρ – плотность, кг/м³.

Коэффициент диффузии, который необходим для расчетов количеств выделяющихся вредных веществ из оборудования, рассчитывается по формуле:

D₀ = 0,8 * 0,36 / √M (9)

где D₀ – коэффициент диффузии при н. у.;

М – молекулярная масса вещества, (кг/кмоль).

Коэффициент диффузии при t ≠ 0 и Р ≠ 101,308 кПа определяется по формуле:

D_t = D₀ (P₀ / P) * (T / T₀)² (10)

где Р и Т – давление и температура в оборудовании или трубопроводе.

Чтобы найти коэффициент при любой температуре, используют формулу:

D_t = D₂₀ (1 + 0,02 (t – 20)) (11)

Обычно на практике встречаются не чистые вещества, а их смеси. Состав среды в оборудовании или трубопроводе задается в массовых или объемных (в случае газовой или паровой смеси – в мольных) долях. Массовые доли компонентов пересчитывают в мольные (объемные) по формуле:

n_i = (a_i / M_i) / ∑(a_i/ M_i) (12)

где n_i – мольные или объемные доли компонентов;

a_i – массовые доли компонентов;

М – относительные молекулярные массы компонентов.

Если в трубопроводе или оборудовании находится смесь жидкостей, то плотность этой смеси определяют из выражения:

ρ_см.ж = 1 / ∑(a_i/ ρ_iж) (13)

где ρ_iж – соответствующая плотность компонентов.

Динамическая вязкость смеси нормальных жидкостей определяется из выражения:

lg μ_см.ж.=∑ n_i* lg μ_iж (14)

где n_i – мольные доли компонентов в смеси;

μ_iж – соответствующий коэффициент динамической вязкости.

Если в трубопроводе или оборудовании находится смесь газов или парогазовоздушная смесь, то вязкость газовых (паровых) смесей можно вычислить по приближенной формуле:

μ_см.г.= М_см.г / ∑ (i_i* M_i/ μ_iг) (15)

где М_см.г; М_i – относительные молекулярные массы смеси газов и отдельных компонентов соответственно;

μ_iг – коэффициент динамической вязкости отдельных компонентов;

i_i – объемные доли компонентов в смеси.

М_см.г.= ∑i_i* M_i (16)

Кинематическая вязкость газовой смеси рассчитывается по формуле:

ν_см = 1 / ∑(i_i / ν_i) (17)

или

ν_см = μ_см.г./ ρ_см.г. (18)

где ν_i – кинематическая вязкость компонентов газовой смеси, м²/с.

Плотность смеси газов определяется по формуле:

ρ_см.г. = ∑i_i* ρ_iг (19)

где i_i – объемные доли компонентов газовой смеси;

ρ_iг – соответствующие плотности компонентов, кг/м³.

При расчете количества вредных веществ, выделяющихся со свободной поверхности жидкости, необходимо помнить, что они состоят из смеси веществ, состав которых зависит от температуры, давления, а также от объемной доли каждого компонента в растворе.

Давление газовой смеси над раствором равно:

P_см = ∑р_i (20)

где р_i– парциальное давление отдельных компонентов, входящих в состав смеси

Согласно закону Рауля парциальное давление компонента, входящего в состав смеси определяется по формуле:

P_i = n_i p_i^н (21)

где n_i– объемная доля компонента в растворе,

Р_i^н – давление насыщенного пара вещества над чистым компонентом при заданной температуре, мм рт.ст.

Зависимость давления насыщенного пара чистого вещества от температуры описывается уравнением:

lg Р_i^н= A – B / C+t (22)

или

lg Р_i^н = A – B / T (23)

где A, В, С – эмпирические коэффициенты для чистых веществ; значения приведены в приложении I (1).

Парциальное давление насыщенных водяных паров в наружной среде определяется по формуле:

lg P^н_Н2О = 0,622 + 7,5 t / (238 + t) (24)

где t – температура наружной среды, ◦C.

Парциальное давление водяных паров при заданной влажности наружной среды определяется по формуле:

Р_Н2О = P^н_Н2О* φ (мм рт.ст.) (25)

где φ – влажность наружной среды, %

Имея объемный или массовый состав смеси в оборудовании и данные о давлении насыщенных паров веществ, составляющих смесь, можно определить количественный состав газовой смеси над поверхностью жидкости. Для этого концентрацию насыщенных паров, выраженную в единицах давления, можно пересчитать в объемную концентрацию (с, мг/м3) по следующей формуле:

С_i = 16 Р_iн М_i* 1000 / (273 + t) *133,3 (26)

где Р_iн – давление насыщенных паров вещества над чистым компонентом при заданной температуре (t), Па

М_i – относительная молекулярная масса данного вещества.

При температуре 20 ◦С данная формула принимает следующий вид:

С_i20 = 0,4096 Р_i^н*М_i

1.3 Методика расчета основных параметров среды

1.3.1 Расчет параметров среды в производственном помещении

Исходные данные для расчета: влажность в помещении (φ,%), температура (t,◦С), давление среды (Р, кПа), концентрация примеси в воздухе (с, мг/м³), динамическая вязкость газовых составляющих при t = 0◦ С ( μ₀, Па*с) и константы Сатерленда (Приложение I (1)).

а) рассчитывается парциальное давление водяных паров по формуле 25;

парциальное давление примеси, исходя из формулы 26;

парциальное давление основного компонента наружной среды – воздуха:

Р_в = Р – ∑Р_i (27)

где Р – давление среды в производственном помещении, Па.

б) рассчитываются объемные доли составляющих наружную среду:

i_i = P_i / P (28)

затем концентрацию составляющих наружной среды по формуле 26.

в) рассчитывается плотность наружной среды по формуле 19. Произведение i_iρ_i для газовых составляющих наружной среды (кг/м³):

i_iρ_i= c_i (29)

динамическая вязкость смеси газов наружной среды по формуле 15 и кинематическая вязкость по формуле 18.

г) рассчитываются коэффициенты диффузии компонентов наружной среды по формулам 9 и 10.        

1.3.2 Расчет параметров внутренней среды в оборудовании

Исходные данные: давление наружной среды (Р, кПа), состав жидкости в оборудовании (% (масс)), температура жидкости и газовой смеси в оборудовании (t, ºС), избыточное давление в оборудовании (Р_изб, кПа), влажность воздуха (φ, %) и концентрация примеси в воздухе (мг/м³), динамическая вязкость составляющих газовой смеси при t = 0ºС (μ₀, Па*с), константы Сатерленда и эмпирические коэффициенты А, В, С для каждого компонента смеси жидкости.

а) рассчитываются мольные доли составляющих жидкости по формуле 12;

парциальное давление паров компонентов над смесью жидкости по - формулам 22 и 21;

б) рассчитывается парциальное давление водяных паров в газовой среде по формуле 25;

парциальное давление примеси из формулы 26 и парциальное давление основного газового компонента – воздуха по формуле:

Р_в = Р_абс – ∑Р_i (30)

Р_абс = Р_изб + Р (31)

где Р_изб – избыточное давление в оборудовании, Па;

Р – давление наружной среды, Па.

Затем рассчитывают объемные доли газовых составляющих по формуле 28;

в) рассчитывают концентрацию составляющих газовой смеси по формуле 26;

г) рассчитывают плотность газовой среды в оборудовании по формулам 19, 29;

Динамическую вязкость смеси газов в оборудовании по формулам 6, 15, 16; и кинематическую вязкость по формуле 18;

д) рассчитывают коэффициенты диффузии компонентов газовой смеси в оборудовании по формулам 9, 10.

2. Практическая часть. Определение параметров внутренней среды в трубопроводе

Определим параметры внутренней среды в трубопроводе, транспортирующем газовую смесь.

Исходные данные:

давление наружной среды Р = 101325 Па;

состав смеси, %(масс): водород 58,9 (ан₂ = 0,589);

оксид углерода 7,1 (а_СО = 0,071);

метан 34 (асн₄ = 0,34).

Температура газовой смеси t = 50◦С, избыточное давление в трубопроводе Р_изб = 101325Па.

Динамическая вязкость составляющих газовой смеси при t = 0◦С и давлении Р = 101308 Па составляет (Па*С):

μон₂ = 4,9*10-6; μосо = 17,15*10-6; μосн₄ = 10,29*10-6.

Константы Сатерленда:

Satн₂ = -528; Satсо = 116; Satcн₄ = 118.

Определение параметров внутренней среды в трубопроводе

Относительные молекулярные массы составляющих газовой смеси:

Мн₂ = 2,0; Мсо = 28,0; Мсн₄ = 16,0.

2.1.Объемные доли составляющих газовой смеси

n_i = aiMi / ∑(aiMi);

nн₂ = 0,589 / 2 /(0,589/2 + 0,071/28 + 0,34/16) = 0,925;

nсн₄ = 0,34 /16 /(0,589/2 + 0,071/28 + 0,34/16) = 0,066;

nсо = 0,071 / 28 /(0,589/2 + 0,071/28 + 0,34/16) = 0,009.

2.2 Абсолютное давление газовой смеси в трубопроводе

Р_абс = Р + Р_изб = 101325 + 101325 = 202650 Па.

2.3 Парциальное давление составляющих газовой смеси

Р_i = n_i * P_абс;

Рн₂ = 0,925 * 202650 = 187451;

Рсо = 0,009 * 202650 = 1824;

Рсн₄ = 0,066 * 202650 = 13745(Па)

2.4 Концентрации составляющих газовой смеси

С_i = 16P_iM_i * 1000 / ((273 + t) * 133,3)

Сн₂ = 16 * 187451 * 2 * 1000/(273 + 50) * 133,3 = 139317;

Ссо = 16 * 1824 * 28 * 1000/(273 + 50) * 133,3 = 18979;

Ссн₄ = 16 * 13745 * 16 * 1000/(273 + 50) * 133,3 = 81724(мг/м3).

2.5 Произведение iiρi для составляющих газовой смеси

iн₂ρн₂ = 139317 (0,1393)

iсоρсо = 18979 (0,0189)

iсн₄ρсн₄ = 81724 (0,0817) мг/м3(кг/м3)

2.6 Плотность газовой смеси в трубопроводе

ρ_см = ∑i_iρ_i

ρ_cм = 0,1393 + 0,0189 + 0,0817 = 0,24 (кг/м³)

2.7 Динамическая вязкость составляющих газовой смеси при температуре t = 50◦C

μ_t = μ₀ * (273 + Sat / T + Sat) (T / 273)^1,5;

μн₂ = 4,9*10^-6 (273 + (-528) / 273 + 50 + (-528)) (273 + 50 / 273)^1,5 = 7,84 * 10^-6;

μсо = 17,15 * 10^-6 (273 + 116 / 273 + 50 + 116) (273 + 50 / 273)^1,5 = 20 * 10^-6;

μсн₄ = 10,29 * 10^-6 (273 + 118 / 273 + 50 + 118) (273 + 50 / 273)^1,5 = 12 * 10^-6. (Па*С)

2.8 Динамическая вязкость смеси газов в трубопроводе

μ_см = М_см / ∑(i_i M_i / μ_i);

М_см = ∑i_i M_i

M_см = 0,925 * 2 + 0,009 * 28 + 0,066 * 16 = 32

μ_см = 3,2 / (0,925*2/7,84*10-6+0,009*28/20*10-6+0,066*16/12*10-6)=

= 9,51*10-6(Па*С)

2.9 Кинематическая вязкость смеси газов в трубопроводе

ν_см = μ_см / ρ_см

ν_см = 9,51 * 10^-6 / 0,24 = 39,61 * 10^-6 (м²/с)

2.10 Коэффициенты диффузии составляющих газовой смеси при t = 0◦C и Р = 101308 Па;

Д_о = 0,8/√М*0,36;

Д_он₂ = 0,8/√2*0,36 = 0,204;

Д_осо = 0,8/√28*0,36 = 0,054;

Д_осн₄ = 0,8/√16*0,36 = 0,072 (м2/ч)

2.11 Коэффициенты диффузии составляющих газовой смеси при t = 50◦C и Р = 202650 Па

Д_t = Д_о (Т/Т_о)²Р_о /Р

Дн₂ = 0,204*(273+50/273)2*101308/202650 = 0,143;

Дсо = 0,054*(273+50/273)2*101308/202650 = 0,038;

Дсн₄ = 0,072*(273+50/273)2*101308/202650 = 0,050 (м2/ч)

1. Тищенко Н.Ф. Охрана атмосферного воздуха. Справочник. - М: Химия, 1991. – 368 с.

2. Артамонов В.И. Растения и чистота природной среды. - М: Наука, 1986. – 46 с.

3. Вредные вещества в промышленности: Справочник. ч. I, II, III и дополнение / Под ред. Н.В. Лазарева. - Л.: Химия, 1977.

4. Бретшнайдер Ст. Свойства газов и жидкостей. Инженерные методы расчета: Пер. с польск. / Под ред. П.Г. Романкова. - М.–Л.: Химия, 1966. – 536 с.

5. Бокрис Дж. О. М. Химия окружающей среды: Пер с англ. / Под ред. О.Г. Скотниковой, Э.Г. Тетерина. - М.: Химия, 1982. – 672 с.