Содержание
Введение1. Теоретическая часть1.1 Нормируемые параметры наружной среды1.1.1Температура, влажность и подвижность воздуха1.1.2 Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны (ПДКр.з.)
1.1.3Предельно допустимые концентрациивредныхвеществ в воздухе населенных мест (ПДКн.м.)1.2 Определение основных свойств наружной и внутреннейсреды1.3 Методика расчета основных параметров среды 1.3.1 Расчет параметров среды в производственном помещении 1.3.2 Расчет параметров внутренней среды в оборудовании 2. Практическая часть. Определение параметров внутреннейсреды в трубопроводе
2.1 Объемные доли составляющих газовойсмеси
2.2 Абсолютное давлениегазовой смеси в трубопроводе
2.3 Парциальное давление составляющихгазовой смеси
2.4 Концентрации составляющих газовойсмеси
2.5 Произведение iiρi для составляющих газовой смеси
2.6 Плотность газовой смеси втрубопроводе
2.7 Динамическая вязкость составляющихгазовой смеси при температуре t= 50◦C
2.8 Динамическая вязкость смеси газов втрубопроводе
2.9 Кинематическая вязкость смеси газовв трубопроводе
2.10 Коэффициенты диффузии составляющихгазовой смеси при t= 0◦Cи Р = 101308 Па
2.11 Коэффициенты диффузии составляющихгазовой смеси при t= 50◦Cи Р = 202650 Па
Литература плотность давление газовый смесь трубопровод
Введение
Тема контрольной работы«Расчет основных параметров среды в производственном помещении ивнутренней среды в оборудовании» по курсу «Основы экологии».
Цель работы –произвестирасчет основных параметров среды в производственном помещении и внутренней средыв оборудовании.
Согласнозадания, определим параметры внутренней среды в трубопроводе, транспортирующемгазовую смесь.
1.Теоретическая часть1.1 Нормируемыепараметры наружной среды/>/> 1.1.1 Температура, влажность и подвижность воздуха
При нормировании параметров воздушной среды в помещениях исходят из такназываемого диапазона допустимых параметров. Диапазон допустимых параметровопределяется нижним допустимым температурным уровнем, служащим для расчетасистем отопления, и верхним, обеспечиваемым средствами вентиляции.
Скорость движения,относительная влажность и загрязненность воздуха вредными примесями обычноопределяются верхним допустимым уровнем. Параметры воздуха, соответствующиеоптимальным и допустимым, зависят от периода года (теплый, холодный,переходный), от тепловой напряженности (по явному теплу) помещения и от тяжестивыполняемой в помещении работы.
По тепловойнапряженности различают две категории помещений: помещения с незначительнымиизбытками явного тепла (не превышающим или равным 23Вт/м3 внутреннего объема помещения) и помещения илиучастков цехов со значительными избытками явного тепла (превышающими 23 Вт/м3). Допустимые нормы температуры,относительной влажности и скорости движения воздуха в рабочей зонепроизводственных зданий следует принимать: в теплый период года – по табл. 1.1и 1.2; для холодного и переходного периодов – по табл. 1.3 (ГОСТ 12.1.005-76).
Таблица1.1 Допустимые нормы температуры t, относительной влажности φ искорости движения воздуха υ для районов с расчетной наружной температурой 25ºС и нижеКатегория работ
t, оC φ, %
υ, м/с в помещении с избытком явного тепла, Вт/м3 ≤23 >23 I ≤28
≤55, при 28оС 0,2 — 0,5 0,2 — 0,5 II a ≤28
≤55, при 28оС 0,2 — 0,5 0,3 — 0,7 II б ≤28
≤55, при 28оС 0,3 — 0,7 0,5 — 1,0 III ≤26
≤65, при 26оС 0,3 — 0,7 0,5 — 1,1 Таблица1.2 Допустимые нормы температуры t, относительной влажности φ искорости движения воздуха υ для районов с расчетной наружной температурой выше 25ºСКатегория работ υ, м/с φ, %
t, оC в помещении с избытком явного тепла, Вт/м3 ≤23 >23 I 0,2-0,5
≤50, при 29-33оС ≤31 ≤33 IIa
0,5, при 28оС
≤50, при 29-33оС ≤31 ≤33 IIб
0,9, при 28оС
≤50, при 29-33оС ≤30 ≤32 III
1,3, при 28оС
≤50, при 29-33оС ≤29 ≤31 Таблица1.3 Допустимые нормы температуры t, относительной влажности φ и скоростидвижения воздуха υ в холодный и переходный периоды годаКатегория работ
υ, м/с
не более
φ, %
не более
t, оС Температура воздуха вне постоянных рабочих мест /> /> I 0,2 75 19 — 25 15 – 26
IIa 0,3 75 17 — 23 13 – 24
IIб 0,4 75 15 — 21 13 – 24
III 0,5 75 13 — 19 12 -19
Оптимальные нормыпараметров воздуха внутри помещений устанавливают в соответствии с требованиямик условиям пребывания в помещении (табл. 1.4).
Таблица1.4Оптимальные нормы температуры t, относительной влажности φискорости движения воздуха υ в рабочей зоне производственных объединенийКатегория работ Теплый период года Холодный и переходный период года
t, oC φ, % υ, м/с
t,oC φ, % υ, м/с I 22-25 60-40 0,2 20-23 60-40 0,2 IIa 21-23 60-40 0,3 18-20 60-40 0,2 IIб 20-22 60-40 0,4 17-19 60-40 0,3 III 18-21 60-40 0,5 16-18 60-40 0,3 />/> 1.1.2 Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухерабочей зоны (ПДКр.з.)
Предельно допустимыеконцентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны – это концентрации, которыепри ежедневной (кроме выходных дней) работе в продолжение 8 часов или придругой длительности, но не превышающей 41 часа в неделю, в течении всегорабочего стажа не могут вызвать заболеваний или отклонений в состоянииздоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работыили в отдельные сроки жизни настоящего или последующих поколений.
Предельно допустимуюконцентрацию вредного вещества в воздухе рабочей зоны на постоянных рабочихместах производственных помещений, а также в цехах опытно-экспериментальныхпроизводств принимают по ГОСТ 12.1.005-76./>/> 1.1.3 Предельно допустимые концентрации в воздухе населенныхмест (ПДКн.м.)
ПДКн.м. вредных веществ в атмосферномвоздухе населенных мест – максимальные концентрации, отнесенные к определенномупериоду осреднения (30 минут, 24 часа, 1 месяц, 1 год) и не оказывающие прирегламентированной вероятности их появления ни прямого, ни косвенного вредноговоздействия на организм человека, включая отдаленные последствия для настоящегои последующих поколений, не снижающие работоспособности человека и неухудшающие его самочувствия.
Максимальнократковременная (разовая) концентрация – наиболее высокая из числа 30-минутныхконцентраций, зарегистрированных в данной точке за определенный периоднаблюдения.
Среднесуточная концентрация– средняя из числа концентраций, выявленных в течение суток или отбираемаянепрерывно в течение 24 часов./>/> 1.2 Определениеосновных свойств наружной и внутренней среды
Для расчета количестввыделяющихся вредных веществ из технологического оборудования в атмосферныйвоздух необходимо знать основные свойства химических соединений и их смесей.Характеристические константы нескольких сотен чистых веществ, которыеиспользуются 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:
ρiж = ρож * 1/(1 + βi [Т – Т0]) (1)
где ρож – плотность жидкости при 20◦С,[кг/м3];
βi – коэффициенттемпературного расширения, выражающий относительное увеличение объема жидкостипри увеличении температуры на 1◦С.
Коэффициенттемпературного расширения капельных жидкостей незначителен. Так, для воды притемпературе 10-20◦С идавлении 101,308 кПа
βi = 0,00015 [1/◦С] (2)
Для практическихрасчетов количеств вредных веществ, выделяющихся из оборудования итрубопроводов, можно принять (для жидкостей):
ρiж = ρож (3)
Плотность газообразных веществ и паровопределяют по следующим формулам.
Плотность газа или пара при температуре t =0ºС и давлении Р = 101,308кПа:
ρог = М / 22,4 (4)
где М – молекулярнаямасса вещества, кг/кмоль;
22,4 – объем 1 мольгаза или пара, л;
Для определенияплотности газа или пара при температуре t≠0 и давлении Р ≠ 101,308 кПа используют уравнение Клапейрона:
ρiг =ρогT0 * P / TP0 (5)
Динамическая вязкостьгазов и паров при t = 0ºСрассчитывается по формуле:
μiг =μог [(Т0+ Sat) / (T + Sat)] * (T / T0)1/5 (6)
где μог – динамическая вязкость газа при н. у., [Па*с];
Sat – константа Сатерлента.
Для расчетадинамической вязкости жидкости при t≠0 имеются различные зависимости. В практических расчетах для определенияколичества вредных веществ, выделяющихся через неплотности соединений трубопроводови оборудования, можно использовать формулу Пуазейля:
μiж =μож / (1 + 0,0368t+ 0,000212 t2) (7)
Изменение динамической вязкости с изменением температуры являетсясущественным. Так, с увеличением температуры от 0 до 100ºС вязкость водыуменьшается в 7 раз.
Кинематическая вязкостьν [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 изоборудования, рассчитывается по формуле:
D0 = 0,8 * 0,36 / √M(9)
где D0 – коэффициент диффузиипри н. у.;
М – молекулярная массавещества, [кг/кмоль].
Коэффициент диффузиипри t≠0 и Р ≠ 101,308 кПа определяется по формуле:
Dt = D0 (P0 / P)* (T / T0)2 (10)
где Р и Т – давление и температура в оборудовании или трубопроводе.
Чтобы найти коэффициентпри любой температуре, используют формулу:
Dt =D20 [1 + 0,02 (t– 20)] (11)
Обычно на практикевстречаются не чистые вещества, а их смеси. Состав среды в оборудовании или трубопроводезадается в массовых или объемных (в случае газовой или паровой смеси – вмольных) долях. Массовые доли компонентов пересчитывают в мольные (объемные) поформуле:
ni = (ai /Mi)/ ∑(ai / Mi)(12)
где ni –мольные или объемные доли компонентов;
ai –массовые доли компонентов;
М – относительныемолекулярные массы компонентов.
Если в трубопроводе илиоборудовании находится смесь жидкостей, то плотность этой смеси определяют извыражения:
ρсм.ж = 1 / ∑(ai / ρiж) (13)
где ρiж – соответствующая плотностькомпонентов.
Динамическая вязкость смеси нормальных жидкостей определяется извыражения:
lgμсм.ж.=∑ ni * lgμiж (14)
где ni –мольные доли компонентов в смеси;
μiж – соответствующийкоэффициент динамической вязкости.
Если в трубопроводе илиоборудовании находится смесь газов или парогазовоздушная смесь, то вязкостьгазовых (паровых) смесей можно вычислить по приближенной формуле:
μсм.г.= Мсм.г/ ∑ (ii * Mi / μiг) (15)
где Мсм.г; Мi – относительныемолекулярные массы смеси газов и отдельных компонентов соответственно;
μiг – коэффициент динамической вязкостиотдельных компонентов;
ii – объемные доли компонентов всмеси.
Мсм.г.= ∑ii * Mi (16)
Кинематическая вязкостьгазовой смеси рассчитывается по формуле:
νсм = 1 / ∑(ii / νi)(17)
или
νсм = μсм.г./ρсм.г. (18)
где νi –кинематическая вязкость компонентов газовой смеси, м2/с.
Плотность смеси газовопределяется по формуле:
ρсм.г. = ∑ii * ρiг (19)
где ii –объемные доли компонентов газовой смеси;
ρiг – соответствующие плотностикомпонентов, кг/м3.
При расчете количества вредных веществ, выделяющихся со свободнойповерхности жидкости, необходимо помнить, что они состоят из смеси веществ,состав которых зависит от температуры, давления, а также от объемной доликаждого компонента в растворе.
Давлениегазовой смеси над раствором равно:
Pсм = ∑рi (20)
гдерi – парциальное давлениеотдельных компонентов, входящих в состав смеси
Согласно закону Рауля парциальное давление компонента,входящего в состав смеси определяется по формуле:
Pi = ni piн (21)
гдеni – объемная долякомпонента в растворе,
Рiн – давление насыщенного пара вещества надчистым компонентом при заданной температуре, мм рт.ст.
Зависимостьдавления насыщенного пара чистого вещества от температуры описываетсяуравнением:
lgРiн= A – B / C+t (22)
или
lgРiн = A– B / T(23)
гдеA, В, С – эмпирические коэффициентыдля чистых веществ; значения приведены в приложении I[1].
Парциальное давление насыщенных водяных паров внаружной среде определяется по формуле:
lgPнН2О =0,622 + 7,5 t / (238 + t)(24)
/>/>/>/>
где t– температура наружной среды, ◦C.
Парциальноедавление водяных паров при заданной влажности наружной среды определяется поформуле:
РН2О = PнН2О* φ[ммрт.ст.] (25)
гдеφ – влажность наружной среды, %
Имеяобъемный или массовый состав смеси в оборудовании и данные о давлениинасыщенных паров веществ, составляющих смесь, можно определить количественныйсостав газовой смеси над поверхностью жидкости. Для этого концентрациюнасыщенных паров, выраженную в единицах давления, можно пересчитать в объемнуюконцентрацию (с, мг/м3) последующей формуле:
Сi=16 РiнМi*1000 / (273 + t) *133,3 (26)
гдеРiн– давление насыщенных паров вещества над чистым компонентом при заданнойтемпературе (t), Па
Мi– относительная молекулярная масса данного вещества.
Притемпературе 20 ◦Сданная формула принимает следующий вид:
Сi20 = 0,4096 Рiн*Мi
/>/> 1.3 Методика расчетаосновных параметров среды/>/> 1.3.1 Расчет параметров среды в производственном помещении
Исходныеданные 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 константыСатерленда (Приложение I[1]).
а)рассчитывается парциальное давление водяных паров по формуле 25;
парциальноедавление примеси, исходя из формулы 26;
парциальноедавление основного компонента наружной среды – воздуха:
Рв = Р – ∑Рi (27)
где Р – давление среды в производственном помещении,Па.
б) рассчитываются объемные доли составляющих наружнуюсреду:
ii = Pi / P(28)
затемконцентрацию составляющих наружной среды по формуле 26.
в)рассчитывается плотность наружной среды по формуле 19. Произведение iiρi длягазовых составляющих наружной среды (кг/м3):
iiρi = ci (29)
динамическаявязкость смеси газов наружной среды по формуле 15 и кинематическая вязкость поформуле 18.
г) рассчитываются коэффициенты диффузии компонентовнаружной среды по формулам 9 и 10.
/>/> 1.3.2 Расчет параметров внутренней среды в оборудовании
Исходныеданные: давление наружной среды (Р, кПа), состав жидкости в оборудовании [%(масс)], температура жидкости и газовой смеси в оборудовании (t,ºС), избыточное давление в оборудовании (Ризб, кПа), влажность воздуха (φ, %) и концентрацияпримеси в воздухе (мг/м3),динамическая вязкость составляющих газовой смеси при t= 0ºС (μ0, Па*с), константы Сатерленда и эмпирическиекоэффициенты А, В, С для каждого компонента смеси жидкости.
а)рассчитываются мольные доли составляющих жидкости по формуле 12;
парциальноедавление паров компонентов над смесью жидкости по — формулам 22 и 21;
б)рассчитывается парциальное давление водяных паров в газовой среде по формуле25;
парциальноедавление примеси из формулы 26 и парциальное давление основного газовогокомпонента – воздуха по формуле:
Рв = Рабс –∑Рi (30)
Рабс = Ризб + Р (31)
гдеРизб – избыточноедавление в оборудовании, Па;
Р – давление наружной среды, Па.
Затемрассчитывают объемные доли газовых составляющих по формуле 28;
в) рассчитывают концентрацию составляющих газовойсмеси по формуле 26;
г)рассчитывают плотность газовой среды в оборудовании по формулам 19, 29;
Динамическуювязкость смеси газов в оборудовании по формулам 6, 15, 16; и кинематическуювязкость по формуле 18;
д)рассчитывают коэффициенты диффузии компонентов газовой смеси в оборудовании поформулам 9, 10.
2. Практическая часть. Определениепараметров внутренней среды в трубопроводе
Определимпараметры внутренней среды в трубопроводе, транспортирующем газовую смесь.
Исходныеданные:
давлениенаружной среды Р = 101325 Па;
составсмеси, %(масс): водород 58,9 (ан2 =0,589);
оксидуглерода 7,1 (аСО = 0,071);
метан34 (асн4 = 0,34).
Температурагазовой смеси t = 50◦С, избыточное давление втрубопроводе Ризб =101325Па.
Динамическаявязкость 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.
Определениепараметров внутренней среды в трубопроводе
Относительныемолекулярные массы составляющих газовой смеси:
Мн2 = 2,0; Мсо = 28,0; Мсн4 = 16,0./>/>
2.1.Объемные доли составляющих газовой смеси
ni = 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
Рабс = Р + Ризб = 101325 + 101325 = 202650Па./>/> 2.3 Парциальное давление составляющих газовой смеси
Рi = ni *Pабс;
Рн2 = 0,925 * 202650 =187451;
Рсо = 0,009 * 202650 = 1824;
Рсн4 = 0,066 * 202650 =13745(Па)/>/> 2.4 Концентрации составляющих газовой смеси
/>/>/>Сi= 16PiMi* 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
ρсм = ∑iiρi
ρcм = 0,1393 + 0,0189 + 0,0817 = 0,24 (кг/м3)/>/> 2.7 Динамическая вязкость составляющих газовой смеси при температуреt = 50◦C
μt= 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
μсм = Мсм / ∑(ii Mi / μi);
Мсм = ∑ii Mi
Mсм = 0,925 * 2 + 0,009 *28 + 0,066 * 16 = 32
μсм = 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
νсм = μсм / ρсм
νсм = 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;
До = 0,8/√М*0,36;
Дон2 = 0,8/√2*0,36 = 0,204;
Досо = 0,8/√28*0,36 = 0,054;Досн4 = 0,8/√16*0,36= 0,072 (м2/ч)/>/>2.11 Коэффициенты диффузии составляющих газовой смеси при t = 50◦C и Р = 202650Па
/>/>/>/>Дt =До (Т/То)2Ро /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)
Литература
1. Тищенко Н.Ф. Охрана атмосферноговоздуха. Справочник. — М: Химия, 1991. – 368 с.
2. АртамоновВ.И. Растения и чистота природной среды. — М: Наука, 1986. – 46 с.
3. Вредныевещества в промышленности: Справочник. ч. I,II, IIIи дополнение / Под ред. Н.В. Лазарева. — Л.: Химия, 1977.
4. БретшнайдерСт. Свойства газов и жидкостей. Инженерные методы расчета: Пер. с польск. / Подред. П.Г. Романкова. — М.–Л.: Химия, 1966. – 536 с.
5. БокрисДж. О. М. Химия окружающей среды: Пер с англ. / Под ред. О.Г. Скотниковой, Э.Г.Тетерина. — М.: Химия, 1982. – 672 с.