Расчет основных параметров среды в производственном помещении и внутренней среды в оборудовании
Содержание
Введение
1. Теоретическая часть
1.1 Нормируемые параметры наружной среды
1.1.1
Температура, влажность и подвижность воздуха
1.1.2 Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны (ПДКр.з.)
1.1.3
Предельно допустимые концентрации вредных
веществ в воздухе населенных мест (ПДКн.м.)1.2 Определение основных свойств наружной и внутренней
среды
1.3 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 внутренней
среды в трубопроводе
2.1 Объемные доли составляющих газовой
смеси2.2 Абсолютное давление
газовой смеси в трубопроводе2.3 Парциальное давление составляющих
газовой смеси2.4 Концентрации составляющих газовой
смеси2.5 Произведение iiρi для составляющих газовой смеси
2.6 Плотность газовой смеси в
трубопроводе2.7 Динамическая вязкость составляющих
газовой смеси при температуре t
= 50◦C2.8 Динамическая вязкость смеси газов в
трубопроводе2.9 Кинематическая вязкость смеси газов
в трубопроводе2.10 Коэффициенты диффузии составляющих
газовой смеси при t
= 0◦C
и Р = 101308 Па2.11 Коэффициенты диффузии составляющих
газовой смеси при t
= 50◦C
и Р = 202650 ПаЛитература
плотность давление газовый смесь трубопровод
Введение
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
Категория 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 |
Таблица
1.2 Допустимые нормы температуры t, относительной влажности φ и
скорости движения воздуха υ для районов с расчетной наружной температурой выше 25ºС
Категория 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 |
Таблица
1.3 Допустимые нормы температуры t, относительной влажности φ и скорости
движения воздуха υ в холодный и переходный периоды года
Категория 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 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
Категория 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 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:
ρiж = ρож * 1/(1 + βi [Т – Т0]) (1)
где ρож – плотность жидкости при 20◦С,
[кг/м3];
βi – 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
βi = 0,00015 [1/◦С] (2)
Для практических
расчетов количеств вредных веществ, выделяющихся из оборудования и
трубопроводов, можно принять (для жидкостей):
ρiж = ρож (3)
Плотность газообразных веществ и паров
определяют по следующим формулам.
Плотность газа или пара при температуре t =
0ºС и давлении Р = 101,308кПа:
ρог = 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:
ρiг =
ρогT0 * P / TP0 (5)
Динамическая вязкость
газов и паров при t = 0ºС
рассчитывается 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 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:
μiж =
μож / (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:
Dt = 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:
Dt =
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:
ni = (ai /
Mi)
/ ∑(ai / Mi)
(12)
где ni –
мольные или объемные доли компонентов;
ai –
массовые доли компонентов;
М – относительные
молекулярные массы компонентов.
Если в трубопроводе или
оборудовании находится смесь жидкостей, то плотность этой смеси определяют из
выражения:
ρсм.ж = 1 / ∑(ai / ρiж) (13)
где ρiж – соответствующая плотность
компонентов.
Динамическая вязкость смеси нормальных жидкостей определяется из
выражения:
lg
μсм.ж.=∑ ni * lg
μiж (14)
где ni –
мольные доли компонентов в смеси;
μiж – 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:
μсм.г.= Мсм.г
/ ∑ (ii * Mi / μiг) (15)
где Мсм.г; Мi – относительные
молекулярные массы смеси газов и отдельных компонентов соответственно;
μiг – коэффициент динамической вязкости
отдельных компонентов;
ii – объемные доли компонентов в
смеси.
Мсм.г.= ∑ii * Mi (16)
Кинематическая вязкость
газовой 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 газов
определяется по формуле:
ρсм.г. = ∑ii * ρiг (19)
где ii –
объемные доли компонентов газовой смеси;
ρiг – 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:
Pсм = ∑рi (20)
где
рi – парциальное давление
отдельных компонентов, входящих в состав смеси
Согласно закону Рауля парциальное давление компонента,
входящего в состав смеси определяется по формуле:
Pi = ni piн (21)
где
ni – объемная доля
компонента в растворе,
Рiн – давление насыщенного пара вещества над
чистым компонентом при заданной температуре, мм рт.ст.
Зависимость
давления насыщенного пара чистого вещества от температуры описывается
уравнением:
lg
Рiн= A – B / C+t (22)
или
lg
Рiн = 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
PнН2О =
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:
РН2О = PнН2О* 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:
Сi
=
16 Рiн
Мi *
1000 / (273 + t) *133,3 (26)
где
Рiн
– давление насыщенных паров вещества над чистым компонентом при заданной
температуре (t), Па
Мi
– относительная молекулярная масса данного вещества.
При
температуре 20 ◦С
данная формула принимает следующий вид:
Сi20 = 0,4096 Рiн*Мi
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:
Рв = Р – ∑Рi (27)
где Р – давление среды в производственном помещении,
Па.
б) рассчитываются объемные доли составляющих наружную
среду:
ii = Pi / P
(28)
затем
концентрацию составляющих наружной среды по формуле 26.
в)
рассчитывается плотность наружной среды по формуле 19. Произведение iiρi для
газовых составляющих наружной среды (кг/м3):
iiρi = ci (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 (Ризб, 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:
Рв = Рабс –
∑Рi (30)
Рабс = Ризб + Р (31)
где
Ризб – 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 (аСО = 0,071);
метан
34 (асн4 = 0,34).
Температура
газовой смеси t = 50◦С, избыточное давление в
трубопроводе Ризб =
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
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 = 202650
Па.
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 температуре
t = 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 = 202650
Па
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 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.