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

Дата: 13.02.2016

		

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
смеси

2.2 Абсолютное давление
газовой смеси в трубопроводе

2.3 Парциальное давление составляющих
газовой смеси

2.4 Концентрации составляющих газовой
смеси

2.5 Произведение iiρi для составляющих газовой смеси

2.6 Плотность газовой смеси в
трубопроводе

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

2.8 Динамическая вязкость смеси газов в
трубопроводе

2.9 Кинематическая вязкость смеси газов
в трубопроводе

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

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

Литература

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 Рiнi

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);

2 = 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

2ρн2 = 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.

Метки:
Автор: 

Опубликовать комментарий