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 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 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

		

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

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

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

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

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