Расчет основных параметров среды в производственном помещении и внутренней среды в оборудовании
Размещено на /
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 25єС 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 25єС
| 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 = 0єС 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 = 0єС 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 100єС 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, єС), избыточное давление в оборудовании (Ризб, кПа), влажность воздуха (φ, %) и концентрация примеси в воздухе (мг/м3), динамическая вязкость составляющих газовой смеси при t = 0єС (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.
Размещено на