Контрольная работа: Расчет основных параметров среды в производственном помещении и внутренней среды в оборудовании

Контрольная работа: 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

Таблица 1.2 Допустимые нормы температуры t, относительной влажности φ и скорости движения воздуха υ для районов с расчетной наружной температурой выше 25ºС

Таблица 1.3 Допустимые нормы температуры t, относительной влажности φ и скорости движения воздуха υ в холодный и переходный периоды года

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

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)

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.