Расчет основных параметров среды в производственном помещении и внутренней среды в оборудовании
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:
сiж = сож * 1/(1 + вi [Т - Т0]) (1)
где сож - плотность жидкости при 20?С, [кг/м3];
вi - 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
вi = 0,00015 [1/?С] (2)
Для практических расчетов количеств вредных веществ, выделяющихся из оборудования и трубопроводов, можно принять (для жидкостей):
сiж = сож (3)
Плотность газообразных веществ и паров определяют по следующим формулам.
Плотность газа или пара при температуре t = 0єС и давлении Р = 101,308кПа:
сог = 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:
сiг = согT0 * P / TP0 (5)
Динамическая вязкость газов и паров при t = 0єС рассчитывается по формуле:
мiг = мог [(Т0 + Sat) / (T + Sat)] * (T / T0)1/5 (6)
где мог - 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:
мiж = мож / (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 н [м2/с] связана с динамической вязкостью соотношением:
н = м / с (8)
где м - динамическая вязкость, Па*с;
с - плотность, кг/м3.
Коэффициент диффузии, который необходим для расчетов количеств выделяющихся вредных веществ из оборудования, рассчитывается по формуле:
D0 = 0,8 * 0,36 / vM (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:
ссм.ж = 1 / ?(ai / сiж) (13)
где сiж - соответствующая плотность компонентов.
Динамическая вязкость смеси нормальных жидкостей определяется из выражения:
lg мсм.ж.=? ni * lg мiж (14)
где ni - мольные доли компонентов в смеси;
мiж - 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:
мсм.г.= Мсм.г / ? (ii * Mi / мiг) (15)
где Мсм.г; Мi - относительные молекулярные массы смеси газов и отдельных компонентов соответственно;
мiг - коэффициент динамической вязкости отдельных компонентов;
ii - объемные доли компонентов в смеси.
Мсм.г.= ?ii * Mi (16)
Кинематическая вязкость газовой смеси рассчитывается по формуле:
нсм = 1 / ?(ii / нi) (17)
или
нсм = мсм.г./ ссм.г. (18)
где нi - кинематическая вязкость компонентов газовой смеси, м2/с.
Плотность смеси газов определяется по формуле:
ссм.г. = ?ii * сiг (19)
где ii - объемные доли компонентов газовой смеси;
сiг - 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* ц [мм рт.ст.] (25)
где ц - 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