1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ НАРУЖНОЙ И ВНУТРЕННЕЙ СРЕДЫ

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ НАРУЖНОЙ И ВНУТРЕННЕЙ
СРЕДЫ
Для расчетов количеств вредных веществ, выделяющихся из
технологического оборудования в атмосферный воздух, необходимо знать
основные свойства химических соединений и их смесей.
В Приложении приведены характеристические константы чистых
веществ, которые используются для расчета свойств химических соединений
и их смесей.
При температуре, отличающейся от 20оС, плотность жидкости
рассчитывается по формуле:
1
(1.1)
i ж   o ж
,
1   i (T  T0 )
где i – коэффициент температурного расширения, выражающий
относительное увеличение объема жидкости при увеличении
температуры на 1 оС.
Коэффициент температурного расширения капельных жидкостей
незначителен. Для практических расчетов количеств вредных веществ,
выделяющихся из оборудования и трубопроводов для жидкостей можно
принять:
 tж =  ож.
Плотность газа или пара при t = 0 оC и Pо = 100 кПа рассчитывают по
следующей формуле:
М , кг/м3
(1.2)
o 
22,4
где М – относительная молекулярная масса вещества, кг/(кмоль);
22,4 – объем 1 кмоля газа или пара при НУ, м3.
Для определения плотности газа или пара при температуре t  0 оC и
давлении P  100 кПа используют уравнение Клапейрона:
T Р
М 273  Р
(1.3)
t г  о г о


.
T  Ро 22,4 Ро  T
Динамическую вязкость газов и паров при t  0 оC рассчитывают по
формуле:
1,5
273  Sat  T 
  ,
t г  о г
(1.4)
T  Sat  Tо 
где Sat – константа Сатерленда (Приложение).
В практических расчетах для расчета динамической вязкости жидкости
tж при t  0 оC при определении количества вредных веществ, выделяющихся
через неплотности соединений трубопроводов и оборудования, можно
использовать формулу Пуазейля:
t ж 
о ж
1  0,0368 t  0,000212 t 2
.
(1.5)
Изменение динамической вязкости с изменением температуры является
существенным. Так, с увеличением температуры от 0 до 100 оС вязкость воды
уменьшается в 7 раз.
Кинематическая вязкость  (м2/с) связана с динамической вязкостью 
соотношением:

,

где  - динамическая вязкость, Па·с;  - плотность, кг/м3.

(1.6)
Коэффициент диффузии, который необходим для расчетов количества
выделяющихся вредных веществ из оборудования, можно рассчитать по
следующей зависимости:
0,8
Do 
 0,36 , м 2 / ч
(1.7)
M
где Dо – коэффициент диффузии при t = 0 оС и Рo = 100 кПа.
Коэффициент диффузии при t  0 о С и P  100 кПа определяют по
формуле:
2
Р T 
Dt  Dо  о   ,
(1.8)
Р  Tо 
где Ро = 100 кПа; Tо = 273 К;
Р и Т – давление и температура в оборудовании или трубопроводе.
Чтобы найти коэффициент диффузии при любой температуре,
используют формулу:
Dt  D20 1  0,02(t  200 ).
(1.9)
Часто на практике встречаются не чистые вещества, а их смеси. Состав
среды в оборудовании или трубопроводе задается в массовых, объемных или
мольных долях.
Мольная доля компонента:
число молей компонента
(1.10)
Ni 
.
число молей всех компонентов смеси
Массовые доли компонентов пересчитывают в мольные - по формуле:
ai / M i
Ni 
,
(1.11)
 ( ai / M i )
где Ni – мольная доля компонента;
ai – массовая доля компонента;
Мi – молекулярная масса компонента.
Когда в трубопроводе или оборудовании находится смесь жидкостей,
плотность этой смеси определяют по выражению:
1
 см.ж 
,
(1.12)
 (аi /  iж )
где iж – плотность компонента.
Динамическая вязкость смеси нормальных жидкостей определяется из
выражения (Па·с):
lg  см ж   ( N i  lg  i ж ) ,
(1.13)
где Ni – мольная доля компонента в смеси;
iж – 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:
М см г
 см г 
,
(1.14)
 (vi г  M i / i г )
где Мсм,г, Мi – молекулярные массы смеси газов и отдельных компонентов;
vi – объемные (молярные) доли компонентов в смеси (viг = Niг),
см г, i - коэффициенты динамической вязкости смеси газов и отдельных
компонентов.
М см г   ( N i г  М i ) .
(1.15)
Кинематическая вязкость газовой смеси:
1
 см 
, м2 / с
(1.16)
 ( N i / i )
или
(1.17)
 см  см г /  см г ,
где i – кинематическая вязкость компонента газовой смеси.
Плотность смеси газов определяется по формуле (кг/м3):
 см г   ( N i г   i г ) ,
(1.18)
где Ni – мольные доли компонентов газовой смеси;
iг – плотность соответствующих компонентов.
При расчете количеств вредных веществ, выделяющихся со свободной
поверхности жидкости, необходимо помнить, что они состоят из смеси
веществ, состав которых зависит от температуры, давления, а так же от
объемной (мольной) доли каждого вещества в растворе.
Давление газовой смеси над раствором равно:
(1.19)
Рсм   Рi , кг / м 2
где Рi – парциальное давление компонента смеси.
Согласно закону Рауля парциальное давление компонента, входящего в
состав смеси, определяется по формуле:
Рi  N i  Рiн ,
(1.20)
где Ni – мольная доля компонента в растворе;
Рiн – давление насыщенного пара вещества над чистым компонентом при
заданной температуре.
Зависимость давления насыщенного пара чистого вещества от
температуры описывается уравнением:
lg Рiн  A 
B
, мм рт ст
(C  t )
(1.21)
или
B
(1.22)
,
T
значения эмпирических коэффициентов А, В, С (константы Антуана) для
чистых веществ приведены в Приложении.
Парциальное давление насыщенных водяных паров в наружной среде
(т.е. в газовой фазе) определяется по формуле:
7,5  t
(1.23)
lg РHн 2O  0,622 
,
(238  t )
где t – температура наружной среды, оС.
Парциальное давление водяных паров при заданной влажности
наружной среды определяется по формуле:
н
(1.24)
РH 2O  РН 2О   , мм рт ст
lg Рiн  A 
где  - влажность наружной среды, %.
Зная 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. Концентрацию насыщенных паров компонента, выраженную в
единицах давления, можно пересчитать в объемную концентрацию по
следующей формуле:
16  Рi  M i  1000
(1.25)
Ci 
, мг / м3
(273  t )  133,3
где Рi – парциальное давление компонента газовой смеси при заданной
температуре и давлении, Па;
Мi – молекулярная масса данного вещества; 1 мм рт ст = 133,322 Па.
Пример 1. Определить параметры среды в производственном
помещении.
Исходные данные: влажность в помещении φ = 60%; концентрация
дихлорэтана в воздухе СД =5 мг/м3; температура t = 16 оC; давление среды В
= 101,3 кПа.
Решение. Относительные молекулярные массы составляющих среды:
М В = 28,96; М Н 2О = 18,015; М Д  98,97.
Давление насыщения водяных паров в воздухе производственного
помещения:
7,5  t
;
lg Р н Н 2О  0,622 
238  t
7,5  16
 1,0944
lg P H H 2O  0,662 
238  16
P H H 2O  12,4 мм рт. ст. или 1653 Па.
Давление водяных паров при заданной влажности в помещении:
Р Н Н 2О  Р Н Н 2О  
60
 992 Па.
100
Парциальное давление примеси (дихлорэтана):
C  273  t   133,3
273  16  5  133,3  0,12 Па.
Рt  t
; PД 
98,97  16  1000
M t  16  1000
Парциальное давление основного компонента наружной среды –
воздуха:
РВ  В   Рi ; P  101325  992  0,12  100333 Па.
РН 2О  1653 
B
Мольные доли составляющих наружную среду:
Ni  Pi B;
NД = 100333/101325 = 0,9902; N H2O  993/101325 = 0,00979;
N Д = 0,12/101325 = 0,00001
 Ni  1
Концентрация составляющих наружной среды, мг/м3:
16 Pi  M i  1000
Сi 
;
273  t   133,3
16  100333  28,96  1000
 1206800 ;
273  16  133,3
16  992  18,015  1000
CH 2O 
 7422;
273  16  133,3
160,1298,971000
CД 
 5,0 .
27316133,3
Произведение NiPi для газовых составляющих наружной среды, мг/м3
(кг/м3):
N  P  1206800 (1,207);
CB 
B
N
H 2O
B
P
H 2O
 7422 (0,0074).
Плотность наружной среды:
см   ( Ni  i )
 см =1,207+0,0074+0,000005  1,214 кг/м3 .
Динамическая вязкость газовых составляющих при t = 0 оС, Пас,
(Приложение):
 oВ  171  10 2 ; oН 2О  82  10  2 ;  oД  61  10 2.
Константы Сатерленда (Приложение):
SatH 2 O  82  10 2 ;
Sat B  107 ;
Sat Д  524.
Динамическая вязкость газовых составляющих при t = 16 оC, Пас;
273  Sat  T 1,5
 t  o 

 ;
273


T  Sat
 B  171  10
2
1,5
273 107  289 



(273 16) 107  273 
 177,38  10  2 ;
1,5
 H 2O  82  10
2
273  673  289 



289  673  273 
 87,35  10  2 ;
273 524  289 1,5
2
 Д  61 10 

  64,6  10 .
289 524  273 
Относительная молекулярная масса смеси газов наружной среды:
2
М см   ( N i M i );
М см  28,96  0,9902  0,00979  18,015  0,000001  98,97  28,85
Динамическая вязкость смеси газов наружной среды:
М см
 см 
;
( N i M i )

i
28,85
 см 
 176,25  10  2 Па  с.
0,9902 28,96 0,00979 18,015 0,00000198,97


2
2
177 ,3810
87,3510
64,610  2
Кинематическая вязкость смеси газов наружной среды:
 см 
 см
 см
2
176,2510  2
.
 см 
 145,18  10  2 м
с
1,214
Коэффициент диффузии компонентов наружной среды при t = 0 оC и Р
= 101308 Па, м2/ч:
0,8
0,8
D
 0,36;
Dо В 
 0,36  0,0535;
М
28,96
0,8
0,8
Dо Н О 
 0,36  0,0679;
Dо Д 
 0,36  0,0289 .
2
18,015
98,97
Коэффициент диффузии компонентов наружной среды при t = 16 оC и
Р=В=101325 Па, м2/ч:
2
 T  101308
Dt  Do  
;

P
 273 
2
 273 16  101308
D  0,0535  
 0,0599;

B
 273  101325
2
 273 16  101308
D
 0,0679  
 0,0761;
 
H 2O
 273  101325
2
 273  16  101308
D Ä  0,0289  
 0,0324 .
 
 273  101325
ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
ЗАДАНИЕ 1. Определить параметры среды в производственном помещении.
Исходные данные: влажность в помещении, концентрация примеси в воздухе,
температура в помещении, молекулярная масса вещества примеси приведены в таблице 1.
Давление среды В = 101,3 кПа. Молекулярные массы воздуха и водяных паров 28,96 и
18,0, соответственно.
Таблица 1
Вари
ант
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
Примесь
Пропан
Бутан
Метан
Оксид азота
Диоксид азота
Аммиак
Бензол
Бензин
Бром
Ацетон
Гексан
Гептан
СО
Метанол
SO2
SO3
H2S
Хлор
Этанол
Фенол
Формальдегид
Этан
Эфир
петролейный
Пентан
Исходные данные к заданию 1
Молекулярная
масса
44,1
58,1
16,0
30,0
46,0
17,0
78,1
101,0
159,8
58,1
86,2
100,2
28,1
32,0
64,1
80,1
34,1
70,9
46,1
94,1
30,0
30,1
Характеристика среды
Концентрация Температура, Влажность,
оС
примеси, мг/м3
%
10
22
40
16
24
36
12
18
38
20
16
32
11
20
50
17
17
60
20
23
74
14
26
70
18
15
65
13
21
58
19
18
45
17
17
49
9
25
52
16
30
61
10
19
44
18
29
30
10
18
40
16
22
53
12
25
48
20
28
45
11
27
39
17
19
47
86,2
20
17
50
72,1
14
24
48
25
26
27
28
29
30
Ацетилен
Водород
Гидразин
Кислота
уксусная
Тиофен
Формальдегид
26,0
2,0
32,0
18
13
19
25
14
27
45
63
39
60,0
15
26
46
84,1
30,0
9
16
30
28
56
53