3.2. Расчёт количества загрязняющих веществ, поступающих в атмосферный воздух при "большом дыхании" аппарата

"Большим дыханием" называют вытеснение паров наружу или подсос воздуха внутрь аппаратов при изменении в них уровня жидкости. Наполне­ние почти всегда происходит при постоянных температуре и давлении в емко кости Рра_б. Объем вытесняемых газов К_г, м³(или паров при наполнении аппарата

,

где V₁ и V₂- объём газов или паров в аппарате перед его заполнением и после заполнения

;

здесь Д_ап, Н_ап - соответственно диаметр и высота аппарата (емкости); k_s - ко­эффициент степени заполнения.

Масса теряемых при "дыхании" газов или паров за цикл, кг/цикл

,

где -плотность газов или паров, кг/м³.

Количество составляющих газовой смеси G, г, вытеснен

,

где C_i- концентрация составляющего компонента газовой смеси, мг/м³.

3.3. Расчёт количества загрязняющих веществ, поступающих в атмосферный воздух при "малом дыхании" аппарата

"Малым дыханием" называют вытеснение газов или паров наружу или подсос воздуха внутрь аппарата, вызываемые изменением температуры газов или паров под влиянием внешней среды. При "малом дыхании" уровень жид­кости изменяется очень незначительно, следовательно, объем газового или парового пространства аппарата остается постоянным. Давление в аппарате газовой смеси Р_раб также остается неизменным, так как ее избыток удаляется через "дыхательную" систему.

Если за весь период "малого дыхания" температура равномерно изме­няется от t, к t₂, то равномерно изменяется и концентрация насыщенных па­ров от C₁ до С₂. Если температура при "малом дыхании" изменяется нерав­номерно, то весь период делят на небольшие отрезки времени и находят из­менение температуры и соответствующие потери газовой смеси за каждый промежуток времени, а затем определяют общие потери. "Малое дыхание" характерно главным образом для аппаратов, расположенных вне помещений. Объем вытесняемых газов или паров при "малом дыхании", м³, можно найти из следующего выражения

,

где V_г – увеличение газов или паров, м³; V – объём газа или пара в аппарате над жидкостью, м³; - коэффициент объёмного расширения, равный 1/273; - изменение температуры газа или пара над жидкостью. Масса теряемого при «дыхании» вещества G_i, кг/цикл, определяется из выражения

G_i = V_Г ∙ С_iСР

где С_iСР – средняя концентрация насыщенных паров определяемого вещества при «дыхании», г/м³

∙ С_iСР=(С_i1 – С_i2)/2,

здесь С_i1 и С_i2 – концентрации насыщенных паров при t₁ и t₂/

3.4. Расчет количества загрязняющих веществ, поступающих в атмосферный воздух через щелевой зазор из аппаратов, находящихся под разрежением

Аппарат, в котором токсичная среда находится под малым разрежени­ем (Р до 0,01 ∙ 10⁵ Па или Р до 0,01 кгс/см²), также является источником загрязнения воздушной среды, что обусловлено диффузией ЗВ через неплотности (сквозные поры) аппарата. Этот процесс особенно опасен, когда концен­трация токсичных веществ в аппарате примерно в 10⁵ раз превышает предельно допустимые в рабочей зоне производственных помещений.

Количество ЗВ G,, г/ч, выделяющихся при разрежении, определяется по формуле

, (17)

где F- суммарная площадь щелей, м² ; С_i - концентрация ЗВ в аппарате, г/см³; v- скорость воздуха в щелях, м/с; Ре - критерий Пекле в задачах диффузионного переноса вещества,

здесь l – средняя длина щелей, м; D_i – коэффициент диффузии газа в воздухе, м²/с.

Формулу (17) можно представить в виде

.

Количество ЗВ, G_i , которое может выделяться из аппарата в процессе экс­плуатации при давлении Р_э, отличном от давления при испытании Р_исп, опре­деляется по формуле

где - коэффициент запаса, принимаемый в пределах 1,5 - 2,0; Р_э- разрежение в процессе эксплуатации, Па.

При разрежении более 0,01 10⁵ Па аппарат рассматривают как вакуумный и к его герметичности предъявляют повышенные требования. ЗВ, выделяющиеся через неплотности вакуумного аппарата, не учитывают, так как их количество невелико.

Примеры расчета

Пример 1. Определить количество ЗВ, выделяющихся через неплотно­сти фланцевых соединений вновь смонтированного цехового трубопровода (d= 108 мм; толщина стенки 4 мм; длина 150 мм).

Исходные данные. Состав среды в трубопроводе, % (по массе): водород 58,9; a_Hi=0,589; оксид углерода 7,1; а_СОг=0,071; метан 34; = 0,34. Температура газовой смеси в трубопроводе t = 50°С. Избыточное давление в трубопроводе P_изб = 209060 Па. Давление наружной среды В = 101325 Па.

Решение. Относительные молекулярные массы составляющих газовой смеси : =2,0; М_СО = 28,0; =16,0. Объёмные доли составляющих га­зовой смеси определяем по формуле (4):

;

;

;

Абсолютное давление газовой смеси Р_а6с, Па, в трубопроводе определяем по формуле Р_абс =Р_изб +В, Р_абс= 209060 +101325 = 310385Па.

Парциальное давление составляющих газовой смеси Р_i Па, рассчитываем по формуле

;

.

Концентрации составляющих газовой смеси С_i мг/м³, рассчитываем по формуле (14):

;

;

.

Произведение n_i ∙ р_i, для составляющих газовой смеси, мг/м³ (кг/м³):

;

;

.

Плотность газовой смеси в трубопроводе определяем по формуле (8):

кг/м³.

Молекулярную массу газовой смеси в трубопроводе находим по фор­муле (6):

.

Коэффициент негерметичности фланцевых соединений цехового тру­бопровода (табл. 3.1) т= 0,001. Объем газов в трубопроводе, м³,

,

.

Количество газовой смеси, выделяющейся через неплотности фланцевых соединений трубопровода, рассчитываем по формуле (15):

г/ч.

Объем газовой смеси, выделяющейся через неплотности фланцевых соединений трубопроводов, м³/ч,

,

.

Количество составляющих газовой смеси, выделяющейся через не плотности фланцевых соединений, г/ч:

;

;

Пример 2. Определить количество ЗВ, выделяющихся через щелевой зазор аппарата диаметром 1,4 м. Толщина щелевого зазора δ = 0,0005 м, длина щелевого зазора l = 0,05 м.

Исходные данные. Разность давлений в аппарате и окружающей среде P_изб~ 0,01 ∙ 10^s  Па. Состав жидкости, % (по массе): вода - 40, бензол - 306, дихлорэтан - 30; состав газовой среды: воздух с примесью аммиака. Температура жидкости и газовой среды в аппарате t = 40 °С. Давление наружной среды В = 101325 Па. Влажность воздуха φ = 50 %. Концентрация аммиака в воздухе мг/м³.

Решение. Относительные молекулярные массы составляющих газовой среды: ; ; М_д= 48,97; . Мольные доли составляющей жидкости ; ; ; .

Парциальное давление насыщенных паров компонентов над чистыми жидкими веществами определяем по формуле (11).

Константы А, В и С определяем по справочнику [4, прил, I]: Вода А=7,9608 В=1678 С = 230

Бензол А =6,912 В=1214,6 С= 221,2

Дихлорэтан А =7,184 В=1358,5 С = 232

Тогда парциальное давление насыщенных паров компонентом над чистыми жидкими веществами:

;

мм.рт.ст , или 7541 Па;

= 6,912 -1214,6 /(221,2 + 40) = 2,262;

= 182,5 мм рт.ст., или 24273,5 Па;

= 7,184 -1358,5 /(232 + 40) = 2,190;

=155 мм рт.ст.; или 20615 Па.

Подставляем полученные данные в формулу (10) и получаем:

=57,59Па: = 3206,4 Па; Р_д = 2148 Па; = 1,503 Па.

Полное давление среды в аппарате вычисляем по формуле (9):

Р_см. = 0,01 ∙ 10⁵+ 101325 = 102325 Па.

Парциальное давление основного газового компонента - воздуха

,

Р_в = 102325 - (5759 + 3206,4 + 2148 + 1,503) = 91210,1 Па.

Объёмные доли газовых составляющих:

;

= 5759/102325 = 0,0563;

n_б = 3206,4/102325 = 0,0314;

п_д = 2148/102325 = 0,0212;

= 1,503/102325 = 0,000015,

п_в = 91210/102325 = 0,892.

Концентрации составляющих газовой смеси, мг/м³, находим по формуле (14):

= 16 ∙ 5759 ∙18,015 ∙-1000 /[(273 + 40) ∙ 133,3] = 39876;

С_б = 16 ∙ 3206,4 ∙ 78,10 ∙ 1000/[(273 + 40) ∙ 133,3] = 96258;

С_д = 16 ∙ 2148 ∙ 98,97 ∙1000/[(273 + 40) ∙133,3] = 81710;

С_В = 16 ∙ 91210,1 ∙ 28,96 ∙ 1000/[(273 + 40) ∙ 133,3] = 1012946.

Произведение составляющих газовой смеси, мг/м³ (кг/м³):

= 39876(0,0398); = 96258(0,0963);

= 81710(0,0817); = 10(0,00001);

=1012946(1,013).

Плотность газовой смеси в аппарате определяем по формуле (8):

= 0,0398+,0963 + 0,0817 + 0,00001 +1,013 = 1,231 кг/м³.

Динамическая вязкость составляющих газовой смеси над жидкостью

при t = 0°С, Па ∙ с:

; ; ;

; .

Константа Сатерленда: = 673; = 380; = 524; ~ 503;

Sat_e= 107.

Динамическую вязкость составляющих газовой смеси, Па ∙ с, при t = 40°С рассчитываем по формуле (1):

;

.

Относительную молекулярную массу смеси газов над жидкостью определяем по формуле (6):

М_см.г = 0,0563∙ 18,015+0,0314 ∙78,10 + 0,021∙ 98,97+0,0000 ∙17,31+0,892 ∙28,96 = 31,34.

Динамическую вязкость смеси газов над жидкостью находим по формуле (5):

= 152,1 ∙ 10^-7Па ∙ с.

Кинематическую вязкость смеси газов рассчитываем по формуле (7):

= 123,5 ∙ 10^-7 м/с.

Площадь щелевого зазора ; F= 3,14 ∙ 1,4 ∙ 0,0005 = 0,0022.

Количество газовой смеси, выделяющейся через щелевой зазор, опре­деляем по формуле (16):

=1124,52г/ч.

Объём газовой смеси, выделяющейся из аппарата, м³/ч, и количество составляющих газовой смеси, выделяющихся из аппарата, г/ч, определяем аналогично примеру 1:

V_CM = (1124,52/1,231) ∙10^-3 = 0,914 м³/ч;

= 0,914∙ 39876 ∙ 10^-3 = 36,5;

= 0,914∙ 96258∙10^-3 =88,0;

= 0,914 ∙ 81710∙10^-3 =74,7;

= 0,914 ∙ 10 ∙10^-3 = 0,009;

= 0,914 ∙ 1012946 ∙10^-3 = 926.