Размещено на http:www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

Томский политехнический университет

Л.В.Шишмина

ЭКОЛОГИЯ НЕФТЕДОБЫВАЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ

Практикум

Издательство ТПУ

Томск 2004



УДК 502.36

Ш-65

Шишмина Л.В.

Ш-65 Экология нефтедобывающих комплексов: Практикум - Томск: Изд-во ТПУ, 2004. - 106с.

В практикуме представлены задачи на темы охраны компонентов окружающей среды - атмосферы, поверхностных и подземных вод, недр - от воздействия факторов, связанных с разработкой и эксплуатацией нефтяных месторождений: выбросов вредных веществ в атмосферу, сбросов загрязненных, в том числе и нефтепродуктами, вод, попадания нефти в грунт.

Практикум предназначен для студентов специальности 130503 «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений» и 130304 «Геология нефти и газа» дневного и заочного обучения.

УДК 502.36

Рекомендовано к печати Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета

Рецензенты

Заведующий отделом экологии ОАО «ТомскНИПИнефть ВНК»

кандидат физико-математических наук

А.Г. Гендрин

Ведущий научный сотрудник Кибернетического центра ТПУ

кандидат геолого-минералогических наук

Г.М. Волощук

© Томский политехнический университет, 2004

© Оформление. Издательство ТПУ, 2004



Содержание

Введение

I. Охрана атмосферы

1 Определение основных свойств наружной и внутренней среды

2 Расчеты выбросов в атмосферу загрязняющих веществ из различных источников

2.1 Расчет количества вредных веществ, поступающих из газового объема трубопроводов и оборудования, находящихся под давлением

2.1.1 Определение количества вредных веществ, поступающих через неплотности фланцевых соединений при Ризб ? 2•105 Па

2.1.2 Определение количества вредных веществ, поступающих через неплотности фланцевых соединений при 2•105 > Ризб ? 0,02•105 Па

2.2 Расчет количества вредных веществ, поступающих в атмосферный воздух при «большом» и «малом дыхании» аппарата

2.2.1 Расчет количества вредных веществ, поступающих в атмосферный воздух при «большом дыхании» аппарата

2.2.2 Расчет количества вредных веществ, поступающих в атмосферный воздух при «малом дыхании» аппарата

3 Расчеты элементов факельной системы и рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере

3.1 Элементы факельной системы

3.1.1 Расчет диаметра факельной трубы

3.1.2 Расчет высоты факельной трубы

3.2 Расчет загрязнения атмосферы выбросами одиночного точечного источника

3.2.1 Максимальное значение приземной концентрации вредных веществ

3.2.2 Расстояние, на котором достигается максимальная концентрация вредных веществ

3.2.3 Опасная скорость ветра

3.2.4 Максимальное значение приземной концентрации вредных веществ с учетом скорости ветра

3.2.5 Расстояние, на котором достигается максимальная концентрация вредных веществ с учетом скорости ветра

3.2.6 Приземная концентрация вредных веществ в атмосфере по оси факела выброса

3.2.7 Приземная концентрация вредных веществ в атмосфере по перпендикуляру к оси факела выброса

3.3. Концентрация газа в воздушном пространстве вблизи поврежденного газопровода

II. Охрана водных ресурсов

4 Определение необходимой степени очистки производственных сточных вод

4.1 Расчет необходимой степени очистки производственных сточных вод по содержанию загрязняющих веществ

4.2 Расчет необходимой степени очистки производственных сточных вод по взвешенным веществам

4.3 Очистные сооружения для нефтесодержащих стоков

4.3.1 Методы очистки нефтесодержащих стоков

4.3.2 Подбор нефтеловушки

5 Оценка возможности загрязнения пресных подземных вод нижезалегающими минерализованными водами

6 Оценка возможности подтягивания загрязненных подземных вод к водозаборным сооружениям

III. Охрана литосферы

7 Способы уменьшения загрязнения и очистки грунтов

8 Индивидуальные задания

Список литературы



Введение

Практикум представляет собой учебное пособие к теоретическому курсу «Экология нефтедобывающих комплексов». Основное его назначение - дать возможность приложить полученные студентами знания к решению практических задач и, с другой стороны, проверить насколько усвоен теоретический материал. Примеры, собранные в данном пособии, ценны и сами по себе, поскольку служат методическим пособием по решению реальных экологических задач.

Весь материал в учебном пособии разделен на три части соответственно компонентам окружающей среды: атмосфера, воды, поверхностные и подземные, и недра. В материал каждого раздела включена справочная часть, в которой приведены основные формулы, необходимые коэффициенты, и типовые примеры, иллюстрирующие методику решения данного класса задач.

В конце практикума содержится Приложение, где представлены физико-химическая характеристика и константы некоторых химических веществ. наружный внутренний среда факельный

Для выполнения расчетов и построения графиков рекомендуется использовать EXCEL.

I. Охрана атмосферы

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 20 ^оС, плотность жидкости рассчитывается по формуле:

(1.1)

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 P_о = 100 кПа рассчитывают по следующей формуле:

, кг/м³ (1.2)

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 ^оC и давлении кПа используют уравнение Клапейрона:

(1.3)

Динамическую вязкость газов и паров при ^оC рассчитывают по формуле:

(1.4)

где Sat - константа Сатерленда (Приложение).

В практических расчетах для расчета динамической вязкости жидкости _tж при ^оC при определении количества вредных веществ, выделяющихся через неплотности соединений трубопроводов и оборудования, можно использовать формулу Пуазейля:

(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:



(1.6)

где - динамическая вязкость, Па_·с; - плотность, кг/м³.

Коэффициент диффузии, который необходим для расчетов количества выделяющихся вредных веществ из оборудования, можно рассчитать по следующей зависимости:

(1.7)

где D_о - коэффициент диффузии при t = 0 ^оС и Р_o = 100 кПа.

Коэффициент диффузии при и кПа определяют по формуле:

(1.8)

где Р_о = 100 кПа; T_о = 273 К;

Р и Т - давление и температура в оборудовании или трубопроводе.

Чтобы найти коэффициент диффузии при любой температуре, используют формулу:

(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:

(1.10)

Массовые доли компонентов пересчитывают в мольные - по формуле:

(1.11)

где N_i - мольная доля компонента;

a_i - массовая доля компонента;

М_i - молекулярная масса компонента.

Когда в трубопроводе или оборудовании находится смесь жидкостей, плотность этой смеси определяют по выражению:

(1.12)

где _iж - плотность компонента.

Динамическая вязкость смеси нормальных жидкостей определяется из выражения (Па·с):

(1.13)

где N_i - 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:



(1.14)

где М_см,г, М_i - молекулярные массы смеси газов и отдельных компонентов;

v_i - объемные (молярные) доли компонентов в смеси (v_iг = N_iг),

_{см г}, _i - коэффициенты динамической вязкости смеси газов и отдельных компонентов.

(1.15)

Кинематическая вязкость газовой смеси:

(1.16)

или

(1.17)

где _i - кинематическая вязкость компонента газовой смеси.

Плотность смеси газов определяется по формуле (кг/м³):

(1.18)

где N_i - 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)

где Р_i - парциальное давление компонента смеси.

Согласно закону Рауля парциальное давление компонента, входящего в состав смеси, определяется по формуле:

(1.20)

где N_i - мольная доля компонента в растворе;

Р_i^н - давление насыщенного пара вещества над чистым компонентом при заданной температуре.

Зависимость давления насыщенного пара чистого вещества от температуры описывается уравнением:

мм рт ст (1.21)

или

(1.22)

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:



(1.23)

где t - температура наружной среды, ^оС.

Парциальное давление водяных паров при заданной влажности наружной среды определяется по формуле:

(1.24)

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:

(1.25)

где Р_i - парциальное давление компонента газовой смеси при заданной температуре и давлении, Па;

М_i - молекулярная масса данного вещества; 1 мм рт ст = 133,322 Па.

Пример 1.1. Определить параметры среды в производственном помещении.

Исходные данные: влажность в помещении ц = 60%; концентрация дихлорэтана в воздухе С_Д =5 мг/м³; температура t = 16 ^оC; давление среды В = 101,3 кПа.

Решение. Относительные молекулярные массы составляющих среды:

= 28,96; = 18,015; 98,97.

Давление насыщения водяных паров в воздухе производственного помещения:

lg

lg

мм рт. ст. или 1653 Па.

Давление водяных паров при заданной влажности в помещении:

Па.

Парциальное давление примеси (дихлорэтана):

Па.

Парциальное давление основного компонента наружной среды - воздуха:



Па.

Мольные доли составляющих наружную среду:

N_Д = 100333/101325 = 0,9902; 993/101325 = 0,00979;

= 0,12/101325 = 0,00001

Концентрация составляющих наружной среды, мг/м³:

.

Произведение N_iP_i для газовых составляющих наружной среды, мг/м³ (кг/м³):

(1,207);

(0,0074).

Плотность наружной среды:

=1,207+0,0074+0,0000051,214 кг/м³ .

Динамическая вязкость газовых составляющих при t = 0 ^оС, Пас, (Приложение):

;

Константы Сатерленда (Приложение):

Динамическая вязкость газовых составляющих при t = 16 ^оC, Пас;

Относительная молекулярная масса смеси газов наружной среды:

Динамическая вязкость смеси газов наружной среды:

Кинематическая вязкость смеси газов наружной среды:

.

Коэффициент диффузии компонентов наружной среды при t = 0 ^оC и Р = 101308 Па, м²/ч:

Коэффициент диффузии компонентов наружной среды при t = 16 ^оC и Р=В=101325 Па, м²/ч:

Пример 1.2. Определить параметры внутренней среды в трубопроводе, транспортирующем газовую смесь.

Исходные данные. Давление наружной среды В = 101325 Па; состав смеси, % масс.: водород 58,9, б_Н2 = 0,589; оксид углерода 7,1, б_СО = 0,071; метан 34, б_СН4 = 0,34. Температура газовой смеси t = 50 ^оС. Избыточное давление в трубопроводе Р_изб = 101325 Па.

Решение. Молекулярные массы составляющих газовой смеси: М_Н2 = 2; М_СО = 28; М_СН4 = 16.

Объемные доли составляющих газовой смеси:

Абсолютное давление газовой смеси в трубопроводе:

Парциальное давление составляющих газовой смеси, Па:

Концентрации составляющих газовой смеси, мг/м³:

Произведение N_i•с_i для составляющих газовой смеси, мг/м³ (кг/м³):

Плотность газовой смеси в трубопроводе:

Динамическая вязкость составляющих газовой смеси при t = 0 ^oC и Р_o = 101308 Па, Па·с:

Константы Сатерленда:

Динамическая вязкость составляющих газовой смеси при t = 50 ^oC, Па•с:

Молекулярная масса смеси газов в трубопроводе:

Динамическая вязкость смеси газов в трубопроводе:



Кинематическая вязкость смеси газов в трубопроводе:

Коэффициенты диффузии составляющих газовой смеси при t = 0 ^oC и Р_o = 101308 Па, м²/ч:

Коэффициенты диффузии составляющих газовой смеси при t = 50 ^oC и Р = 202650 Па, м²/ч:

Пример 1.3. Определить параметры среды над открытой поверхностью жидкости в наружной среде.

Исходные данные. Давление наружной среды В = 101325 Па. Состав жидкости, % масс.: вода 40, _Н2О = 0,4; бензол 30, _Б = 0,3; дихлорэтан 30, _Д = 0,3. Температура жидкости t = 40 ^oC. Наружная среда - воздух. Влажность воздуха = 60 %. Температура воздуха t = 16 ^оС.

Молекулярные массы составляющих среды: М_Н2О = 18,02; М_Б = 78,1;М_Д = 98,97; М_В = 28,96.

Решение

Мольные доли составляющих компонентов жидкости:

Из Приложения находим эмпирические коэффициенты А, В, С для каждого компонента смеси:

Вода	А = 7,9608;	В = 1678,0;	С = 230,0;
Бензол	А = 6,9120;	В = 1214,6;	С = 221,2;
Дихлорэтан	А = 7,1840;	В = 1358,5;	С = 232,0.

Давление насыщенного пара чистого вещества при заданной температуре:

Парциальное давление паров компонента над смесью жидкостей:

Парциальное давление основного газового компонента - воздуха:



Объемные (мольные) доли газовых составляющих над жидкостью:

Концентрации составляющих газовой смеси над жидкостью:

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

Плотность газовой смеси над жидкостью (с учетом температуры жидкости):

Динамическая вязкость составляющих газовой смеси над жидкостью при (Приложение), Па•с:

Константы Сатерленда (Приложение):

Динамическая вязкость составляющих газовой смеси над жидкостью при , Па·с:

Молекулярная масса смеси газов над жидкостью:

Динамическая вязкость смеси газов над жидкостью, Па·с:

Кинематическая вязкость смеси газов над жидкостью, м²/с:

Коэффициенты диффузии компонентов газовой смеси над жидкостью при t = 0 ^oC и Р_o = 101 308 Па, м²/ч:

Коэффициенты диффузии компонентов газовой смеси над жидкостью при t = 40 ^oC и Р = 101 325 Па, м²/ч:



2. Расчеты выбросов в атмосферу загрязняющих веществ из различных источников

Поступление вредных веществ в воздух может быть вызвано следующими физико-химическими процессами: истечением вследствие разности давлений в оборудовании и наружной среды, турбулентным и молекулярным переносом в результате разности парциальных давлений, при неполном сжигании различных видов топлива, при механической обработке, при химических реакциях и т.д.

Количество выделяющихся веществ в зависимости от поставленной задачи и требуемой степени точности можно определить исходя из удельных показателей, газовоздушных балансов, а также расчетным путем.

2.1 Расчет количества вредных веществ, поступающих из газового объема трубопроводов и оборудования, находящихся под давлением

2.1.1 Определение количества вредных веществ, поступающих через неплотности фланцевых соединений при Р_изб ? 2 • 10⁵ Па

Количество газовой смеси, выделяющейся через неплотности фланцевых соединений, определяется по формуле:

(2.1)

где 3,57 -коэффициент, ^оС^1/2 • см²/(м³ • ч);

з - коэффициент запаса, принимаемый равным 2;

Р_изб - избыточное давление, Па;

m - коэффициент негерметичности, характеризующий падение давления в аппарате, ч^-1;

V - объем аппарата, занимаемый газовой (паровой) фазой, м³;

Т - абсолютная температура газа или пара в аппарате, К;

М - молярная масса газа или пара.

Допустимые значения коэффициентов негерметичности приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Допустимые значения коэффициентов негерметичности

Емкость	Среда	Коэффициент негерметичности, ч-1
Газовые компрессоры, технологическое оборудование с трубопроводами и другое оборудование, работающее под давлением:
вновь установленные	Токсичная	0,001
	Пожаро- и взрывоопасная	0,002
повторное испытание	То же	0,005
Трубопроводы для горючих, токсичных и сжиженных газов и паров:
цеховые	Токсичная и горючая	0,0005
	Горючая	0,001
межцеховые	Токсичная и горючая	0,001
	Горючая	0,001

2.1.2 Определение количества вредных веществ, поступающих через неплотности фланцевых соединений при 2 • 10⁵ > Р_изб ? 0,02 • 10⁵ Па

Количество газовой смеси, выделяющейся через неплотности фланцевых соединений, приближенно определяется по формуле для Р_изб ? 2 • 10⁵ Па, но с коэффициентом запаса з = 1,5:

(2.2)

Пример 2.1. Определить количество вредных веществ, выделяющихся через неплотности фланцевых соединений вновь смонтированного трубопровода (d = 108 мм, толщина стенки - 4 мм, длина - 150 м).

Исходные данные. Состав среды в трубопроводе, % масс.: водород 58,9, оксид углерода 7,1, метан 34. Температура газовой смеси в трубопроводе t = 50 ^oC. Избыточное давление в трубопроводе Р_изб = 209060 Па. Давление наружной среды В = 101325 Па.

Решение. Относительные молекулярные массы составляющих газовой смеси: М_H2 = 2,0; М_CO = 28,0; М_CH4 = 16,0.

Мольные доли составляющих газовой смеси:

Абсолютное давление газовой смеси в трубопроводе:

Парциальное давление составляющих газовой смеси:

Концентрации составляющих газовой смеси:

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

Плотность газовой смеси в трубопроводе:

Молекулярная масса газовой смеси в трубопроводе:

Коэффициент негерметичности фланцевых соединений трубопровода (табл. 2.1): m = 0,001. Объем газов в трубопроводе: V = 0,785d²l; V = 0,7850,1²150 = 1,1775 м³.

Количество газовой смеси, выделяющейся через неплотности фланцевых соединений трубопровода:

Объем газовой смеси, выделяющейся через неплотности фланцевых соединений трубопроводов:

Количество составляющих газовой смеси, выделяющейся через неплотности фланцевых соединений трубопровода, г/ч:

Пример 2.2. Определить количество вредных веществ, выделяющихся через неплотности фланцевых соединений из аппарата диаметром 1,4 м и высотой 2,5 м. Степень заполнения жидкостью k_з = 0,7.

Исходные данные. Состав жидкости в аппарате, % (масс.): вода 40, бензол 30, дихлорэтан 30. Газовая среда в аппарате - воздух с примесью аммиака. Влажность воздуха ц = 50 %. Концентрация аммиака в воздухе C_NH3 = 10 мг/м ³. Температура жидкости и газовой среды в аппарате t = 40 ^оC. Давление наружной среды В = 101325 Па. Избыточное давление среды в аппарате Р_изб = 101325 Па.

Решение. Молекулярные массы составляющих газовой среды: М_Н2О = 18,015; М_Б = 78,10; М_Д = 98,97; М_В = 28,96; М_NH3 = 17,81.

Мольные доли составляющих жидкости:

Из Приложения находим эмпирические коэффициенты А, В, С для каждого компонента смеси жидкости:

Вода	А = 7,9608;	В = 1678,0;	С = 230,0;
Бензол	А = 6,9120;	В = 1214,6;	С = 221,2;
Дихлорэтан	А = 7,1840;	В = 1358,5;	С = 232,0.

Парциальное давление насыщенных паров компонентов над чистыми жидкими веществами:

Парциальное давление паров компонента над смесью жидкостей (поступивших из жидкости):

Парциальное давление насыщенных водяных паров в газовой среде:

Давление водяных паров в газовой среде при заданной влажности:

Полное давление среды в аппарате:

Парциальное давление примеси (аммиака) в газовой фазе:

В таблице 2.2 приведены возможные парциальные давления компонентов в газовой смеси над жидкостью.



Таблица 2.2. Возможные парциальные давления компонентов над жидкостью

Компоненты	Парциальные давления компонентов	Возможное парциальное давление
	поступивших из жидкости	в первоначальной газовой среде
Вода	5759	3338	5759
Бензол	3206,4	0	3206,4
Дихлорэтан	2148	0	2148
Аммиак	0	1,503	1,503

Парциальное давление основного газового компонента - воздуха:

Объемные доли газовых составляющих:

Концентрация составляющих газовой смеси, мг/м³:

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

Плотность газовой смеси в аппарате:

Молекулярная масса смеси газов в аппарате:

Объем занимаемый газовой фазой в аппарате:

Коэффициент негерметичности аппаратов, подвергающихся повторному испытанию (существующий): m = 0,005.

Количество газовой смеси, выделяющейся из аппарата:

Объем газовой смеси, выделяющейся из аппарата:

Количество составляющих газовой смеси, выделяющихся через неплотности фланцевых соединений аппарата, г/ч:

2.2 Расчет количества вредных веществ, поступающих в атмосферный воздух при «большом» и «малом дыхании» аппарата

2.2.1 Расчет количества вредных 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 аппарата (например, резервуара) почти всегда происходит при постоянных температуре и давлении в емкости (Р_раб). Объем вытесняемых газов (или паров при наполнении аппарата) будет:

(2.3)

где V₁ и V₂ - объем газов или паров в аппарате перед и после его наполнения, м³.

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

(2.4)

где с_г.см - плотность газов или паров, кг/м³.

2.2.2 Расчет количества вредных 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 изменяются очень незначительно, следовательно, объем газового или парового пространства аппарата остается постоянным. Давление газовой смеси P_раб в аппарате также остается неизменным, так как её избыток удаляется через систему дыхательных клапанов.

Если весь период малого дыхания температура равномерно изменяется от t₁ до t₂, то равномерно изменяется и концентрация насыщенных паров от С₁ 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» можно найти из следующего выражения:

(2.5)

где V_Г -увеличение объема газа или паров, м³;

V - объем газа или пара в аппарате над жидкостью, м³;?

в - коэффициент объемного расширения;

Дt - изменение температуры газа или пара над жидкостью.

Масса теряемого при дыхании вещества, кг/цикл, определяется из выражения:

(2.6)

где С_{i ср} - средняя концентрация насыщенных паров определяемого вещества за период дыхания, г/м³ :

(2.7)

где C_{i 1} и С_{i 2} - концентрации насыщенных паров при t₁ и t₂.

Пример 2.3. Определить количество вредных веществ, выделяющихся через воздушку при «большом дыхании» аппарата.

Исходные данные. Состав жидкости в аппарате, % (масс.): вода 40; бензол 30 и дихлорэтан 30. Газовая среда в аппарате - воздух с примесью аммиака. Влажность воздуха ц = 50%. Концентрация аммиака в воздухе C_NH3 = 10 мг/м³. Температура жидкости и газовой среды в аппарате t = 40 ^oC. Давление наружной среды В =101325 Па. Диаметр аппарата 1,4 м. Высота аппарата 2,5 м. Высота уровня жидкости перед заполнением 0,2 м. Время заполнения аппарата 40 мин при степени заполнения k_З = 0,7.

Решение. По аналогии с решением примера 2.2 находим возможные парциальные давления компонентов в газовой смеси над жидкостью:

P_H2O = 5759; P_Б = 3206; P_Д = 2148; P_NH3 = 1,503 Па.

Парциальное давление основного газового компонента - воздуха:

Р_В = 101325 - (5759+3206,4+2148+1,503) = 90210,5 Па.

Концентрации составляющих газовой смеси, мг/м³:

Объем газовой смеси перед заполнением аппарата:

Объем газовой смеси после заполнения аппарата:

Объем вытесненной газовой смеси из аппарата за 40 мин:

Количество составляющих газовой смеси, вытесненных из аппарата за 40 мин:

Пример 2.4. Определить количество вредных веществ, поступающих в атмосферный воздух через воздушку аппарата при изменении в течении 1 ч температуры жидкости и газовой среды в аппарате с 40 до 42 ^оС.

Исходные данные. Состав жидкости в аппарате, % (масс): вода 40; бензол 30 и дихлорэтан 30. Газовая среда в аппарате - воздух с примесью аммиака. Влажность воздуха ц = 50%. Концентрация аммиака в воздухе С_NH3 = 10 мг/м³. Давление наружной среды В = 101325 Па. Диаметр аппарата 1,4 м, высота аппарата 2,5 м. Степень заполнения аппарата жидкостью k_З = 0,7.

Решение. Относительные молекулярные массы составляющих газовой и жидкой сред: М_H2O = 18,015; M_Б = 78,10; M_Д = 98,97; M_B = 28,96; M_NH3 = 17,31.

Мольные доли составляющих жидкости:

Из Приложения находим эмпирические коэффициенты для каждого компонента смеси жидкостей:

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.

Парциальное давление насыщенных паров компонентов над чистыми жидкими веществами:

при t = 40 ^оС:

при t = 42 ^оС:

Парциальное давление паров компонентов над смесью жидкостей, Па:

при t = 40 ^оС:

при t = 42 ^оС:

Парциальное давление насыщенных водяных паров в газовой среде:

при t = 40 ^оС:

при t = 42 ^оС:



Таблица 2.3. Возможные парциальные давления компонентов газовой смеси над жидкостью

Компонент	Парциальное давление компонентов, Па	Возможное парциальное давление, Па
	поступающих из жидкости	в первоначальной газовой среде
При t = 40 оC
Вода	5759	3328	5759
Бензол	3206,4	0	3206,4
Дихлорэтан	2148	0	2148
Аммиак	0	1,503	1,503
При t = 42 оC
Вода	6292	3719,5	6292
Бензол	3487	0	3487
Дихлорэтан	2535	0	2535
Аммиак	0	1,52	1,52

Парциальное давление водяных паров при заданной влажности:

при t = 40 ^оС:

при t = 42 ^оС:

Парциальное давление примеси (аммиака) в газовой среде:

при t = 40 ^оС:

при t = 42 ^оС:

Возможные парциальные давления компонентов газовой смеси над жидкостью приведены в табл. 2.3.

Парциальные давления основного газового компонента воздуха:

при t = 40 ^оС:

при t = 42 ^оС:

Концентрации составляющих газовой смеси:

при t = 40 ^оС:

при t = 42 ^оС:

Средняя концентрация компонентов газовой смеси, мг/м³:

Объем газовой смеси в аппарате:

Изменение температуры газовой смеси в аппарате:

Увеличение объема газовой смеси при изменении температуры:



Количество составляющих газовой смеси, выделяющихся из аппарата при малом дыхании, г/ч:



3. Расчеты элементов факельной системы и рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере

В настоящее время нормативным документом по расчетам рассеивания является «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий» ОНД-86. Эта методика лежит в основе автоматизированных расчетов при проектировании предприятий, а также при нормировании выбросов в атмосферу действующих предприятий и реконструируемых.

Степень опасности загрязнения атмосферного воздуха характеризуется наибольшим рассчитанным значением концентрации, соответствующим неблагоприятным метеорологическим условиям, в т.ч. опасной скорости ветра.

3.1 Элементы факельной системы

Скорость движения газа в факельной трубе независимо от колебаний нагрузки всегда должна быть больше скорости распространения пламени, но меньше некоторой предельной величины, при которой возможен отрыв пламени. На практике принимают, что пламя будет устойчивым при скорости газа на выходе из трубы, не превышающей 20--30% скорости звука.

3.1.1 Расчет диаметра факельной трубы

Расход сбрасываемого газа определяется по формуле

(3.1)

где G - расход газа, кг/ч;

с - плотность газа, кг/м³;

и - скорость газа на выходе из факельной трубы, м/с;

S - площадь поперечного сечения трубы, м².

Плотность газа равна

(3.2)

где М - молекулярная масса газа, кг/кмоль;

Р - абсолютное давление газа, Па;

Т - температура, К;

R - универсальная газовая постоянная, равная 8314,8 Па·м³/(кмоль•К).

Скорость газа на выходе из факельной трубы принимается равной 20% скорости звука в этом же газе. В идеальном газе скорость звука может быть выражена формулой

(3.3)

Тогда скорость газа

(3.4)

где k - показатель адиабаты (k=C_P /C_V).

Поперечное сечение факельной трубы

(3.5)

где D - диаметр факельной трубы, м.

После подстановки уравнений 3.2 - 3.5 в уравнение 3.1, получим

 (3.6)

Если расход газа задан G^/, (м³/ч), диаметр факельной трубы рассчитывают по уравнению

(3.7)

Если сжигаются газы, не выделяющие дыма, расчетный диаметр можно уменьшить на 15%.

Длину факела L, м, рассчитывают по формуле

L= 118 D. (3.8)

3.1.2 Расчет высоты факельной трубы

Интенсивность теплоизлучения пламени определяется уравнением

(3.9)

где Ш - коэффициент светового излучения;

Q - количество тепла, выделяемого пламенем, МДж/ч;

l - расстояние от центра пламени, м, при котором интенсивность теплоизлучения снижается до безопасной величины q = 5 МДж/(м²•ч).

Коэффициент излучения Ш выражается эмпирическим уравнением

(3.10)



где Q_H - низшая теплота сгорания факельного газа, МДж/м³, определяемая по формуле

где М - молекулярная масса газа.

Для газовых смесей

где y - мольная доля компонента i в смеси;

Q_{H i} - низшая теплота сгорания компонента.

Количество тепла, выделяемого пламенем

(3.11)

где G_ФГ - расход факельного газа, м³/ч;

Q_H - низшая теплота сгорания факельного газа, МДж/м³.

Максимальную интенсивность теплоизлучения q_М определяют по формуле

(3.12)

где l₁ - расстояние от центра пламени до основания факельной трубы, м, (рис.3.1), равное

(3.13)



где Н - высота факельной трубы, м.

Подставляя формулу (3.13) в формулу (3.12) и решая уравнение относительно Н, получим

(3.14)

Высота факельной трубы должна обеспечить безопасность радиационно-теплового воздействия на персонал. Максимальная величина q_М, которую может выдерживать персонал в течение некоторого промежутка времени, составляет 17 МДж/(м²·ч). Подставив эту величину в уравнение (3.14), получим

Рис. 3.1. Расположение факела в отсутствие ветра (а) и при наличии ветра (б).

Условные обозначения даны в тексте

(3.15)

Расстояние 1₂ от основания факельной трубы до безопасной зоны (рис.3.1, а) можно вычислить как длину катета в прямоугольном треугольнике

Эта зависимость справедлива для случая, когда сброс газа производится в неподвижную атмосферу.

При ветре (рис.3.1, б) пламя будет отклонено под углом к оси трубы. Площадь у основания трубы, на которой интенсивность излучения будет выше допустимого предела, имеет форму эллипса. Таким образом, расстояние от факельной трубы до безопасной зоны увеличивается. Как следует из рисунка (3.1, б)

где u_B - скорость ветра, м/с;

u - скорость выброса газов, м/с;

- угол наклона пламени.

Пример 3.1. Определить размеры факельной трубы для разгрузки предохранительных клапанов и безопасные расстояния.

Исходные данные: давление газа в сбросной трубе Р = 100 кПа, температура окружающего воздуха t = 21 °C.

Таблица 3.1 Характеристика выбросов

Газ	Молекулярная масса	Расход мольный, G/, моль/ч	Расход массовый, G, кг/ч
Углеводороды	36,5	4415	161400
Водяной пар	18,0	1220	22400
Сумма	32,5	5635	183400

Таблица 3.2 Свойства сбросного газа



Газ	Yi	CV, кДж/(моль•К)	CP	Yi• CV	Yi• CP	QH,	Yi• QH
Углеводороды	0,783	41,6	54,4	36,0	42,5	71,0	55,5
Водяной пар	0,217	25,0	33,3	5,5	7,2	0,0	0,0
Сумма	1	-	-	41,5	49,7	-	55,5

Решение

Показатель адиабаты

k = 49,7 / 41,5 = 1,198.

Скорость звука в сбрасываемом газе

Плотность сбрасываемого газа

Скорость газа на выходе принимаем равной 20% скорости звука

Площадь поперечного сечения факельной трубы



Диаметр факельной трубы

Общее тепловыделение

Коэффициент излучения (Q_Н = 55,5 МДж/м³)

Предельное безопасное расстояние от центра пламени (q = 5 МДж/(м²·ч) из уравнения (3.9)

Длина пламени

Высота факельной трубы по (3.15)



Расстояние l₂ от основания факельной трубы до безопасной зоны (рис.3.1,а)

Таким образом, оборудование, требующее постоянного внимания со стороны обслуживающего персонала, должно располагаться за пределами зоны радиусом 149 м.

3.2 Расчет загрязнения атмосферы выбросами одиночного точечного источника

Область загрязнения приземного слоя атмосферы определяется типом источника и характером утечки, свойствами ингредиента, состоянием атмосферы и поверхности Земли и т. п. Различают точечные и линейные, наземные и высотные источники загрязнения. По продолжительности выброса загрязнения в атмосферу - мгновенные, стационарные и периодические. Состояние атмосферы характеризуется градиентом температуры воздуха по высоте, направлением и скоростью ветра, облачностью, уровнем фонового загрязнения и т. д. Указанные факторы в существенной мере определяют процесс рассеяния загрязнений в атмосферном воздухе. При большой скорости ветра подъем струи загрязнения над источником незначителен вследствие сноса его потоком воздуха. По мере уменьшения скорости ветра подъем струи возрастает.

3.2.1 Максимальное значение приземной концентрации вредных веществ

А. Нагретые выбросы

Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества (ВВ) С_м при выбросе газовоздушной смеси из одиночного точечного источника с круглым устьем достигается при неблагоприятных метеорологических условиях на расстоянии Х_м от источника:

(3.16)

где А -коэффициент, соответствующий неблагоприятным метеорологическим условиям, для Западной Сибири А=200;

М - мощность выброса ВВ, г/с;

Н - высота источника выброса (трубы), м;

V₁ - расход газовоздушной смеси, м³/с.

Мощность выброса М_i принимают по нормативам для данного производства, проектным данным или рассчитывают по формуле:

где С_i - концентрация ВВ в газовоздушной смеси, г/м³.

F - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе:

· для газообразных ВВ и мелкодисперсных аэрозолей (пыль, зола и т.п., скорость упорядоченного оседания которых равна нулю) F = 1;

· для мелкодисперсных аэрозолей (кроме указанных в предыдущем пункте) при среднем коэффициенте очистки выбросов не менее 90 % F = 2; от 75 до 90 % F = 2,5; менее 75 % и при отсутствии очистки F = 3;

m и n - коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса;

з - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности, в случае ровной местности з = 1;

ДТ - разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси Т_Г и температурой окружающего атмосферного воздуха Т_В, ^оС;

V₁ - расход газовоздушной смеси, м³/с.

m, n - определяются в зависимости от параметров:

(3.17)

(3.18)

(3.19)

(3.20)

Коэффициент m определяется в зависимости от f по формулам:

(3.22)

Если f_e < f < 100, то m вычисляется при f = f_e.

Коэффициент n определяется в зависимости от х_м по формулам:

n = 1 при х_м ? 2 ; (3.23)

(3.24)

n = 4,4х_м при х_м < 0,5. (3.25)

Для нагретых выбросов ?Т > 0 или f < 100.

Б. Холодные выбросы



?Т ? 0 или f ? 100, х_м' ? 0,5.

При расчете С_м используется формула:

(3.26)

Где

(3.27)

n - определяется по формулам (3.23) - (3.25) при х_м = х'_м.

3.2.2 Расстояние, на котором достигается максимальная концентрация вредных веществ

Расстояние Х_м от источника выброса, на котором приземная концентрация С при неблагоприятных метеорологических условиях достигает максимального значения С_м определяется по формуле:

(3.28)

где d - безразмерный коэффициент:



3.2.3 Опасная скорость ветра

Опасная скорость ветра (примерно на высоте 10 м от земли), u_м (м/с), та, при которой достигается максимальная приземная концентрация вещества С_м:

(3.35)

(3.36)

(3.37)

(3.38)

(3.39)

(3.40)

3.2.4 Максимальное значение приземной концентрации вредных веществ с учетом скорости ветра

Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества С_мu (мг/м³) при неблагоприятных метеорологических условиях и скорости ветра u (м/с), отличающейся от опасной скорости ветра u_м (м/с), определяется по формуле:

(3.41)

где r - безразмерная величина, определяемая в зависимости от отношения u/u_м по формулам:

(3.42)

(3.43)

П р и м е ч а н и е. При проведении расчетов не используются значения скорости ветра u < 0,5 м/с, а также скорости ветра u > u^*, где u^* - значение скорости ветра, превышаемое в данной местности в среднем многолетнем режиме в 5 % случаев.

3.2.5 Расстояние, на котором достигается максимальная концентрация вредных веществ с учетом скорости ветра

Расстояние от источника выброса Х_мu (м), на котором при скорости ветра u и неблагоприятных метеорологических условиях приземная концентрация вредных веществ достигает максимального значения С_мu (мг/м³), определяется по формуле:

(3.44)

где р - безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от отношения u/u_м по формулам:

(3.45)

(3.46)

(3.47)



3.2.6 Приземная концентрация вредных веществ в атмосфере по оси факела выброса

При опасной скорости ветра приземная концентрация вредных веществ С в атмосфере по оси факела выброса на различных расстояниях Х от источника выброса определяется по формуле:

(3.48)

где s₁ - безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от отношения Х/Х_м и коэффициента F по формулам:

(3.49)

(3.50)

(3.51)

(3.52)

Для низких и наземных источников (высотой Н не более 10 м) при значениях Х/Х_м < 1 величина s₁ в (3.48) заменяется на величину s₁^н, определяемую в зависимости от Х/Х_м и Н по формуле:

(3.53)



Рис. 3.2. Схема рассеяния вредного вещества в приземном слое атмосферы

П р и м е ч а н и е. Аналогично определяется значение концентрации вредных веществ на различных расстояниях по оси факела при других значениях скоростей ветра u и неблагоприятных метеорологических условиях.

3.2.7 Приземная концентрация вредных веществ в атмосфере по перпендикуляру к оси факела выброса

Значение приземной концентрации вредных веществ в атмосфере С_у на расстоянии Y по перпендикуляру к оси факела выброса определяется по формуле:

(3.54)

где s₂ - безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от скорости ветра u (м/с) и отношения Y/Х по значению аргумента t_y:

(3.55)

(3.56)

по формуле:

(3.57)

Пример 3.2. Определить максимальное значение приземной концентрации ЗВ С_м, мг/м³, при выбросе газовоздушной смеси из одиночного точечного источника с круглым устьем и расстояние Х_м, м, на котором она достигается при неблагоприятных метеорологических условиях. Сравнить С_м с ПДК.

Исходные данные. Источником загрязнения атмосферы (ИЗА) является дымовая труба котельной для технологических нужд в г. Пензе.

Источник имеет следующие параметры: высота Н = 30 м, диаметр устья D = 1 м, скорость выхода газовоздушной смеси из устья щ_о = 7,06 м/с, расход газовоздушной смеси V₁ = 5,51 м³/с, температура Т_г = 160 ^оС. Массовый выброс диоксида азота М = 4,1 г/с и оксида углерода М = 11,4 г/с.

Местность ровная.

Решение. Величина С_м определяется по формуле (3.16). Коэффициент А для г. Пензы равен 160. Коэффициент F=1 для газообразных ЗВ. Котельная предназначена для технологических нужд (не отопительная), т.е. нагрузка на котлы и массовые выбросы ЗВ одинаковы в теплый и холодный периоды года. Поэтому принимаем температуру наружного воздуха для наиболее невыгодного случая (в теплый период) равной средней максимальной температуре наружного воздуха наиболее жаркого месяца по СНиП 2.01.01-82 Т_В = 25,3 ^оС. Тогда ДТ = Т_Г - Т_В = (160-25,3) = 134,7 ^оС. Для ровной местности коэффициент, учитывающий влияние рельефа, з = 1. Для определения коэффициентов m и n необходимо рассчитать параметры f, v_м, v_м' и f_e по формулам (3.17) - (3.20) соответственно:

Коэффициент m определяется по формуле (3.21):

Коэффициент n определяется по формуле (3.24):

Тогда для диоксида азота:

Для оксида углерода:



ПДК для диоксида азота и оксида углерода соответственно равны 0,085 и 5 мг/м³, следовательно, С_м< ПДК для обоих веществ (без учета фоновых концентраций и других ИЗА, выбрасывающих эти же ЗВ).

Величину Х_м определяем по формуле (3.28), где безразмерный коэффициент d по зависимости (3.30) равен:

Тогда

Значения С_м и Х_м определены по формуле (3.36) для опасной скорости ветра u_м = х_м = 1,9 м/с.

Пример 3.3. Определить приземную концентрацию 3В в атмосфере С, мг/м³, по оси факела выброса на различных расстояниях Х, м, от источника загрязнения атмосферы (ИЗА) при опасной скорости ветра, u_м, м/с. Построить график распределения концентраций С = f (Х).

Исходные данные принять из примера 3.2 для оксида углерода: С_м = 0,221 мг/м³, Х_м =341 м, u_м =1,9 м/с.

Решение. Величина С определяется по формуле (3.48), где s₁ рассчитывается в зависимости от отношения Х/Х_м по формулам (3.49) и (3.50).

Зададимся интервалами значений Х: 50 м при Х/Х_м < 1 и 200 м при Х/Х_м >1.

Для Х=50 м коэффициент s₁ по формуле (3.49) равен:

s₁ = 3•(50/341)⁴ - 8•(50/341 )³ + 6•(50/341)² = 0,105.

Тогда по формуле (3.48):

С = 0,105 • 0,221 = 0,0232 мг/м³ .

Для Х = 400 м коэффициент s₁ по формуле (3.50) равен:

s₁ = l,13/(0,13 • (400/341)² +l) = 0,959 .

Тогда по формуле (3.48) для Х = 400 м:

С = 0,959 • 0,221 = 0,212 мг/м³ .

Для остальных значений Х результаты расчетов концентраций представлены в табл. 3.3.

Рис. 3.3. Рассеяние вредного вещества в атмосфере по оси факела выброса



Таблица 3.3 Расчет концентраций загрязняющего вещества по оси факела выброса

Х, м	Х/Хм	s1	С, мг/м3
50	0,147	0,105	0,0232
100	0,293	0,33	0,073
150	0,44	0,593	0,131
200	0,587	0,804	0,178
250	0,733	0,941	0,208
300	0,880	0,995	0,22
341	1	1	0,221
400	1,173	0,959	0,212
600	1,76	0,806	0,178
800	2,35	0,659	0,146
1000	2,93	0,534	0,118
1200	3,52	0,433	0,0957

На основании данных табл. 3.3 строим графическую зависимость С = f(Х), (рис.3.3).

Пример 3.4. Определить приземную концентрацию 3В в атмосфере Сy по перпендикуляру к оси факела выброса на различных расстояниях Y от точки Х = Х_м при опасной скорости ветра u_м. Построить график распределения концентраций С_У = f(Y).

Исходные данные принять из примера 3.2 для оксида углерода: С = С_м = 0,221 мг/м³, Х = Х_м = 341 м, u = u _м = 1,9 м/с.

Решение. Величина С_У определяется по формуле (3.54), где коэффициент s₂ определяется по формуле (3.57) в зависимости от аргумента t_У, рассчитываемого по уравнению (3.55).

Задаемся интервалами значений Y. Для Y = 20 м

Для остальных значений Y результаты расчетов представлены в табл. 3.4.

Таблица 3.4 Расчет концентраций загрязняющего вещества перпендикулярно оси факела выброса

Y, м	tУ	s2	СУ
0	0	1	0,221
20	0,00654	0,968	0,214
40	0,0261	0,77	0,17
60	0,0588	0,555	0,117
80	0,105	0,351	0,077
100	0,163	0,495	0,043

На основании данных табл. 3.4 строим графическую зависимость С_У = f(Y), (рис. 3.4).

Пример 3.5. Построить поле (изолинии) концентраций 3В от одиночного точечного источника в приземном слое атмосферы. Исходные данные принять из примеров 3.2 - 3.4.

Решение. Величина С_м = 0,221 мг/м³ при Х_м = 341 м. Значения расчетных изолиний концентраций примем 0,1; 0,15; 0,2 мг/м³.

Координаты Х и Y для этих концентраций примем непосредственно из графиков в примерах 3.3 и 3.4 (рис.3.3 и 3.4). Полученные данные приведены в табл.3.5. В ней 6 точек приняты из примера 3.3 для значений концентраций вдоль оси факела, т.е. при Y = 0. Другие 6 точек приняты из примера 3.4 для значений концентраций перпендикулярно оси факела при фиксированном Х = 341 м.



Рис. 3.4. Приземная концентрация ВВ в атмосфере по перпендикуляру к оси факела выброса (сечение в точке Х=ХМ)

Непосредственно из рис.3.4 получены только три точки по одну сторону оси Х. По другую сторону оси Х концентрации будут такими же, т.к. факел рассеивания симметричен этой оси. Поэтому для оставшихся трех точек координату Y примем со знаком "-".

Таблица 3.5 Координаты точек изолиний концентраций

Значения концентраций, мг/м3	№ точки	Координаты, м
		Х	Y
0,1	1	120	0
	2	1100	0
	3	341	68
	4	341	- 68
0,15	5	165	0
	6	775	0
	7	341	47
	8	341	- 47
0,2	9	235	0
	10	465	0
	11	341	27
	12	341	- 27



Поле изолиний концентраций приведено на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Поле изолиний концентраций вредного вещества

3.3 Концентрация газа в воздушном пространстве вблизи поврежденного газопровода