Практическое занятие № 1. Расчет максимальной концентрации загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы при выбросе нагретой газовоздушной смеси от одиночного точечного источника
Цель:изучить алгоритм расчета максимальной концентрации загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы при выбросе нагретой газовоздушной смеси от одиночного точечного источника.
Формируемые компетенции
В результате изучения теоретического материала, относящегося к теме и решения типовых задач, происходит формирование следующих компетенций:
- составлять математические модели типовых профессиональных задач, находить способы их решений и интерпретировать профессиональный (физический) смысл полученного математического результата (ОПК-6)
- способностью и готовностью использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОПК-6)
- владением основными методами защиты производственного персонала и населения от возможных последствий аварий, катастроф, стихийных бедствий (ОПК-6)
Актуальностьтемы:
Знание основных алгоритма расчета максимальной концентрации загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы при выбросе нагретой газовоздушной смеси от одиночного точечного источника необходима для успешного проектирования любого химического производства или процесса.
Теоретическое обоснование
Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества 
(мг/м3) при выбросе газовоздушной смеси из одиночного точечного источника с круглым устьем достигается при неблагоприятных метеорологических условиях на расстоянии 
(м) от источника и определяется по формуле:
 | (1) |
где 
– коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы;
– масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени, г/с;
– безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе;
, 
– коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса;
– высота источника выброса над уровнем земли (для наземных источников при расчетах принимается =2м), м;
– безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности; в случае ровной или слабопересеченной местности с перепадом высот, не превышающим 50 м на 1 км, =1.
– разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси 
и температурой окружающего атмосферного воздуха 
, °С;
– расход газовоздушной смеси, м3/с, определяемый по формуле:
 | (2) |
где 
– диаметр устья источника выброса, м;
– средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса, м/с.
Значение коэффициента , соответствующее неблагоприятным метеорологическим условиям, при которых концентрация вредных веществ в атмосферном воздухе максимальна, принимается равным:
1) 250 – для районов Средней Азии южнее 40° с.ш., Бурятии и Читинской области;
2) 200 – для Европейской территории бывшего СССР: для районов России южнее 50° с. ш., для остальных районов Нижнего Поволжья, Кавказа, Молдовы; для Азиатской территории России: для Казахстана, Дальнего Востока и остальной территории Сибири и Средней Азии;
3) 180 – для Европейской территории России и Урала от 50 до 52° с. ш. за исключением попадающих в эту зону перечисленных выше районов и Украины;
4) 160 – для Европейской территории России и Урала севернее 52° с. ш. (за исключением Центра ЕТС), а также для Украины (для расположенных на Украине источников высотой менее 200 м в зоне от 50 до 52° с. ш. – 180, а южнее 50° с. ш. – 200);
5) 140 – для Московской, Тульской, Рязанской, Владимирской, Калужской, Ивановской областей.
Необходимо отметить, что значения (г/с) следует относить к 20-
30-минутному периоду осреднения, в том числе и в случаях, когда продолжительность выброса менее 20 мин. При определении значения
, °С, следует принимать температуру окружающего атмосферного воздуха , °С, равной средней максимальной температуре наружного воздуха наиболее жаркого месяца по СНиП 2.01.01–82, а температуру выбрасываемой в атмосферу газовоздушной смеси , °С, – по действующим для данного производства технологическим нормативам. Для котельных, работающих по отопительному графику, допускается при расчетах принимать значения равными средним температурам наружного воздуха за самый холодный месяц по СНиП 2.01.01–82.
Значение безразмерного коэффициента принимается:
1) для газообразных вредных веществ и мелкодисперсных аэрозолей (пыли, золы, и т.п., скорость упорядоченного оседания которых практически равна нулю) – 1;
2) для мелкодисперсных аэрозолей (кроме указанных в п. а) при среднем эксплуатационном коэффициенте очистки выбросов не менее 90% – 2; от 75 до 90% – 2,5; менее 75% и при отсутствии очистки – 3.
Значения коэффициентов m и n определяются в зависимости от параметров 
, 
, 
и 
:
 | (3) |
 | (4) |
 | (5) |
 | (6) |
Коэффициент определяется в зависимости от по формулам:
 при <100; | (7) |
 при ≥100. | (8) |
Для < <100 значение коэффициента m вычисляется при = .
Коэффициент при <100 определяется в зависимости от по формулам:
 при ≥2; | (9) |
 при 0,5≤ <2; | (10) |
 при <0,5. | (11) |
Пример расчета
Исходные данные. Источником загрязнения атмосферы является труба котельной для технологических нужд в г. Пенза. Источник имеет следующие параметры: высота =30 м, диаметр устья =1 м, скорость выхода газовоздушной смеси из устья =7,06 м/с, ее расход 
=5,54 м3/с, температура 
=160°С. Массовый выброс диоксида азота =4,1 г/с и оксида углерода =11,4 г/с. Местность ровная.
Решение. Величина определяется по формуле (1). Коэффициент для г. Пензы равен 160. Коэффициент =1 для газообразных загрязняющих веществ. Котельная предназначена для технологических нужд (не отопительная), то есть нагрузка на котлы и массовые выбросы загрязняющих веществ 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 =25,3°С. Тогда
= - =(160-25,3)=134,7°С. Для ровной местности коэффициент, учитывающий влияние рельефа, =1. Для определения коэффициентов m и n необходимо рассчитать параметры , , и (3)–(6) соответственно:
Коэффициент определяется по формуле (7):
Коэффициент определяется по формуле (10):
Тогда для диоксида азота:
мг/м3.
Для оксида углерода:
мг/м3.
ПДК для диоксида азота и оксида углерода соответственно равны 0,085 и
5 мг/м3, следовательно <ПДК для обоих веществ (без учета фоновых концентраций и других ИЗА, выбрасывающих эти вещества).
Задания
Условие задачи смотрите в приложении 1.
Рассчитать максимальную концентрацию загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы от одиночного источника выбросов.
Приложение 1. Исходные данные к расчетному заданию
Загрязнение атмосферы осуществляется организованным источником выброса – трубой. Источник имеет следующие параметры: высота (м), диаметр устья (м), расход газовоздушной смеси из устья (м3/с), температура газовоздушной смеси 
(°С). Массовый выброс загрязняющих веществ 
(г/с), 
(г/с), 
(г/с). Местность ровная.
Варианты заданий
| Варианты | Параметры | |||||||||
| | , м | , м | , м3/с |  , °С |  , °С |  ., °С | (CO), г/с | (SO2), г/с | (NO2), г/с | |
| 0,5 | 5,0 | 11,5 | 8,5 | 4,1 | ||||||
| 0,5 | 5,2 | 9,5 | 6,3 | 2,1 | ||||||
| 0,5 | 5,4 | 8,5 | 5,5 | 3,2 | ||||||
| 0,5 | 5,6 | 8,0 | 6,4 | 2,8 | ||||||
| 0,5 | 5,8 | 9,2 | 7,4 | 3,1 | ||||||
| 0,5 | 6,0 | 11,5 | 8,5 | 4,1 | ||||||
| 0,5 | 6,2 | 9,5 | 6,3 | 2,1 | ||||||
| 0,5 | 6,4 | 8,5 | 5,5 | 3,2 | ||||||
| 0,5 | 6,6 | 8,0 | 6,4 | 2,8 | ||||||
| 0,5 | 6,8 | 9,2 | 7,4 | 3,1 | ||||||
| 0,5 | 5,0 | 11,5 | 8,5 | 4,1 | ||||||
| 0,5 | 5,2 | 9,5 | 6,3 | 2,1 | ||||||
| 0,5 | 5,4 | 8,5 | 5,5 | 3,2 | ||||||
| 0,5 | 5,6 | 8,0 | 6,4 | 2,8 | ||||||
| 0,5 | 5,8 | 9,2 | 7,4 | 3,1 | ||||||
| 6,0 | 11,5 | 8,5 | 4,1 | |||||||
| 6,2 | 9,5 | 6,3 | 2,1 | |||||||
| 6,4 | 8,5 | 5,5 | 3,2 | |||||||
| 6,6 | 8,0 | 6,4 | 2,8 | |||||||
| 6,8 | 9,2 | 7,4 | 3,1 | |||||||
| 7,0 | 11,5 | 8,5 | 4,1 | |||||||
| 7,2 | 9,5 | 6,3 | 2,1 | |||||||
| 7,4 | 8,5 | 5,5 | 3,2 | |||||||
| 7,6 | 8,0 | 6,4 | 2,8 | |||||||
| 7,8 | 9,2 | 7,4 | 3,1 |
Вопросы
1. Дать классификацию источников выброса вредных веществ по высоте.
2. По какой формуле определяется максимальное значение приземной концентрации ( ) при выбросе газовоздушной смеси из одиночного точечного источника?
3. Объяснить значения каждого параметра в формуле расчета максимального значения приземной концентрации ( ) при выбросе газовоздушной смеси из одиночного точечного источника.
4. Какой интервал осреднения принимают для определения массы выброса загрязняющего вещества?
5. Что характеризует коэффициент ? Какие значения этого коэффициента принимаются, и при каких условиях?
Рекомендуемая литература
Основная литература:
- Общая химическая технология. Методология проектирования химико-технологических процессов : учебник для студентов вузов, обучающихся по химико-технологическим направлениям подготовки и специальностям / И. М. Кузнецова [и др.] ; под ред. Х. Э. Харлампиди. – Изд. 2-е, перераб. – Санкт-Петербург [и др.] : Лань, 2013. – 447 с.
Дополнительная литература:
- Бесков, В. С. Общая химическая технология : учебник для вузов / В. С. Бесков. - Москва : ИКЦ "Академкнига", 2006. – 452 с.
- Степовая, Н. А. Северо-Кавказский федеральный университет). Теоретические основы химической технологии : учеб. пособие : Направление подготовки 240100.62 - Химическая технология. Профиль подготовки -химическая технология неорганических веществ. Бакалавриат / Н. А. Степовая, Л. В. Пешкова, Л. А. Проскурнин ; Сев.-Кав. федер. ун-т. - Ставрополь :СКФУ, 2013. – 179 с.
Интернет-ресурсы:
- http://www.chem.msu.ru – сайт библиотеки химического факультета Московского государственного университета.
- http://lib.muctr.ru – сайт Информационно-библиотечного центра Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева.
- http://library.spbu.ru – сайт научной библиотеки им. М. Горького Санкт-Петербургского государственного университета.