CC BY
32
УПРУГОСТЬ ПАРА И ИСПАРЕНИЕ ВЕЩЕСТВ В ПОДВИЖНОМ ВОЗДУХЕ
Кандидат биологических наук В. Г. Мацак
Из Института гигиены труда и профессиональных заболеваний АМН СССР и Московского областного научно-исследовательского санитарно-гигиенического
института
о
Настоящая статья имеет цель снабдить гигиенистов и инженеров, работающих в области санитарной техники, конкретными и обоснованными данными об упругости пара и скорости испарения в подвижном воздухе различных неорганических и органических веществ.
Особое внимание уделялось веществам, наиболее часто применяемым в технике, а также токсическим веществам. Знание этих данных позволит гигиенистам оценить потенциальную опасность при испарении токсических веществ в зависимости от их физико-химических и токсикологических свойств, а санитарным инженерам использовать их для производства расчета воздухообмена, количественного определения степени утяжеления воздуха при испарении веществ с большим молекулярным весом, правильного распределения по зонам притока и вытяжки и других мероприятий по оздоровлению условий труда на производстве.
Упругость пара каждого вещества обычно может быть выражена в значительном температурном интервале в виде логарифмического уравнения:
Ю = + В..........(1)
Здесь Рн — упругость насыщенного пара вещества в мм ртутного столба при абсолютной температуре Т\ А и В—константы, характерные для каждого вещества. В справочниках для большинства веществ даны численные значения этих констант.
Определение упругостей пара по уравнению (1) связано с необходимостью утомительных поисков данных в справочниках и возможностью ошибок при расчетах. Поэтому предлагается для технических и сани-тарно-технических расчетов, где ошибка в 5% не имеет существенного значения, пользоваться номограммами. Одна из них (рис. 1) была предложена проф. В. А. Киреевым. В ней за стандартные вещества приняты гексан и вода. Эта номограмма расширена автором и в нее добавлено 16 новых веществ. Сюда не вошли ароматические нитро- и амино-соединения, для которых автором составлена вторая номограмма; здесь приведены и некоторые другие вещества, имеющие сходный закон изменения упругости насыщенного пара с изменением температуры {рис. 2). Третья номограмма (рис. 3) составлена автором для упругости пара некоторых расплавленных металлов и солей. За стандарт в последних двух номограммах приняты нитробензол и свинец.
Для примера пользования номограммами предположим, что требуется знать упругость насыщенного пара четырехх^ористого углерода при температуре 20°. В списке веществ, приложенном к рис. I, четыреххлористый углерод значится под № 14а. Накладываем линейку так, чтобы она прошла через точку 14а и точку, соответствующую температуре 20°. Пересечение линейки с вертикальной линией упругости пара показывает, что упругость пара четыреххлористого углерода при 20° равна около 90 мм ртутного столба.
Если требуется узнать температуру кипения метиламина, значащегося под № 28, накладываем линейку так, чтобы она прошла через 760 мм и точку 28. Находим, что температура кипения метиламина равна — 4°.
Упругость насыщенного пара свинца при 500° по номограмме (рис. 3) составляет около 0,00001 мм ртутного столба. Это соответствует
3*
35
концентрации 0,0043 мг/м3. Однако в помещениях, где производится работа с расплавленным свинцом, часто наблюдаются значительно более высокие концентрации. Это можно объяснить тем, что пар свинца конденсируется, превращаясь в пылинки весьма малой размерности, которые медленно оседают. Концентрации свинцового аэрозоля будут зависеть от скорости оседания и могут сделаться более высокими, чем концентрация пара свинца в момент испарения.
Следует заметить, что некоторые соединения свинца, например сернистый и хлористый свинец, как это видно из номограммы № 3, значительно более летучи, чем металлический свинец. При переплавке свинцового лома, поступающего с химических заводов, это обстоятельство может значительно увеличить концентрации свинца или свинцовых соединений в воздухе. Применяющийся в настоящее время метод отбора проб свинца в воздухе поглощением азотной кислотой позволяет определить содержание всего свинца в воздухе, независимо от того, в каком виде он находится — в металлическом или в виде химического соединения.
Зная максимальную упругость пара вещества при обычных метеорологических условиях, можно определить соответствующую ей концентрацию его в воздухе. Для этой цели следует использовать уравнение, предложенное автором совместно с проф. Л. К- Хоцяновым в 1944 г.:
Ри м
С=ПЬГ ............(2)
Здесь С — концентрации (мг/л), М — молекулярный вес вещества, Рн —упругость насыщенного пара вещества при 10—20° и нормальном атмосферном давлении.
Предположим, что упругость пара уксусного ангидрида, насыщенного при 20°, по номограмме № 2 равна 2,7 мм ртутного столба. Требуется определить максимально возможную концентрацию его в воздухе. Подставляя в уравнение (2) Р =2,7иМ = 92, получим, что максимально возможная концентрация уксусного ангидрида при 20° равна 15,5 мг/л.
Если требуется узнать, какие концентрации могут образовываться в цистерне из-под бензола после его слива при температуре наружного воздуха 10°, то нужно пользоваться формулой (2).
Обычно цистерна не опорожняется полностью при сливе. Некоторое количество жидкости остается на дне, особенно при наличии ржавчины и шламма. Поэтому в «пустых» цистернах и емкостях воздух может получить полное насыщение паром вещества, находившегося в нем ранее. Вследствие испарения бензола температура воздуха в цистерне сначала снижается, но потом за счет теплопередачи через стенки поднимается до температуры наружного воздуха.
По номограмме № 1 находим, что упругость насыщенного пара бензола при 10° равна 40 мм ртутного столба. Молекулярный вес бензола равен 78. Для получения соответствующей концентрации подставим числовые значения в уравнение (2).
Р„ • М 40-78
= 170 мг/л.
18,3 18,3
Эта концентрация бензола выше предельно допустимой по Н 101-54 в 3400 раз. Она также выше нижнего предела взрываемости (48,7 мг/л).
Известно, что скорость испарения воды и других веществ пропорциональна разности упругости насыщенного пара вещества при температуре поверхности испаряющегося вещества и упругости пара его в воздухе, окружающем вещество. Для большинства случаев в практике характерным отличием испарения неводных веществ в подвижном воз-
духе от испарения воды является то, что испарение веществ происходит в воздух, не содержащий пара вещества или содержащий очень далекие
от насыщения количества его. Например, если испарение бензола происходит в воздух, содержащий 1 мг/л бензола, что в 20 раз превосходит предельно допустимую концентрацию, то эта высокая концентрация составляет при 20° всего 0,3% от полного насыщения.
Температура веществ при испарении в подвижном воздухе снижается в зависимости от их летучести. Такие легко летучие вещества, как эфир, сероуглерод, могут снизить свою температуру на десятки градусов. Вопрос о степени снижения температуры веществ в литературе мало освещен. Хорошо изучена температура снижения испаряющейся воды, приближающаяся в достаточно подвижном воздухе к температуре влажного термометра. В 1938 г. нами было выведено уравнение для определения температуры испаряющейся воды, а в 1951 г._— уравнение для определения температуры поверхности любых испаряющихся веществ в подвижном воздухе. Для испарения веществ в подвижном воздухе, не
-60
-50
-40
-30
-20
-10
10 20 30 40 50 60 70 80 80 ЮО 110 120 130 140
160 180
По гексану (
S
I
I 5000
3'
I
зооо 2000
1000
У260
I
Рис. !. Номограмма упругости насыщенного пара для химически чистых веществ (по В. А. Кирее-ву и данным автора).
I — метилсиликан; 2 — пропадиен; 3 — хлористый метил; 4—хлористый винил; 5—бутадиен; 6 — хлористый этил; 7 — изопрен; 8 — меггилформиат; 9 — пентан; 9а—диэтило-вый эфир; 10 — бромистый этил; 11 — хлорметилен; На — сероуглерод; 12 — этилформиат; 13 — хлороформ; 14 — н. гексан; 14а—четыреххлористый углерод; 15 — бензол; 15а — трихлорэтнлен; 16 — этилацетат; 16а — дихлорэтан; 17 — фторбензол; 18 — н. гептан; 18а — этилпропио-нат; 186 — пропилацетат; 19 — толуол; 19а—тетрахлор-этилен; 20 — н. октан (а'); 21— н. октан (/); 22 — хлорбензол; 23 — бромбензол; 24 — н. декан; 25—йодбензол; 26 — нафталин; 26а — камфара; 266 — дифенил; 26в — антрацен; 27—аммиак; 28—метиламин; 29—ацетон; 30—метиловый спирт; 31—этиловый спирт; 31а—муравьиная кислота; 32—вода; 32а—пропиловый спирт 33—уксусная кислота; 33а—бутанол; 34—пропионовая кислота; 35—изомас-ляная кислота; 35а—валериановая кислота; 36—н. бутилен-гликоль; 37—этиленгликоль; 38—глицерин; 39—ртуть; 39а — сулема.
0,5
0.2
0,1
0,05
0,02
0,01
0,005
чмНд
I Поводе I I I
\27 I I I
-±~28—
\г9 ¿31
32
310.\
32а\ Ц53
33° I
\34
35\ \
36 37 ^ I 1 1 I I I
39»\
I
38 39°
К,
-10
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
170 190
гоо
220
24а
270
300
330
360
Рис. 2. Номограмма упругости насыщенного пара химически чистых веществ (по данным автора).
/ — четырехокись азота; 2 — изопентан; 3 — треххлористый фосфор; 4 — оятрометан; 5 —хлорпикрин; 6 —хлористая сера; 7 — тетранитрометан; 8 —трех-хлористый мышьяк; 9 — уксусный ангидрид; 10 — диметиланнлин; // — анилин; 12 — фенол; 13 — хлористый бензоил; 14 — о-толуидин; 15 — метиланилин; 16 — п-толуидин; 17 — этиланилин; /« — нитробензол; 19 — онитробензол; 20— диэтиланилин; 21—треххлористая сурьма; 22—м-нитротолуол; 23—п-нитро-толуол; 23а — диметилпаратолундин; 236— хинолин; 24 — фталевый ангидрид; 25 — о-ннтротолуол; 25а — дифенил; 26 — нитроглицерин; 27 - мышьяковистый ангидрид; 28 — дибензилкетон; 29 — л-нитроанилин; 30 — тринитротолуол; 31 — хлористая ртуть; 32 — антрахинон.
1 ¡11 1 I II I 1111 I I 1II * £ £с,... з »
■ I II-1-1—I-1-1-1-1-1-П-1-г—Т-1-1-1 ' I-1-ГТ1-III I-1-1-!—Г-Т II II I I III I I ^
& ! § 8 —--—-*-
--^ - . N
« ■---—¿г--> •
воз § Ъ *
Я
»3
> * § * В
^ -' ' '-1-1-1-1-1-1-1-11111111 II-1-1_1_I__I_I.........I_I-1—1-1-1- <ч
^Йй?»»»!»?1^ 2» >: N3 (на (к ь « о ми к к, о ь с> 1> и и » I. I. л. ^ ^ ^ о
¡111111111 § § 1 ЩЩЗШШШШв I 11 II I I г
Рис. 3. Номограмма упругости насыщения пара химически чистых веществ (по данным автора).
содержащем пара вещества или содержащем ничтожно малые его количества, это уравнение имеет следующий вид:
34,5Рн ■ М
0,24 1С = 0,24£вЛ + (Ь + С0 . Ьвл) {0 _ ^ } 1000 • • • (3)
Здесь /с—температура воздуха, движущегося на некотором расстоянии вдоль поверхности испаряющегося вещества; tвл — температура, к которой стремится поверхность испаряющегося вещества; Ь— скрытая теплота испарения вещества при 0° (в ккал/кг); Ср — теплоемкость при постоянном давлении пара вещества (в ккал/кг); Р — упругость насыщенного пара вещества при (в мм ртутного столба); В—атмосферное давление (в мм ртутного столба).
По этому уравнению были вычислены температуры, к которым стремятся поверхности различных веществ при испарении в подвижном воздухе. Была проведена экспериментальная работа, заключавшаяся в том, что шарик влажного термометра аспирационного психрометра смачивали различными веществами, как например, спиртом, хлорбензолом, анилином, имеющим различную температуру кипения. Данные экспериментов и расчета сопоставлены в табл. 1.
Таблица 1
Температура веществ при испарении в подвижном воздухе
Темпера тура Температура испаряющегося Упругость пара при темпера-
Темпера- вещества туре испаря-
Вещество кипения при давлении 760 мм ющегося вещества (в мм ртутного
тура воздуха по расчету эксперимен-
тальная столба)
360° 20° 19,997° _ 0,0012
Дифенил...... 255° 20° 19,95° — 0,03
Нафталин ..... 218° 20° 19,6° 19,6° 0,05
Нитробензол..... 210,8° 20" 19,1° 19,1° 0,22
Анилин ....... 184° 20° 18,8° 18,9° 0,3
Хлорбензол ..... 132° 20° 12° 13° 6
Амиловый спирт . . . 137,7° 20° 14° 15° 2
Бензол ...... 80° 20° —5° 0° 17
Этиловый спирт . . . 78,7° 20° 2° 5° 11,6
Дихлорэтан..... 83,7° 20° —2° 1° 16
Ацетон...... 56,1° 20° —17° — 28
Этиловый эфир .... 34,6° 20° —28° — 43
Рассматривая табл. 1, можно отметить: а) для веществ, кипящих выше 250°, снижение температуры при испарении в подвижном воздухе при нормальном атмосферном давлении ничтожно;
б) для веществ, кипящих от 184° (анилин) до 218° (нафталин), снижение температуры составляет от 1,2° до 0,4°;
в) для веществ, кипящих при 132—137,7°, снижение температуры составляет 6—8°;
г) для веществ, кипящих около 80°, снижение температуры в сухом воздухе может достигнуть 20—25°.
Следует заметить, что снижение температуры для низко кипящих веществ может приблизиться к расчетным при условии, если воздух достаточно сух. При влажном воздухе снижение температуры не может быть значительно ниже точки росы. Влага, конденсирующаяся на поверхность вещества, отдает свое скрытое тепло веществу и мешает понижению температуры вещества. При экспериментах снижение температуры было несколько меньшим, чем по расчетам, но весьма близким к .расчетным.
Скорость испарения наиболее изучена для воды. Среди большого числа уравнений для скорости испарения воды в подвижном воздухе наиболее близкие к экспериментальным данным дает расчет по уравнению, предложенному Всесоюзным теплотехническим институтом.
Здесь — весовая скорость испарения (в г/м2 час); V — скорость движения воздуха (в м/сек); (Рн—Р\)—разница упругостей насыщенного пара при температуре испаряющейся воды и водяного пара, содержащегося в воздухе, движущемся над водой.
Процесс испарения других веществ отличается от испарения воды следующим:
а) плотность пара веществ отлична от пара воды и пропорциональна молекулярному весу. Так, плотность пара бензола при одинаковом его давлении больше пара воды в 78 : 18 = 4,3 раза, где 78 — молекулярный вес бензола, а 18 — молекулярный вес воды;
б) испарение веществ обычно происходит в воздух, не содержащий его пара или содержащий его в количествах, весьма далеких от предела насыщения. Так, бензол при концентрации 1 мг/л при 20° насыщает пространство только на 0,3%. При этих условиях двучлен Рн —Р\ по своей абсолютной величине приближается к Рн —упругости насыщенного пара вещества при температуре его испарения.
Нами было сделано предположение, что скорости испарения воды и других веществ подобны истечению пара через отверстия при небольшой разности давлений.
Линейная скорость истечения равна:
Здесь 2 — скорость истечения (в м/сек); g—ускорение силы тяжести, равное 9,8 м/сек2; &Р—разность давлений (в кг/м2); у—вес 1 м3 пара (в кг).
Из уравнений (5) и (4) было выведено следующее уравнение скоростей испарения веществ в подвижном воздухе:
Здесь М — молекулярный вес вещества. Остальные обозначения и размерность те же, что и в уравнении (4). Для проверки правильности этого уравнения была проведена экспериментальная работа по определению скорости испарения толуола (температура кипения 104°), хлорбензола (132°), анилина (184°), нафталина (218°) и воды в воздух, движущийся над поверхностями этих веществ со скоростями от 0,25 до 5 м/сек.
Результаты замеров приведены в табл. 2.
Просматривая табл. 2, можно отметить большое соответствие расчетных и экспериментальных данных, что позволяет предложить для определения весовой скорости испарения веществ в воздухе приведенное ранее уравнение (6).
Температуру испаряемого вещества можно вычислить по уравнению (3) или взять по аналогии с каким-либо веществом, приведенным в табл. 1.
Упругость насыщенного пара при температуре испаряемого вещества возможно определить при помощи предложенных номограмм. Так, если потребуется определить скорость испарения пролитого нитробензола с площади поверхности 2 м2 при температуре воздуха 20°, при подвижности воздуха 3 м/сек, при отсутствии лучистого тепла, то по
5= (22,9 + 17,4 V) (Рн - Рг)
(4)
(5)
5= (3,38+ 4,1 V) Рн Ум~
(6)
Таблица 2
Расчетная и экспериментальная скорость испарения в подвижном воздухе
Дата Наименование вещества Скорость движения воздуха (в м/сек) ¿i4 = Е Л U hn о о в cd с. >. н Ц ■ й- 11 <ч с Количество испаренного вещества (в г/час) и щ « <и а. = = Примечание
äl |I о и С с о. 01 Е я 2 X >> (- ч ¡1 РРБ по опыту по рас чету а О ш ЯЗг £§2
22 ИЮНЯ 1954 г. Толуол »» 5 3 1 0,5 12 12 12 12 22° 22° 22° 22° 7° 7° 7,1° 7,3° 3,01 1,94 1,16 0,78 2,98 2,03 1,09 0,86 + 1 —4,5 +6,4 —10 Воздух при опыте осушался
18—20 мая Хлорбензол I, 5 3 1 0,5 12 12 12 12 17,2° 17,2° 17,2° 17,2° 13° 13° 13,2° 13,4° 1,92 1,4 0,775 0,6 1,95 1,34 0,725 0,56 —1,5 +4,5 +6,9 + 7,1
27 мая— 8 июня Анилин 5 3 1 0,5 0,25 8 8 8 8 8 17,2° 17,2° 17,2° 17,2° 17,2° 16е 16° 16,2° 16,2е 16,2° 0,06 0,041 0,018 0,014 0,014 0,061 0,038 0,02 0,015 0,013 —1,6 +8 — 10 —6,7 + 6,7 Приведены данные второй серии опытов
1—17 ИЮНЯ Нафталин 1) II > , н 5 5 3 3 1 1 0,5 24,6 24,6 24,6 24,6 24,6 24.6 24,6 17,3° 17,3° 17,3° 17,3° 17,3° 17,3° 17,3° 17° 17° 17° 17° 17° 17° 17° 0,03 0,031 0,021 0,023 0,011 0,01 0,01 0,03 0,03 0,022 0,022 0,011 0,011 0,009 0 +3 —5 +5 0 —10 + 10 По убыли веса По анализам По убыли веса По анализам По убыли веса По анализам По убыли веса
25 нюня Вода 5 12 22 11 0,75 0,76 — 1,30
табл. 1 находим, что температура испаряющейся поверхности будет равна 19,1°. Упругость пара нитробензола при 19,1° по номограмме № 2 равна 0,22 мм ртутного столба. Молекулярный вес нитробензола равен 123. Подставляя числовые значения в уравнение (6), получим:
5= (5,38 + 4,1 V) Рн УН/Г = (5,38 + 4,1-3) 0,22 ]/Т23 = 43 г/м2час
С поверхности 2 м2 количество испаряющегося нитробензола равно 86 г/час. Это небольшое количество может загрязнить собой значительный объем воздуха. По Н 101-54 предельно допустимая концентрация нитробензола равна 0,005 мг/л (г/м3). Пар нитробензола в количестве 86 г/час может создать эту концентрацию в вентиляционном объеме
——-= 17 200 м3/ч.
0,005
Поступила 2/Ш 195S г.
Elasticity of vapour and evaporation of substances
in moving air
V. G. Matzak, candidate of biological sciences
The author has worked out a nomogram for determination of elasticity of
"saturated vapour and a method of calculating the rate of evaporation of various
chemical substances in moving air. These data are necessary for evaluation of
potential danger of toxic substances and for calculation of industrial ventilation.
T* *
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕБЫВАНИЯ ШКОЛЬНИКОВ
С ОСЛАБЛЕННЫМ ЗДОРОВЬЕМ НА САНАТОРНО-ОЗДОРОВИТЕЛЬНОЙ ПЛОЩАДКЕ
Кандидат медицинских наук А. Р. Разиков
Из кафедры школьной гигиены I Московского ордена Ленина медицинского института имени И. М. Сеченова
В СССР создана многочисленная и разнообразная сеть оздоровительных детских учреждений, среди которых немаловажное значение имеют оздоровительные площадки при детских поликлиниках, обеспечивающие школьникам пребывание на них без отрыва от семьи и от учебных занятий в общеобразовательной школе.
Первые оздоровительные площадки созданы в годы советской власти. Вначале они функционировали лишь в летнее время года, обеспечивая детей только питанием (Л. Чулецкая-Тихеева). С течением времени режим и содержание работы площадок изменялись и они постепенно стали превращаться в оздоровительно-воспитательные учреждения, в которых, помимо усиленного питания, организовывался досуг детей и использовались естественные факторы природы (А. Гендриховская, Э. А. Оффенген-ден и Р. Д. Рохлина). С 1929—1930 гг. на площадках стали вводить дневной сон (В. Д. Розанова, Е. Абрамсон), являющийся особенно необходимым для укрепления здоровья слабых детей. Площадки начали функционировать не только в летнее, но и в зимнее время года (И. Л. Фрейдгейм, Б. И. Темкин). Таким образом возникли круглогодичные санаторно-оздо-ровительные площадки, нередко работавшие в две смены. В первую смену обслуживались школьники, обучающиеся в школе во второй половине дня, а во вторую — дети, приходящие на площадку из школы после утренней смены.
Мы проводили изучение эффективности пребывания детей на оздоровительной площадке при детской поликлинике № 10 Москворецкого района Москвы. Исследовались: 1) санитарно-гигиенические условия на площадке путем длительных наблюдений за воздушно-тепловым и световым режимом; 2) организация питания, количественный и качественный состав пищи в разные сезоны года; 3) влияние дневного сна на веранде в теплое и холодное время года, для чего определялись: а) микроклимат пододеяльного пространства, тепловое состояние детей во время сна; б) время засыпания и пробуждения, продолжительность и глубина сна; 4) влияние на организм ребенка водных закаливающих процедур, прогулок, игр на воздухе; 5) изменения в состоянии здоровья, физического развития, заболеваемости, успеваемости детей за время пребывания их на площадке.
Для оценки санитарно-гигиенического состояния основных помещений во все сезоны года изучались температура, относительная влажность и
