Анализ пожаровзрывоопасных свойств компонентов природного газа

Топливные минеральные ресурсы используются человечеством для удовлетворения материальных и культурных потребностей общества. Такие энергетические источники, как нефть, уголь, ядерное топливо и т. д. в процессе добычи, подготовки, эксплуатации, хранении и утилизации оказывают негативное влияние на состояние окружающей природной среды и здоровье человека. Так природный газ является одним из «наиболее чистым» видом топлива, в отличие от других источников энергии

Природный газ это смесь газов, основную часть которых составляет метан (CH 4 ), этан (C 2 H 6 ), пропан (C 3 H 8 ), бутан (C 4 H 10 ).

Определим являются ли компоненты природного газа горючими веществами, используя формулу (1).

K = 4*n(C) + 4*n(S) + n(H) + n(N)-2*n(O)-2*n(CI)-3*n(F)-4*n(Br)       (1)

где: n(C),n(S),n(H),   - число атомов углерода, серы, водорода, азота,

n(N),n(O),n(CI),   кислорода, хлора, фтора и брома в молекуле

n(F), n(Br)        вещества

Расчеты показали, что все вещества входящие в состав смеси являются горючими: этан (К=14), метан (К=8), пропан (К=20), бутан (К=26), так как коэффициент горючести (К>1).

Реакцию горения смеси природного газа можно описать следующими стехиометрическими уравнениями:

/   СН4 + 202 + 2 * 3.76N2 = С02 + 2Н20 + 2 * 3.76N2

}

I С2Н6 + 3.502 + 3.5 * 3.76N2 = 2С02 + 3Н20 + 3.5 * 3.76N2

С3Н8 + 502 + 5 * 3.76N2 = 3С02 + 4Н20 + 5 * 3.76N2 С4Н10 + 6.502 + 6.5 * 3.76N2 = 4С02 + 5Н20 + 6.5 * 3.76N2

Пожаровзрывоопасные свойства природного газа определяются областью воспламенения в воздухе (концентрационными пределами воспламенения), температурой горения, скоростью распространения пламени и др.

Согласно литературным данным [1], критические условия воспламенения смеси (нижний и верхний концентрационный предел воспламенения) равны ф_н = 5%; ^ В = 15 %.

Однако эти значения относительно условны, определим из расчетным методом по аппроксимационной формуле, для каждого элемента смеси в отдельности:

^нГв) =---- 7 %

н(в) н*п+Ь где: n       - число молей кислорода, необходимое для полного сгорания одного моля горючего вещества а и b    -константы, имеющие определенные значения для нижнего и верхнего пределов, в зависимости от значенияn

В результате расчётов концентрационные пределы распространения пламени составили: Метан (рн = 4.5%; рВ = 27.3%); Этан (рн = 2.85%; рВ = 16.7%); Пропан (рн = 2.07%; рВ = 12%); Бутан (рн = 1.6%; рВ = 9.4%). Построим график концентрационных пределов распространения пламени, по которому видно, что значения их источников являются линией тренда для природного газа.

Рис 1. Концентрационные пределы распространения пламени.

Вещества, входящие в состав природного газа имеют свойство самовоспламеняться (возгораться без источников зажигания). Исходя из значений числа и средней длины углеродных цепей, определим температуру самовоспламенения, используя формулы:

где: Мр

где: L vp

М „ *(М „ -1) m = ——-— 2

• -    число концевых функциональных групп (метил (-СН3), идроксил (-ОН) и фенил (-С6Н5))

Zni*Z i ^tc P = Zni

• -    средняя длина углеродных цепей;

Основываясь на значениях средней длины цепи, найдем температуру самовоспламенения с помощью расчетного метода по формуле:

ТСВ = 300 + 116 * V5 - lep, lep — 5                (5)

Расчеты показали, что температура самовоспламенения метана 532 Т, этана 500,9 Т, пропана 490Т, бутана 464Т. По средней длине цепи температуру самовоспламенения так же можно найти по справочным данным, для метана 712 Т, этана 712 Т, пропана 496Т, бутана 743Т.

Сравнивая расчётные значения, со значениями из справочных данных, видны расхождения в значениях при определении температуры самовоспламенения. Для наглядности построим график зависимости температуры самовоспламенения от молярной массы вещества.

Молярная масса: М(СН4) = 16 г/моль; М(С2Н6) = 30 г/моль;

М(С3Н8) = 44 г/моль; М(С4Н10) = 58 г/моль.

Расчётный метод

Справочный метод

График 2. Зависимость температуры самовоспламенения от молярной массы вещества.

Таким образом, результаты исследований показали расхождения между расчетными и справочными величинами показателей пожаровзрывоопасности природного газа.