Взрывы газовоздушных смесей

Если способная воспламениться горючая газовоздушная смесь находится в замкнутом объёме, например в помещении, аппарате или трубопроводе достаточно большого диаметра, то при появлении в какой-либо точке этого объёма открытого пламени, электрической искры или нагретого тела, температура которого достаточна для воспламенения газа, происходит взрыв. Взрыв представляет собой явление чрезвычайно быстрого воспламенения и сгорания сразу всего объёма имеющейся газовоздушной смеси. Взрываться может не только газообразное топливо. При определенных условиях могут происходить взрывы смесей паров жидких горючих веществ с воздухом и взвешенной в воздухе пыли твердых горючих веществ.

Быстрое сгорание топлива при взрыве сопровождается очень быстрым повышением температуры и, как следствие,

скачкообразным повышением давления нагретых газов. Это практически мгновенное и резкое увеличение давления в замкнутом объеме, который занимала горючая смесь до взрыва, может привести к разрушительным последствиям. Давление, возникающее при взрыве газовоздушных смесей, может доходить до 0,7 - 0,8 МПа, если эти смеси до взрыва находились при нормальном атмосферном давлении. Если газовоздушная смесь до взрыва уже находилась при повышенном давлении, то давление при взрыве будет настолько более высоким, насколько давление смеси было - выше нормального. При взрывах газокислородных смесей давления могут быть значительно более высокими, чем при взрывах газовоздушных смесей.

Величину давления, развивающегося при взрыве газовоздушной смеси, можно определить, пользуясь формулой:

(7)

где Р_взр- абсолютное давление при взрыве, МПа;

Р_нач - начальное абсолютное давление смеси, МПа;

t_взр- температура, развивающаяся при взрыве, пределом которой являются максимальные величины;

t_нач- начальная температура газовоздушной смеси; °С;

m - число объёмов (м³) продуктов сгорания газа с учётом азота воздуха ;

n -число объёмов (м³) газовоздушной смеси до взрыва, также с учётом азота воздуха.

Так как, максимальные температуры горения практически не достигаются, а смесь газа с воздухом лишь случайно может оказаться такой, что в ней не будет ни избытка, ни недостатка воздуха по сравнению с теоретическим количеством, то фактическое давление при взрывах газа будет меньше максимально возможного, т. е. 0,7 – 0,8 МПа. Особенно опасными в отношении взрыва являются газы с более низкими нижними пределами взрываемости, так как в этом случае при прочих равных условиях скорее образуется газовоздушная смесь, способная воспламениться. При близких величинах нижних пределов взрываемости двух газов опаснее тот, у которого шире область взрываемости и ниже температура воспламенения.

Для углеводородных газов C_m·H_nуравнение химической реакции горения их в кислороде имеет вид

(8)

где m- количество атомов углерода в углеводородном газе;

n – количество атомов водорода в газе;

- количество кислорода необходимое для полного сгорания газа.

Согласно формуле (8) уравнение горения горючих газов будет:

метана СН₄ + 2·О₂ = СО₂ + 2·Н₂О

этана С₂ Н₁₆ + 3,5·О₂ = 2·СО₂ + 3·Н₂О

бутана С₄ Н₁₀ + 6,5·О₂ = 4·СО₂ + 5·Н₂О

пропана С₂ Н₈ + 5·О₂ = 3·СО₂ + 4·Н₂О

пентана С₅ Н₁₂ + 8·О₂ = 5·СО₂ + 6·Н₂О

В практических условиях сжигания газа кислород берется не в чистом виде, а как компонент входящий в состав воздуха.

Поскольку воздух состоит по объёму на 79 % из азота и на 21 % из кислорода то на каждый объём кислорода требуется 100 : 21 = 4,76 объёма воздуха или 79 : 21 = 3,76 объёма азота.

Таким образом, реакцию горения метана в воздухе можно описать уравнением вида

СН₄+ 2·О₂+2· 3,76·N₂= СО₂+ 2·Н₂О + 7,5·N₂.

Из полученного уравнения видно, что для сжигания 1 м³метана потребуется 2 м³ кислорода и 7,52 азота или 2 + 7,52 = 9,52 м³воздуха (см. таблицу 6).

Токсические и удушающие свойства газов

Природные газы (метан, этан, пропан, бутан и др.), кроме тех, которые содержат заметные количества сероводорода, как правило, не токсичны. Однако при больших концентрациях природного газа в воздухе ощущается недостаток кислорода вплоть до удушающего действия. При понижении содержания кислорода во вдыхаемом воздухе наблюдаются следующие физиологические состояния: при 17 % - одышка и сердцебиение, при 12 % - сильно стесненное дыхание, при 9 % - обморочное состояние. Гомологи метана - этан, пропан, бутан, также содержащиеся в природных газах, действуют на человека слегка наркотически.

В продуктах горения любых горючих газов, в том числе и природных и сжиженных, содержащих углеродистые соединения, в случае недостатка воздуха для полного сгорания и при нарушениях условий правильного сжигания появляется окись углерода. Окись углерода - чрезвычайно сильный отравляющий газ. Поэтому продукты сгорания газового топлива, как твердого, так и жидкого, могут быть токсически весьма опасными. Это надо иметь в виду особенно в тех случаях, когда у агрегатов, использующих газовое топливо, продукты сгорания выводятся не во внешнюю атмосферу, а непосредственно в производственное помещение. На добывающих предприятиях работают небольшие печи. и котлы. При сжигании углеводородных топлив при температуре свыше 1500 ⁰С образуются весьма вредные для человека окислы азота. Их содержание в воздухе из-за большой ядовитости должно быть предельно ограничено.

Таблица 6 - Количество кислорода и воздуха при сжигании газов

Газы	Для сжигания 1 м3требуется газа, м3		При сжигании 1 м3газа выделяется, м3				Теплота сгорания низшая, Qн, кДж/м2
	кислород	воздух	Углекислый газ	Водяные пары	азот	всего
Водород	0,5	2,38	-	1	1,88	2,88	10806
Оксид углерода	0,5	2,38	1	-	1,88	2,88	12637
Метан	2,0	9,52	1	2	7,52	10,52	35825
Этан	3,5	16,66	2	3	13,16	18,16	63797
Пропан	5,0	23,88	3	4	18,80	15,80	91310
Бутан	6,5	20,94	4	5	24,44	34,44	11874

Степень действия некоторых газов характеризуется данными, представленными в таблице 7.

Таблица 7 - Степень действия вредных газов на человека

Длительность и характер действия	Содержание вредных газов в воздухе, объёмн. процент
	СО	SO2	H2S	NO2
Несколько часов без заметного действия	0,0100	0,0025	0,0015	0,0008
Признаки легкого отравления или раздражения слизистой оболочки через 2 – 3 ч.	0,010 – 0,050	0,0050	0,005-0,008	0,001
Возможно серьёзное отравление через 30 мин.	0,200 – 0,300	0,008 – 0,015	0,02 – 0,03	0,005
Опасно для жизни при кратковременном действии	0,500 – 0,800	0,060	0,050	0,015

В целях предотвращения вредного воздействия окиси углерода и других токсических газов на людей установлены пределы максимального содержания вредных газов в воздухе помещений.

Предельно допустимое содержание газов в воздухе рабочей зоны производственных помещений установлено

Окись углерода .............. 20

Сернистый газ .............. 10

Сероводород ............... 10

Окислы азота

(в пересчёте на NO₂) ...... 5

Углеводороды предельные

(в пересчете на С) . . 300

При длительности работы не более 1 ч концентрация окиси углерода может быть до 50 мг/м³, не более 30 мин - до 100 мг/м³.

ЛЕКЦИЯ 5

Универсальное уравнение состояния реальных газов. Методы определения коэффициента сжимаемости газа. Газовые конденсаты. Жидкие смеси. Состав и характеристика жидкой смеси. Объём паров после испарения жидкости. Содержание тяжелых углеводородов в газе. Фазовые состояния углеводородных систем. Условия равновесия двухфазной системы. Количественное решение двухфазной системы .Упругость насыщенных паров. Явления обратной конденсации и испарения. Упругость насыщенных паров. Растворимость газов в жидкостях.

Универсальное уравнение состояния газа мы с Вами рассмотрели в лекции 3. Помимо этого ознакомимся с уравнением состояния газа с вириальными коэффициентами

(1)

В этом уравнении коэффициент сверхсжимаемости Z приведён в виде степенного ряда. В, С, D – соответственно двойной тройной и четверной вириальные коэффициенты являющиеся функцией только температуры и зависящие в основном от молекулярных взаимодействий, в которых одновременно участвуют соответственно две, три и четыре молекулы газа. Определять вириальные коэффициенты и коэффициенты сверхсжимаемости можно более точно только для газов состоящих из простых молекул, например, кислород азот.

Согласно молекулярно-кинетической теории с помощью коэффициента учитываются силы взаимодействия молекул Z. Причём если Z < 1 то преобладают силы притяжения если же Z > 1 то преобладают силы отталкивания, при Z = 1 состояние молекулярных сил равновесное.

На рисунке 1 представлен характер изменения поведения коэффициента сверхсжимаемости в зависимости от давления при постоянной температуре газа.

Рисунок 1. Типичный график изменения коэффициента сверхсжимаемости от давления при постоянной температуре

Наибольшее распространение определения коэффициента сверхсжимаемости для газовых смесей месторождений природных газов при давлениях до 70 МПа получил метод его определения по графику, приведенному на рисунке 2. В основе построения этого графика положен принцип соответственных состояний, т.е. при одинаковых значениях приведенных давлений Р_при температур Т_прразличные вещества имеют одинаковые значения коэффициента сверхсжимаемости Z.

.

Рисунок 2. Зависимость коэффициента сверхсжимаемости Z природных газов от приведенных давления и температуры.

Методика определения коэффициента сверхсжимаемости Z сводится к следующему. Первоначально по рисункам 2 и 3 или по формуле (2) в зависимости от относительной плотности и состава газа определяют среднекритические давление и температуру, а за тем приведенные давление и температуру.

Среднекритические (псевдокритические) давление и температуру смеси можно рассчитать по формуле (2):

где х₁, х₂…,х_n – объёмные доли компонентов, входящих в состав газа;

Р_кр1, Р_кр2…, Р_крn – критические давления компонентов;

Т_р1, Т_р2…, Т_рn – критические температуры компонентов.

Рисунок 3. Зависимость среднекритического давления от относительной плотности газа по воздуху: 1 – газовые месторождения; 2 – газоконденсатные месторождения ().

Рисунок 4. Зависимость среднекритической температуры от относительной плотности газа по воздуху:

1 – газовые месторождения;

2 – газоконденсатные месторождения ().

При содержании в газе N₂, СО₂ и H₂S более 15 % объёмных вместо графиков для определения Р_кр и Т_кр можно использовать формулу (2).

Далее по зависимости приведенной на рисунке 1 определяют соответствующее Р_пр и Т_пр и значение коэффициента сверхсжимаемости Z.

В таблице 1 приведены сведения некоторых физико-химических параметрах компонентов, входящих в состав природного газа.

Как говорилось ранее, в пластовых условиях в газоконденсатных месторождениях находятся высококипящие углеводороды (С₅Н₁₂₊), в составе которых присутствуют бензиновые, керосиновые и масляные фракции, кипящие при температуре до 500^оС. Массовая доля этана и пропан - бутановой фракции достигает 25 %

Таблица 1. Основные свойства компонентов природного газа

Показа- тели	СН4	С2Н6	С3Н8	i- С4Н10	n- С4Н10	i- С4Н10	n- С4Н10	СО2	СО	Н2S	N2	Пары воды	Воздух
Молеку-лярная масса	16,042	30,068	44,094	58,124	58,124	72,147	72,147	44,01	28,01	34,076	28,016	18,016	28,966
Газовая постоян- ная	52,90	28,22	19,26	14,60	14,60	11,76	11,76	19,14	30,26	24,89	30,13	47,10	29,27
Ткр,, 0С	-82,5	33,0	96,6	134,0	152,0	187,7	197,2	31,1	-140,2	100,4	-147,00	374,10	-140,70
Ркр, МПа	4,58	4,85	4,34	3,82	3,57	3,29	3,30	7,29	3,45	8,89	3,35	21,75	3,72
Плотность по воздуху	0,554	1,038	1,523	2,007	2,007	2,4908	2,4908	1,5291	0,968	1,1906	1,2505	0,804	1,2930

В составе высококипящих углеводородов пластовой газоконденсатной системы содержаться углеводороды трех химических групп: метановые, нафтеновые и ароматические, причём их соотношения весьма различаются для различных газоконденсатных месторождений. В таблице 2 приведена краткая характеристика газового конденсата ряда месторождений СНГ.

Содержание высококипящих углеводородов тем выше,

чем выше пластовые давления и температура. Следует отметить, что условия формирования месторождения могут существенно повлиять на такую закономерность.

В этой связи в природе могут встречаться три типа газоконденсатных залежей - насыщенные, недонасыщенные и перегретые. Для последних типов залежей свойственно, что пластовая температура выше критической температуры конденсации пластовой системы.

Насыщенные газоконденсатные системы образуются, если в процессе формирования залежей имеются источники снабжения газовой фазы высококипящими углеводородами (нефтяная оторочка или вблизи лежащие нефтяные месторождения).

Таблица 2. Качественная характеристика конденсатов

Месторождение	Содержание углеводородов, % массовый			Молекулярный вес	Плот ность, г/см3	Вязкость, сст
	Ароматические	Нафте-новые	Мета-новые
Шебелинское	14,10	33,20	52,70	120	0,7665	1,4290
Крестищенское	14,20	30,20	55,60	141	0,7864	1,6250
Кегичевское	17,60	44,20	38,20	124	0,7724	1,0210
Южно-Советское	40,00	30,00	30,00	140	0,7950	1,2000
Староминское	12,96	22,39	64,55	-	0,7070	0,9787
Некрасовское	44,50	19,20	36,30	-	0,8115	1,0000
Березанское	45,00	25,00	30,00	-	0,8020	1,2210
Шатлыкское	8,70	9,40	80,90	-	0,7578	1,6700
Ачакское	20,50	35,30	63,20	122	0,7652	1,3900
Наипское	26,30	29,60	44,10	116	0,7817	1,2900
Гугуртли	29,60	32,30	38,20	128	0,7866	1,2900
Беурдешек	20,4	33,40	46,20	127	0,7739	1,2000
Оренбургское	21,30	22,50	56,20	90	0,6970	-
Игримское	4,75	63,15	32,10	97	0,7718	1,0006
Пунгинское	6,00	56,00	38,00	111	0,7410	0,9810
Средне-Вилюйское	25,20	44,40	30,40	-	0,7430	1,3500
Южно Мубарекское	10,00	9,00	81,00	103	0,7314	0,7700
Газлинское	29,00	30,00	41,00	117	0,7545	-
Вуктыльское	12,00	18,00	70,00	114	0,7283	-
Уренгойское	18,30	40,00	41,70	-	0,8141	1,5900

В пережатых пластовых системах даже при высоком содержании углеводородов С_5+высв пластовых газах давление начала конденсации всегда ниже пластового.

Следует отметить, что характерной особенностью газоконденсатных газов является уменьшение концентрации от этана к пропану, и от пропана по отношению к бутанам, тогда как в нефтяных газах указанная закономерность отсутствует.

В газах, растворенных в нефтях, содержание этана всегда меньше содержания пропана, т.е. коэффициент отношения этана к пропануС₂/С₃ < 1.

В газах газоконденсатных месторождений эта величина составляет 2 – 6. Отношение метана к сумме тяжелых углеводородов С₁/С₂₊в а газах газоконденсатных месторождений составляет порядка 10, а в газах, растворенных в нефти до 13.

Газовые конденсаты можно подразделить три основные категории:

- малосернистые и малоароматизированные;

- высокоароматизированные с содержанием более 20% ароматических углеводородов;

- сернистые и высокосернистые содержанием серы более 0,2 %.

Первая категория имеет несколько групп, различающихся по фракционному составу. В первую группу входят конденсаты, имеющий фракционный состав, аналогичный бензинам. Во вторую группу входят конденсаты, близкие по характеристикам к реактивным топливам. Третья группа содержит конденсаты, которые соответствуют по фракционному составу реактивным (фракция 145 – 285 ⁰С) или дизельным топливам (фракция 145 – 350⁰С).