Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Физические свойства сжиженных углеводородных газов. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 45 / 75 6 7 > Следующая >>>

Таким образом, по величине

> 42000 кДж/кг (сжиженный газ, бензин, дизтопливо, керо-

различают 3 группы топлива:

син) – высококалорийное;

= 25000 – 42000 кДж/кг (природный газ, мазут, каменный

уголь и пр.) – среднекалорийное;

< 25000 кДж/кг (бурый уголь, древесина, сланцы и пр.) –

низкокалорийное.

3.10.2. Скорость пламени

Перемещение пламенной зоны – фронта пламени – области, отделяющей не вступившую в реакцию горючую смесь от продуктов горения, вызвано тем, что холодная горючая смесь перед ним нагревается до температуры воспламенения за счет теплопроводности и диффузии раскаленных продуктов горения в холодную смесь. Линейная скорость, с которой перемещается фронт пламени по однородной горючей смеси, называется равномерной скоростью распространения пламени, зависящей как от вида газа, так и от его содержания в газовоздушной смеси [9].

Стехиометрический состав – это теоретически верное соотношение топлива и воздуха, при котором в процессе горения кислород воздуха и топливо будут израсходованы полностью без остатка.

Минимальная скорость (для всех видов горючих газов) соответствует нижнему и верхнему пределам воспламенения, а максимальная – соотношению газов и воздуха.

Экспериментами установлено, что скорость распространения пламени зависит от диаметра цилиндрической трубки, по которой оно распространяется: чем больше диаметр, тем выше скорость распространения. Увеличение диаметра трубки снижает влияние стенок на процесс горения и перемещающийся фронт пламени и способствует усилению конвекции [11].

Для сравнительной характеристики горючих свойств газов (независимо от размеров трубки) введено понятие «нормальная скорость распространения пламени» – это скорость, отнесенная к холодной

(еще не воспламенившейся) смеси, с которой пламя перемещается по

нормали к ее поверхности. Фронт пламени принимается плоским, и равным диаметру трубки:

где

– нормальная скорость распространения пламени, м/с;

– измеренная равномерная скорость распространения пламе-

, (17)

ни, м/с;

– радиус трубки, м;

– площадь поверхности фронта пламени, м2.

Как видно из данных табл. 24, максимальная скорость распространения пламени соответствует смесям газа и воздуха с недостатком окислителя (не стехиометрическим). При избытке горючего повышается эффективность столкновения реагирующих частиц, и скорость химических реакций возрастает.

Скорости распространения пламени для газокислородных смесей на порядок выше, чем для газовоздушных. Так, максимальная нормальная скорость распространения пламени метано-кислородной смеси – 3,3 м/с, а для смеси пропана и бутана с кислородом – 3,5–3,6 м/с.

Максимальная нормальная скорость распространения пламени в смеси газа с воздухом, м/с, определяется по формуле

rrr

...

υυυ

, (18)

rrr

+++

где

rrr ,...,

– содержание отдельных компонентов в смеси газа, объ-

maxн

2211

...

емные %;

, υυυ

– максимальные нормальные скорости распространения

н...,21

пламени компонентов сложного газа в смеси с воздухом, м/с.

Значительно повышает скорость распространения пламени подогрев газовоздушной смеси:

υυ

, (19)

где

– скорость распространения пламени в нагретой смеси с абсо-

лютной температурой

– то же, в холодной смеси с температурой T, К.

, К;

Предварительный нагрев смеси изменяет ее плотность обратно пропорционально абсолютной температуре, поэтому и скорости распространения пламени растут пропорционально этой температуре. Этот факт надо учитывать при расчетах в тех случаях, когда огневые каналы горелок располагаются в нагретой кладке или когда на них воздействует излучение топки, раскаленных газов и т.п.

Равномерность распространения пламени возможна при выполнении следующих условий:

– огневая трубка имеет небольшую длину;

– горение распространяется при постоянном давлении, близком к атмосферному.

Таблица 24

Скорость распространения пламени в различных газовоздушных

смесях (при t = 20 °C и p = 103,3 кПа), м/с

Смесь с максимальной

нормальной скоростью

распространения пламени

Газ

Метан 10,5 89,5 0,37 9,5 90,5 0,28 Этан 6,3 93,7 0,40 5,7 94,3 0,32 Пропан 4,3 95,7 0,38 4,04 95,96 0,31 Н-бутан 3,3 96,7 0,37 3,14 96,86 0,30 Этилен 7,0 93,0 0,63 6,5 93,5 0,5 Пропилен 4,8 95,2 0,44 4,5 95,5 0,37

Содержание в

смеси,

объемные %

газа воздуха

Максимальная

нормальная

скорость

распространения

Стехиометрическая смесь

Содержание в

смеси,

объемные %

газа воздуха

Нормальная

скорость

распространения

пламени

Бутилен 3,7 96,3 0,43 3,4 96,6 0,38

Если длина трубки значительная, то равномерное распространение пламени для некоторых смесей может перейти в вибрационное, а затем – и в детонационное со сверхзвуковой скоростью горение

(2000 м/с и более). В этом случае воспламенение смеси происходит за

счет ударной волны, нагревающей смесь до температур, превышающих температуру самовоспламенения. Детонация возникает в смесях, обладающих высокими скоростями распространения пламени. Пределы концентрации детонации уже пределов воспламеняемости газовоздушных и газокислородных смесей, объемные %: пропан – 3,2–37, изобутан – 2,8–31, водород – 15–90. Давление, возникающее при детонационном горении, может превышать начальное в десятки раз и приводить к разрушению труб и других сосудов, рассчитанных на высокие давления.

В горелочных устройствах не должно быть отрывов пламени от огневых отверстий, а также должны отсутствовать проскоки пламени внутрь отверстия, т.е. давление газа должно быть таким, чтобы скорость истечения газа через отверстие была примерно равна скорости распространения пламени.

3.11. ТОКСИЧНОСТЬ СУГ

Токсичность СУГ объясняется тем, что, попадая в воздух, газы вытесняют кислород, это приводит к кислородному голоданию (удушье, головокружение, потеря сознания). Существуют нормы предельно допустимой концентрации – не более 300 мг/м3.

Наличие опасных примесей (сероводород в смеси с водой) приводит к коррозии поверхностей металлических сосудов, труб ( расслоению металла). Должно быть не более 5 мг H2S/100 м3.

Сернистые соединения, находящиеся в газе, вызывают сильную коррозию латунных и алюминиевых деталей. Может образовываться серная кислота.

3.12. ОХЛАЖДАЮЩИЕ СВОЙСТВА СУГ

При максимальном отборе паровой фазы из резервуара давление паров в нем падает, жидкая фаза начинает кипеть и переходить в паровую, но на это затрачивается большое количества тепла парообра-

зования. Откуда оно берется? Это тепло отбирается от самой жидкой фазы и жидкость в сосуде охлаждается, от оборудования, от окружающей среды. Баллон, емкость снаружи покрывается «снежной шу-

бой», грунт промерзает до -15 – -20°С. Причем это происходит и в зимнее и в летнее время.

Применяемые конструкционные материалы должны быть хладостойкими. Например, резервуары для хранения сжиженного пропанабутана изготовленные из стали 09Г2С, предназначенной для использования в условиях температурного режима эксплуатации от -40 до +50 °С, толщина стенки определяется расчетом на прочность с учетом прибавок на коррозию. Так же применяются различные железоникелевые сплавы повышенной хладостойкости.

Дополнительный холод образуется при дросселировании.

Попадание жидкой фазы на тело человека вызывает обморожение, похожее на ожог с образованием пузырей. При попадании сжиженных углеводородных газов на тело необходимо обмороженное место промыть обильной струей воды и смазать противоожоговой мазью. Если образовались пузыри, следует наложить стерильную повязку и отправить пострадавшего в медицинское учреждение. При попадании жидкости на одежду ее рекомендуется немедленно снять, так как сжиженные газы моментально впитываются и проникают к телу, обмораживая его.

Выводы

Таким образом, можно подвести итог и выделить основные свойства пропан-бутановых смесей, влияющих на условия их хранения, транспортирования и измерения.

Специфичность свойств СУГ заключается в следующем:

– при небольшом давлении они легко переходят в жидкое состояние, поэтому их хранят, транспортируют, распределяют и используют под давлением собственных паров;

– в газообразном состоянии они тяжелее воздуха, что предопределяет многие приемы безопасной эксплуатации систем СУГ различного назначения;

– они почти в два раза легче воды, а коэффициент их объемного рас-

ширения велик. Таким образом, при заполнении резервуаров СУГ оставляют свободное пространство (до 15 % вместительности резервуара);

– скрытая теплота парообразования незначительна, поэтому расход тепла на испарение СУГ составляет около 0,7 % потенциально содержащейся в них тепловой энергии;

– вязкость очень мала, что облегчает их транспортировку по трубопроводам, но и благоприятствует утечкам;

– нестабильность агрегатного состояния СУГ при течении по трубопроводам в зависимости от температуры, гидравлических сопротивлений, неравномерности условных проходов;

– транспортирование, хранение и измерение СУГ возможны только посредством закрытых (герметизированных) систем, рассчитанных, как правило, на рабочее давление 1,6 МПа;

– перекачивающие, измерительные операции требуют применения специального оборудования, материалов и технологий.

Контрольные вопросы

1. Что значит «система СУГ находится в равновесном состоянии»?

2. Как определить плотность смеси газов?

3. Сформулируйте закон Рауля.

4. Сформулируйте закон Дальтона.

5. От чего зависит давление (упругость) насыщенных паров?

6. Дайте определение относительной влажности газа и точки росы

4. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ

Одно из положительных свойств углеводородных газов – способность их сжижения при сравнительно небольшом повышении давления. Таким образом, при использовании сжиженных газов имеет место переход из одного фазового состояния в другое. При расчете процессов и оборудования испаряющих сжиженных газов необходимо исходить из свойств жидкой и паровой фаз с учетом особенностей фазовых превращений.

С допустимой для практики точностью эти расчеты выполняются

по диаграммам состояния углеводородов.

По ним можно определить:

– упругость паров при данной температуре;

– давление перегретых паров при данных условиях;

– удельный объём и плотность жидкой, паровой и газовой фазы, их энтальпию;

– степень сухости и влажности паров;

– теплоту парообразования;

– работу сжатия компрессора и повышение температуры при сжатии;

– эффект охлаждения жидкости и газа при снижении давления (дросселировании);

– скорость истечения газа из сопел газогорелочных устройств.

Диаграмма состояния (рис. 5, 6) строится на сетке из горизонтальных линий постоянных абсолютных давлений и вертикальных линий постоянных энтальпий. На сетку диаграммы наносят следующие точки и линии.

Точка К – критическое состояние данного углеводорода. Это состояние определяется по критическому давлению и критической температуре (табл. 25). Температура, выше которой данный газ не может быть сжижен ни каким повышением давления, называется критической. Давление, необходимое для сжижения при этой критической температуре, называется критическим давлением.

Таблица 25

Критические параметры однокомпонентных газов

Газ Ткр, К ркр, МПа

Метан 190,65 4,74 162 Этан 305,25 5,04 210 Пропан 368,75 4,49 226

, кг/м3

кр

Н-бутан 425,95 3,60 225 Изобутан 407,15 3,70 234 Изопентан 460,95 3,39 234 Н-пентан 470,35 3,41 232

Пограничная кривая ПКЖ (см. рис. 6), проходящая через точку К критического состояния, делит диаграмму на 3 зоны (области):

I – характеризует жидкую фазу (область жидкости);

II – парожидкостная фаза (область влажного пара);

III – газовая фаза (область перегретого пара).

Р и с . 5. Области на диаграмме состояния

Ветвь ЖК характеризует состояние жидкости при различных давлениях (линия кипящей жидкости), а ветвь КП – состояние насыщенного пара при этих давлениях (линия сухого насыщенного пара – линия точки росы).

КХ, КХ′ – кривые сухости пара, они выходят из критической точки К.

Линии постоянной температуры изображаются ломаной ТЕМЛ с горизонтальным участком ЕМ (постоянное давление и температура при кипении жидкой фазы). Изотермы, для которых температура выше критической точки данного углеводорода, изображаются кривыми

T′E′. Эти линии не пересекают линию насыщенного пара и при этих температурах газ не удается перевести в сжиженное состояние ни при каком давлении.

Р и с . 6. Схема построения диаграммы состояния

Давление жидкой и паровой фазы в замкнутом объёме при заданной температуре определяется по точке пересечения изотермы с одной из пограничных кривых ЖК или КП.

Давление в точке пересечения М и Е будет искомым. Если изотерма не пересекает пограничную кривую, то это значит что при данной температуре газ не перейдёт в жидкое состояние, а давление его можно определить, если известны его удельный объём, например

изобара в точке пересечения изотермы T′E′ и изохоры Б′Б′′.

Удельный объём насыщенной жидкости или пара можно определить по температуре или давлению в точке пересечения заданной изобары или изотермы с пограничными кривыми жидкости ЖК или пара КП. Удельный объём газовой фазы определяется по давлению и

температуре в точке пересечения соответствующих изобар и изотерм.

−

Эти же линии соответствуют постоянной плотности.

Энтальпия жидкой паровой и газовой фаз определяется на оси абсцисс при заданных значениях давления и температуры в точке пересечения изобар с пограничными кривыми, линиями постоянной сухости или изотермами.

Теплота парообразования при заданном давлении определяется как разность энтальпий в точке Е и М заданной изобары с общими пограничными кривыми:

. (20)

iii −=

Степень сухости пара Х определяется Л изобары с кривой постоянной сухости пара при данной энтальпии.

При расчёте процессов на диаграмму наносят вспомогательные линии. Так при дросселировании жидкой фазы от

до

нач

кон

нано-

сят вертикальную линию МС (процесс идёт без подвода или отвода теплоты). Температура конца дросселирования определяется в точке С. Пересечение кривой сухости пара с изобарой р

показывает, ка-

кон

кое количество пара образовалось при дросселировании. Сжатие газа изображается на диаграмме адиабатами. Температура газа в конце

сжатия определяется изотермой, проходящей через точку D′. Теоретическая работа сжатия 1 кг газа определяется разностью теплосо-

держаний в точках D′ и A′:

. (21)

ii∆i

A'D'

Действительная работа сжатия будет несколько больше и определяется по формуле

∆i

, (22)

∆i =

где η – адиабатный КПД процесса сжатия(0,85–0,9).

Диаграммы состояния пропана и бутана соответственно даны на

рис. 7, 8.

<<< < Предыдущая 1 2 3 45 / 75 6 7 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]