Предел взрываемости природного газа. Физические свойства газа
Пределы взрываемости газовоздушных смесей
Исключение образования взрывоопасных газовоздушных концентраций, а также появление источников воспламенения этой смеси (пламени, искр) всегда является основной задачей обслуживающего персонала компрессорных станций. При взрыве газовоздушной смеси резко повышается давление в зоне взрыва, приводящее к разрушению строительных конструкций, а скорость распространения пламени достигает сотни метров в секунду. Например, температура самовоспламенения метановоздушной смеси находится на уровне 700 °С, а метан является основным компонентом природного газа. Его содержание в газовых месторождениях колеблется в диапазоне 92-98%.
При взрыве газовоздушной смеси, находящейся под давлением 0,1 МПа, развивается давление около 0,80 МПа. Газовоздушная смесь взрывается, если в ней содержится 5-15 % метана; 2-10 % пропана; 2-9 % бутана и т.д. При повышении давления газовоздушной смеси пределы взрываемости сужаются. Следует отметить, что примесь кислорода в газе увеличивает опасность взрыва.
Пределы и интервал взрываемости газов в смеси с воздухом при температуре 20 °С и давлении 0,1 МПа приведены в табл. 1.4.
Таблица 1.4
Пределы и интервал взрываемости газов в смеси с воздухом при температуре 20 °с и давлении 0,1 мПа
|
Пределы взрываемости, % по объему |
Интервал взрываемости, % по объему |
||
|
Ацетилен | |||
|
Нефтепромысл. газ | |||
|
Оксид углерода | |||
|
Природный газ | |||
|
Пропилен | |||
1.2. Законы идеальных газов. Области их применения
Идеальными газами принято считать газы, подчиняющиеся уравнению Клапейрона (). Одновременно под идеальными подразумеваются газы, в которых отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия, а объем самих молекул равен нулю. В настоящее время можно утверждать, что ни один из реальных газов не подчиняется этим газовым законам. Тем не менее эти специфические газовые законы достаточно широко используются в технических расчетах. Эти законы просты и достаточно хорошо характеризуют поведение реальных газов при невысоких давлениях и не очень низких температурах, вдали от областей насыщения и критических точек вещества. Наибольшее практическое распространение получили законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Авогадро и на их основе полученное уравнение Клапейрона-Менделеева.
Закон Бойля-Мариотга утверждает, что
при постоянной температуре (
=
const) произведение абсолютного давления
и удельного объема идеального газа
сохраняет постоянную величину (
= const), т.е. произведение абсолютного
давления и удельного объема зависит
только от температуры. Откуда при
=
const имеем:
.
(1.27)
Закон Гей-Люссака утверждает, что при
постоянном давлении (
=
const) объем идеального газа изменяется
прямо пропорционально повышению
температуры:
,
(1.28)
где
- удельный объем газа при температуре
°С
и давлении
-
удельный объем газа при температуре
=
0 °С и том же давлении
;
- температурный коэффициент объемного
расширения идеальных газов при 0 °С,
сохраняющий одно и то же значение при
всех давлениях и одинаковый для всех
идеальных газов:
.
(1.29)
Таким образом, содержание закона
Гей-Люссака сводится к следующему
утверждению: объемное расширение
идеальных газов при изменении температуры
и при
=
const имеет линейный характер, а температурный
коэффициент объемного расширения
является универсальной постоянной
идеальных газов.
Сопоставление законов Бойля-Мариотта и Гей-Люссака приводит к уравнению состояния идеальных газов:
,
(1.30)
где
- удельный объем газа;
- абсолютное давление газа;
- удельная газовая постоянная идеального
газа;
-
абсолютная температура идеального
газа:
.
(1.31)
Физический смысл удельной газовой
постоянной
- это удельная работа в процессе
=
const при изменении температуры на один
градус.
Закон Авогадро утверждает, что объем
одного моля идеального газа
не зависит от природы газа и вполне
определяется давлением и температурой
вещества (
).
На этом основании утверждается, что
объемы молей разных газов, взятых при
одинаковых давлениях и температурах,
равны между собой. Если
- удельный объем газа, а
- мольная масса, то объем моля (мольный
объем) равен
.
При равных давлениях и температурах
для разных газов имеем:
Так как удельный мольный объем газа
зависит в общем случае только от давления
и температуры, то произведение
в уравнении (1.32) - есть величина одинаковая
для всех газов и поэтому называется
универсальной газовой постоянной:
,
Дж/кмоль·К. (1.33)
Из уравнения (1.33) следует, что удельные
газовые постоянные отдельных газов
определяются через их мольные массы.
Например, для азота (
)
удельная газовая постоянная будет
= 8314/28 = 297 Дж/(кг·К). (1.34)
Для
кг газа с учетом того, что
,
уравнение Клапейрона записывается в
виде:
,
(1.35)
где
- количество вещества в молях
.
Для 1 кмоля газа:
.
(1.36)
Последнее уравнение, полученное русским ученым Д.И. Менделеевым, часто называют уравнением Клапейрона-Менделеева.
Значение мольного объема идеальных
газов в нормальных физических условиях
(
= 0 °С и
= 101,1 кПа) составит:
=
22,4 м
/кмоль.
(1.37)
Уравнение состояния реальных газов
часто записывают на основе уравнения
Клапейрона с введением в него поправки
,
учитывающей отклонение реального газа
от идеального
,
(1.38)
где
- коэффициент сжимаемости, определяемый
по специальным номограммам или из
соответствующих таблиц. На рис. 1.1
приведена номограмма для определения
численных значений величины
природного газа в зависимости от давления
,
относительной плотности газа по воздуху
и его температуры
.
В научной литературе коэффициент
сжимаемости
обычно определяется в зависимости от
так называемых приведенных параметров
(давление и температура) газа:
;
,
(1.39)
где
,
и
- соответственно приведенное, абсолютное
и критическое давление газа;
,
и
- соответственно приведенная, абсолютная
и критическая температура газа.
Рис. 1.1. Номограмма расчёта
в зависимости от
,
,
Критическим давлением называется такое давление, при котором и выше которого никаким повышением температуры жидкость уже не может быть превращена в пар.
Критической температурой называется такая температура, при которой и выше которой ни при каком повышении давления нельзя сконденсировать пар.
Численные значения критических параметров для некоторых газов приведены в табл. 1.5.
Таблица 1.5
1. Газ – без цвета, вкуса и запаха. Неядовит, нетоксичен. Обладает удушающим действием, т.е. при утечках вытесняет кислород из объёма помещений.
2. Пожаровзрывоопасен.
3. Примерно в два раза легче воздуха, поэтому при утечках скапливается в верхних слоях помещений.
Плотность воздуха: r возд .=1,29 кг/м 3 .
Плотность газа: r газа .=0,72 кг/м 3 .
4. При температуре –162 О С и атмосферном давлении (760 мм Hg . ст.) природный газ переходит в жидкое состояние.
5. Температура, развиваемая при сгорании газа от +1600 до +2000 О С.
6. Температура воспламенения +645 О С.
7. При сгорании одного кубометра газа выделяется 8500 Ккал тепла (Теплотворная способность природного газа).
8. Пределы взрываемости газа: от 5% до 15% по объёму.
При концентрации газа в воздухе помещений менее 5% или более 15% взрыва не будет. Будет пожар или возгорание. Когда меньше 5% - будет недостаток газа и меньше теплоты, которая поддерживает горение.
Во втором случае (концентрация более 15%) будет мало воздуха, т.е. окислителя, и малое количество тепла для поддержания горения.
Климатические условия в шахтах. Их отличия от климатических условий на поверхности.
Климатические условия (тепловой режим) горных предприятий оказывают большое влияние на самочувствие человека, его производительность труда, на уровень травматизма. Кроме того, они оказывают влияние на работу оборудования, поддержание выработок, состояние вентиляционных сооружений.
Температура и влажность воздуха в подземных выработках зависят от таковых на поверхности.
При движении воздуха по подземным выработкам его температура и влажность изменяются.
Зимой воздух, поступающий в шахту, охлаждает стенки воздухо-подающих выработок, а сам нагревается. Летом воздух нагревает стенки выработок, а сам охлаждается. Теплообмен происходит наиболее интенсивно в воздухоподающих выработках и на некотором расстоянии от их устья затухает, а температура воздуха становится близкой к температуре пород.
Основными факторами, определяющими температуру воздуха в подземных горных выработках, являются:
1. Тепло- и массообмен с горными породами.
2. Естественное сжатие воздуха при его движении вниз по вертикальным или наклонным выработкам.
3. Окисление горных пород и материалов крепи.
4. Охлаждение горной массы при ее транспортировании по выработкам.
5. Процессы массообмена между воздухом и водой.
6. Тепловыделение при работе машин и механизмов.
7. Тепловыделение людей, охлаждение электрических кабелей, трубопроводов, горение светильников и пр.
Максимально допустимая скорость движения воздуха в различных выработках колеблется от 4 м/с (в призабойных пространствах) до 15 м/с (в вентиляционных стволах, не оборудованных подъемом).
Воздух, подаваемый в подземные выработки в зимнее время, должен подогреваться до температуры +2 о С (в 5 м от сопряжения канала калорифера со стволом).
Оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в рабочей зоне производственных помещений (в т.ч. и обогатительных фабрик) приведены в ГОСТ 12.1.005-88 и СанПиН – 2.2.4.548-96.
Оптимальные микроклиматические условия – такие сочетания метеорологических параметров, которые обеспечивают ощущение теплового комфорта.
Допустимые – такие сочетания метеорологических параметров, при которых не возникает повреждений или нарушений состояния здоровья.
Так, допустимый диапазон температур в холодный период года для работ I категории тяжести составляет 19-25 о С; II категории – 15-23 о С; III категории – 13-21 о С.
В теплый период года эти диапазоны составляют соответственно 20-28 о С; 16-27 о С; 15-26 о С.
Концентрационные пределы воспламеняемости и взрываемости метана. Факторы, влияющие на интенсивность воспламеняемости и взрываемости
Метан (СН 4) – газ без цвета, запаха и вкуса, при обычных условиях весьма инертен. Его относительная плотность 0,5539, вследствие чего он скапливается в верхних частях выработок и помещений.
Метан образует с воздухом горючие и взрывчатые смеси, горит бледным голубоватым пламенем. В подземных выработках горение метана происходит в условиях недостатка кислорода, что приводит к образованию оксида углерода и водорода.
При содержании метана в воздухе до 5-6% (при нормальном содержании кислорода) он горит около источника тепла (открытого огня), от 5-6% до 14-16% взрывается, свыше 14-16% не взрывается, но может гореть при притоке кислорода извне. Сила взрыва зависит от абсолютного количества участвующего в нем метана. Наибольшей силы взрыв достигает при содержании в воздухе 9,5% СН 4 .
Температура воспламенения метана 650-750 о С; температура продуктов взрыва в неограниченном объеме достигает 1875 о С, а внутри замкнутого объема 2150-2650 о С.
Метан образовался в результате разложения клетчатки органической массы под влиянием сложных химических процессов без доступа кислорода. Существенную роль при этом играет жизнедеятельность микроорганизмов (анаэробных бактерий).
В породах метан находится в свободном (заполняет поровое пространство) и связанном состоянии. Количество метана, содержащегося в единице массы угля (породы) в естественных условиях, называется газоносностью.
Различают три вида выделения метана в горные выработки угольных шахт: обыкновенное, суфлярное, внезапные выбросы.
Основной мерой предотвращения опасных скоплений метана является вентиляция выработок, обеспечивающая поддержание допустимых концентраций газа. По правилам безопасности содержание метана в шахтном воздухе не должно превышать значений, приведенных в табл. 1.3.
Допустимое содержание метана в горных выработках
При невозможности обеспечить допустимое содержание метана средствами вентиляции применяется дегазация шахт.
Для предупреждения воспламенения метана запрещается применение в горных выработках открытого огня, курение. Электрооборудование, применяемое в опасных по газу выработках, должно иметь взрывобезопасное исполнение. Для ведения взрывных работ должны применяться только предохранительные взрывчатые вещества и средства взрывания.
Основные меры по ограничению вредных последствий взрыва: разделение шахты на независимо проветриваемые участки; четкая организация спасательной службы; ознакомление всех работников со свойствами метана и мерами предосторожности.
Под природным газом понимают целую смесь газов, которые образуются в недрах земли впоследствии анаэробного разложения органических веществ. Он является одним из наиболее важных полезных ископаемых. Природный газ залегает в недрах планеты. Это могут быть отдельные скопления или газовая шапка на нефтяном месторождении, однако может быть представлен в виде газогидратов, в кристаллическом состоянии.
Опасные свойства
Природный газ знаком практически всем жителям развитых стран, и еще в школе дети изучают правила пользования газом в быту. А между тем взрывы природного газа - не редкость. Но и помимо этого, существует целый ряд угроз, исходящих от столь удобных приборов, работающих на природном газе.
Природный газ токсичен. Хотя этан и метан в чистом виде неядовиты, при насыщении ими воздуха человек будет испытывать удушье из-за недостатка кислорода. Особенно это опасно ночью, во время сна.
Предел взрываемости природного газа
При контакте с воздухом, а точнее с его составляющей - кислородом, природные газы способны образовать легковоспламеняемую детонирующую смесь, которая может вызвать взрыв большой силы даже от малейшего источника огня, например, искры от проводки или пламени спички, свечи. Если масса природного газа относительно невысока, то и температура воспламенения не будет высокой, а вот сила взрыва зависит от давления получившейся смеси: чем выше давление газовоздушного состава, тем с большей силой он взорвется.
Однако практически все люди хотя бы раз в жизни сталкивались с некоторой утечкой газа, обнаруживаемой по характерному запаху, и тем не менее никаких взрывов не происходило. Дело в том, что взорваться природный газ может только при достижении определенных пропорций с кислородом. Есть низший и высший предел взрываемости.
Как только достигнут низший предел взрываемости природного газа (для метана это 5%), то есть концентрации, достаточной для начала может произойти взрыв. Уменьшение концентрации устранит возможность возгорания. Превышение высшей отметки (15% для метана) так же не позволит начаться реакции горения, ввиду недостатка воздуха, а точнее - кислорода.
Предел взрываемости природного газа возрастает при повышении давления смеси, а также в случае, если смесь содержит инертные газы, например азот.
Давление природного газа в газопроводе может быть различным, от 0,05 кгс/см 2 до 12 кгс/см 2 .
Разница между взрывом и горением
Хотя на первый взгляд кажется, что взрыв и горение - несколько разные вещи, на самом деле эти процессы однотипны. Единственное их различие - это интенсивность протекания реакции. Во время взрыва в помещении или любом другом замкнутом пространстве реакция протекает невероятно быстро. Детонационная волна распространяется со скоростью, в несколько раз превышающую скорость звука: от 900 до 3000 м/с.
Так как метан, используемый в бытовом газопроводе, - газ природный, объем кислорода, необходимый для воспламенения, также подчиняется общему правилу.
Максимальная сила взрыва достигается в случае, если присутствующего кислорода теоретически достаточно для полного сгорания. Также должны присутствовать и остальные условия: концентрация газа соответствует пределу воспламенения (выше низшего предела, но ниже высшего) и присутствует источник огня.
Струя газа без примеси кислорода, то есть превышающая высший предел воспламенения, поступая в воздух, будет гореть ровным пламенем, фронт горения распространяется со скоростью 0,2-2,4 м/с при нормальном атмосферном давлении.
Свойства газов
Детонационные свойства проявляются в углеводородах парафинного ряда от метана до гексана. Строение молекул и молекулярная масса определяют их детонационные свойства падают с уменьшением молекулярной массы, а октановое число увеличивается.
В входит несколько углеводородов. Первый из них - метан (химическая формула CH 4). Физические свойства газа таковы: бесцветен, легче воздуха и не имеет запаха. Он достаточно горюч, но тем не менее довольно безопасен в хранении, в случае, если полностью соблюдена техника безопасности. Этан (C 2 H 6) также не имеет цвета и запаха, но немного тяжелее воздуха. Он горюч, но не используется в качестве топлива.
Пропан (C 3 H 8) - без цвета и запаха, способен сжижаться при небольшом давлении. Это полезное свойство позволяет не только безопасно транспортировать пропан, но и выделять его из смеси с другими углеводородами.
Бутан (C 4 H 10): физические свойства газа близки к пропану, однако его плотность выше, а по массе бутан вдвое тяжелее воздуха.
Знакомые всем
Углекислый газ (CO 2) тоже входит в состав природного. Физические свойства газа знают, пожалуй, все: не имеет запаха, но характерен кислым привкусом. Он входит в ряд газов с самой маленькой токсичностью и является единственным (за исключением гелия) негорючим газом в составе природного.
Гелий (He) - очень легкий газ, второй после водорода, бесцветен и не имеет запаха. Он очень инертен и в обычных условиях не способен реагировать с каким-либо веществом, не участвует и в процессе горения. Гелий безопасен, нетоксичен, при повышенном давлении, наряду с другими инертными газами, вводит человека в состояние наркоза.
Сероводород (H 2 S) - газ без цвета с характерным запахом тухлых яиц. Тяжелый и очень ядовитый, может вызвать паралич обонятельного нерва даже при незначительной концентрации. К тому же предел взрываемости природного газа очень широк, от 4,5% до 45%.
Есть еще два углеводорода, которые по применению близки к природному газу, но в его состав не входят. Этилен (C 2 H 4) - близкий по свойствам к этану, обладающий приятным запахом и не имеющий цвета газ. От этана его отличает меньшая плотность и горючесть.
Ацетилен (C 2 H 2) - бесцветный взрывоопасный газ. Он очень горюч, взрывается, если произошло сильное сжатие. Ввиду этого ацетилен опасно использовать в быту, в основном же используется при сварочных работах.
Применение углеводородов
Как горючее в бытовых газовых приборах используется метан.
Пропан и бутан служат топливом для автомобилей (например, гибридных), а в сжиженном виде пропаном заправляют зажигалки.
А вот этан редко используют как горючее, его основное назначение в промышленности - получение этилена, который производится на планете в огромных количествах, ведь именно он является сырьем для полиэтилена.
Ацетилен служит для нужд металлургии, с его помощью достигаются высокие температуры для сварки и резки металлов. Так как он крайне горюч, его невозможно использовать в качестве топлива, и при хранении газа обязательно строгое соблюдение условий.
Хотя сероводород и токсичен, в крайне малых количествах он применяется в медицине. Это так называемые сероводородные ванны, действие которых основано на антисептических свойствах сероводорода.
Основное полезное - его небольшая плотность. Этим инертным газом пользуются при полетах на аэростатах и дирижаблях, им заполняют летучие воздушные шарики, популярные среди детей. Воспламенение природного газа невозможно: гелий не горит, поэтому можно без боязни нагревать его над открытым огнем. Водород, соседствующий с гелием в таблице Менделеева, еще легче, однако Гелий является единственным газом, не имеющим твердой фазы ни при каких условиях.
Правила пользования газом в быту
Каждый человек, пользующийся газовыми приборами, обязан проходить инструктаж по технике безопасности. Первое правило - следить за исправностью приборов, периодически проверять тягу и дымоход, если в приборе предусмотрено отведение После выключения газового прибора нужно закрывать краны и перекрывать вентиль на баллоне, если имеется таковой. В случае, если внезапно прервалась подача газа, а также при выявлении неисправностей нужно немедленно звонить в газовую службу.
Если в квартире или другом помещении чувствуется запах газа, необходимо сразу же прекратить какое бы то ни было использование приборов, не включать электроприборы, открыть окно или форточку для проветривания, затем покинуть помещение и вызвать аварийную службу (телефон 04).
Правила пользования газом в быту важно соблюдать, ведь малейшая неисправность может привести к плачевным последствиям.
3 июня 2011| – | Нижний предел взрываемости | Верхний предел взрываемости |
| Бензин Б-70 | 0,8 | 5,1 |
| Керосин тракторный | 1,4 | 7,5 |
| Пропан | 2,1 | 9,5 |
| н-Бутан | 1,5 | 8,5 |
| Метан | 5 | 15 |
| Аммиак | 15 | 28 |
| Сероводород | 4,3 | 45,5 |
| Окись углерода | 12,5 | 75 |
| Водород | 4 | 75 |
| Ацетилен | 2 | 82 |
Взрыв — мгновенное химическое превращение, сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов.
При взрывах газо-воздушных смесей выделяется большое количество тепла и образуется большое количество газов.
Газы за счет выделившегося тепла нагреваются до высокой температуры, резко увеличиваются в объеме и, расширяясь, давят с большой силой на ограждающие конструкции зданий или стенки аппаратов, в которых происходит взрыв.
Давление в момент взрыва газовых смесей достигает 10 кгс/см 2 , температура колеблется в пределах 1500—2000° С, а скорость распространения взрывной волны достигает нескольких сотен метров в секунду. Взрывы, как правило, вызывают большие разрушения и пожары.
Пожароопасные свойства горючих веществ характеризуются рядом показателей: температурой вспышки, воспламенения, самовоспламенения и др.
К другим свойствам горючих веществ относятся давление взрыва, минимальное взрывоопасное содержание кислорода, ниже которого вослламенение и горение смеси становятся невозможными при любой концентрации горючего вещества в смеси, характер взаимодействия со средствами пожаротушения и др.
«Охрана труда и техника безопасности в газовом хозяйстве»,
А.Н. Янович, А.Ц. Аствацатуров, А.А. Бусурин
Показатели Метан Пропан н-Бутан Авиационный бензин Керосин тракторный Масло индустриальное Температура вспышки паров, °С —188 — —77 —34 27 200 Температура самовоспламенения, °С 537 600—588 490—569 300 250 380 Концентрационные пределы воспламенения, % по объему 6,3—15 2,2—9,5 1,9—8,5 0,8—5,2 1,4—7,5 1—4 Температурные пределы воспламенения паров над жидкостью, °С —188/+180 — —(77/52) —(34/4) 27—69 146—191 Скорость…
Взрывоопасные концентрации сжиженных и природных газов образуются во время отключения трубопроводов, резервуаров и аппаратов, когда газ удален не полностью и при его смешивании с поступающим воздухом создается взрывоопасная смесь. В связи с этим до начала работ газопроводы и резервуары промывают водой, пропаривают, продувают инертным газом. Чтобы из других резервуаров или трубопроводов не попал газ, ремонтируемые…
Анализ пожаров, происшедших на эксплуатируемых кустовых базах сжиженного газа, свидетельствует о том, что основными типами аварий являются следующие: наличие утечек газа, разрывы трубопроводов и гибких шлангов, пробои фланцевых соединений и срывы заглушек, пробои сальниковых уплотнений на запорной арматуре, неплотно закрытые вентили, разрушение емкостей сжиженного газа вследствие их переполнения; различные поломки на трубопроводах и резервуарах (разрушение…
При испарении газа происходит образование взрывоопасной газовоздушной смеси. При авариях в помещениях взрывоопасные концентрации газа возникают в первую очередь, вблизи места утечки газа, а затем распространяются по всему помещению. При испарении газа на открытых площадках вблизи места утечки образуется зона загазованности, распространяющаяся по территории склада. Величина зоны загазованности при аварийном истечении газа зависит от многих…
Главная трудность при тушении пожаров газов — борьба с загазованностью и повторным воспламенением после тушения пожара. Ни одно из известных средств тушения не устраняет опасности загазованности и повторного воспламенения. Основная задача при борьбе с пожарами газов — локализация пожара. Она должна осуществляться путем ограничения времени истечения и объема вытекающего газа, а так-же путем тепловой защиты…
