Основные характеристики горючих газов

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 6Следующая ⇒

Химическая формула газа отражает элементный химический состав последнего и позволяет отчасти представить его химические и физические свойства. Так, углеводородные газы состоят из простых углеводородных соединений, являющихся органическими веществами, содержащими в своем составе два химических элемента: углерод С и водород Н₂. Самый простой углеводород, содержащий всего один атом углерода, – метан СН₄. Все углеводороды, имеют общую формулу – С_mH_n, входят в гомологический ряд так называемых предельных или насыщенных углеводородов – соединений, в которых углерод до предела насыщен атомами водорода. При температуре 0 °С и давлении 760 мм рт. ст. изпредельных углеводородов газами являются лишь метан – СН₄, этан – С₂Н₆, пропан – С₃Н₈ и бутан – С₄Н₁₀. Наряду с нормальными предельными углеводородами существуют так называемые изомерные соединения, имеющие одинаковые с первыми химические формулы, но отличающиеся от них характером расположения атомов углерода, а также некоторыми свойствами. Пропан изомера не имеет. Начиная с бутана, каждая суммарная формула алканов охватывает несколько углеводородов, имеющих одинаковые молекулярные массы, но разную структуру. Так формуле С₄Н₁₀ отвечают два бутана: СН₃–СН2–СН₅–СН₃ нормальный бутан; СН₃–СН–СН₃–СН₃изобутан. Изомер бутана – изобутан. Для обозначения нормального бутана используют русскую строчную курсивную букву «н»и записывают н-бутан, а к химической формуле изобутана добавляют приставку изо (также курсивом) и записывают изо-С₄Н₁₀либо i-С₄H₁₀. Кроме предельных и их изомеров в составе сжиженных углеводородов могут присутствовать ненасыщенные или непредельные углеводороды, характеризующиеся двойной или тройной связью между атомами углерода. Это этилен – С₂Н₄, пропилен – С₃Н₆, бутилен – C₄H₈ и изобутилен – i-C₄H₈. Непредельные углеводороды с называются олефинами, или алкенами. Топливные газы представляют собой смесь отдельных газов, но при рассмотрении теплотехнических характеристик этой смеси нужно учитывать, что ее компоненты не вступают в химические реакции друг с другом.

Масса т, физическая величина, являющаяся мерой инертности и тяготения вещества (жидкости, газа). Измеряется в килограммах (кг). Однако масса не является мерой количества вещества. Единицей количества вещества считается моль, который равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов (атомов, молекул), сколько атомов содержится в углероде массой 0,012 кг. Массу одного моля (киломоля) М называют молярной массой.

Объем газов Vизмеряют в кубических метрах (м³). Вследствие того, что объем газов изменяется при нагревании, охлаждении и сжатии, за его единицу принимают 1 м³ газа при нормальных условиях. Если температура t или давление Р отличаются от нормальных, то объем газа при нормальных условиях V₀определяется по формуле

где V – объем газа, измеренный при рабочих условиях, м³; Р_d – барометрическое давление, кПа, нормальное атмосферное давление Р_d = 101,3 кПа; Р_и – избыточное давление (измеренное манометром), кПа; Р – абсолютное давление, кПа, Р = Р_d + Р_и; t – температура, °С.

Основными точками для градуировки шкалы являются: температура плавления льда 0 °С и температура кипения воды 100 °С при нормальном атмосферном давлении 101,325 кПа; Т – абсолютная температура, К (абсолютная температура Т связана с температурой в градусах Цельсия t уравнением Т = t + 273 °С, абсолютный нуль температуры в градусах Цельсия равен – 273,15 °С).

Плотность газа – r характеризует его массу, приходящуюся на единицу объема (кг/м³). Известно, что плотность газов и их объем зависят от температуры. С повышением температуры объем газа в незамкнутых пространствах увеличивается, а в замкнутых возрастает его избыточное давление. В обоих случаях изменяется плотность газа. Для возможности сравнения свойств различных газов основные их характеристики должны быть приведены к одинаковым условиям. В технических расчетах это нормальные условия (Р = 760 мм рт. ст. t = 0 °С).

В финансовых же расчетах между поставщиками и потребителями газа применяют стандартные условия. В этом случае фактический объем газа, измеренный приборами учета при рабочем давлении и температуре, приводят с помощью специальных таблиц к объему при давлении 760 мм рт. ст. и температуре 20 °С. Плотность газа при нормальных условиях обозначается r₀.

Зависимость изменения плотности при изменениях температуры и давления может быть выражена для газа однокомпонентного состава формулой

где r – плотность газа при температуре отличной от 0 °С; r₀ – плотность газа при температуре 0 °С и давлении 760 мм рт.ст.; Р – фактическое избыточное давление, мм рт. ст.; Р_d – атмосферное (барометрическое) давление, мм рт. ст.; t – температура газа, °С; Р – абсолютное давление, мм рт. ст.; Т – абсолютная температура, К;

Плотность сложных газов при нормальных физических условиях может быть определена по формуле

r_см= 0,01(Sri × ri),

r_см= 0,01(r₁r₁+ r₂r₂+ ... + r_n r_n) = 0,01(0,72×СН₄+ 1,35×С₂Н₆+

+ 2,01×С₃Н₈+ 2,7×С₄Н₁₀+ 3,22×С₅Н₁₂+ 1,53×Н₂S + 1,97×СО₂+

+ 1,25×N₂) кг/м³;

ρ₁, ρ ₂, ..., ρ_n – плотность компонентов газа, кг/м³;

r₁, r₂, ..., r_n – содержание компонентов, %.

Удельный объем v – величина обратная плотности r, определяющая отношение объема газа (м³) к его массе (кг), измеряется в кубических метрах на килограмм (м³/кг).

Давление – физическая величина, характеризующая интенсивность нормальных (перпендикулярных к поверхности) сил, с которыми одно тело действует на поверхность другого. В газовой среде давление связано с передачей импульса при столкновениях находящихся в тепловом движении молекул газа друг с другом или с поверхностью граничащих с газом тел. В СИ единица измерения давления – паскаль (Па). Паскаль равен давлению, вызываемому силой 1Н (ньютон), равномерно распределенной по нормальной (вертикальной) к ней поверхности площадью 1 м². Удобно использовать Па×10 , т. е даПА так как давление выраженное в даПа равно величине давления выраженному в мм. рт. ст. На практике еще действующей единицей давления является техническая атмосфера (1 атм), равная в системе МКГСС давлению 1 кгс на поверхность 1 см² (1 кгс/см²). Многие страны пользуются единицей давления – бар. Соотношения наиболее употребляемых в теплотехнике единиц, включая единицы давления, приводятся в табл. 4.

Для паров и газов различают избыточное P_и, абсолютное P_аи парциальное P_пдавление. Причем абсолютное давление включает в себя избыточное давление (измеренное манометром) и барометрическое (атмосферное давление на данный момент).

Поскольку топливные газы практически всегда являются смесями отдельных (идеальных) газов, не вступающих между собой в химические соединения, то каждый идеальный газ, входящий в смесь, распространяется по всему объему смеси и имеет свое давление, называемое парциальным. Согласно закону Дальтона общее давление смеси равно сумме давлений отдельных газов, образующих эту смесь

P_a = P₁+ P₂ + ...+ P_n.

Таблица 4

Соотношение единиц давления

При этом парциальное давление каждого компонента смеси p_i равно общему давлению, умноженному на объемное (молярное) содержание y_i данного газа в смеси:

p_i = y_i P_и.

Давление избыточное P_и газов в практике их использования является одним из основных показателей, определяющих технику и технологию их применения. Системы газоснабжения по этому показателю подразделяются на четыре градации:

высокого давления I категории при избыточном давлении от 1,2МПа до 0,6МПа включительно для природного газа и газовоздушных смесей, и от 1,6МПа для сжиженных углеводородных газов (СУГ);

газопроводы высокого давления II категории при избыточном давлении газа свыше 0,3 МПа (3 кгс/см²) до 0,6 МПа (6 кгс/см²);

газопроводы среднего давления – при рабочем давлении свыше 500 даПа (0,05 кгс/см²) до 0,3 МПа (3 кгс/см²);

газопроводы низкого давления – при рабочем давлении газа до 500 даПа (0,05 кгс/см²) включительно.

Теплота сгорания Q – количество тепла, которое выделяется при полном сгорании единицы массы или объема газа (топлива). Теплоту сгорания газов в СИ измеряют в кило(мега) джоулях на килограмм (кДж/кг, МДж/кг) или в кило (мега-) джоулях на кубический метр (кДж/м³, МДж/м³), а на практике – нередко в килокалориях на килограмм (ккал/кг) или в килокалориях на кубический метр (ккал/м³), а так же в кВт.

Соотношения между единицами теплоты сгорания газов

1ккал/м³= 4,19 кДж/м³; 1ккал / (ч×м²) = 1,16 Вт/м²; 1МДж = 3,6 кВт

Для оценки тепловых свойств газов могут применяться низшая Q_H и высшая Q_B теплота сгорания. Q_H отличается от Q_B тем, что она не включает в себя скрытую теплоту испарения водяных паров, образующихся при сгорании одной единицы топлива. Поэтому не следует понимать показатель низшей и высшей теплоты сгорания как некие пределы, в границах которых колеблется теплообразующая способность топлива. Теплота сгорания некоторых индивидуальных газов, входящих в состав топливных углеводородных газов, приведена в табл. 4.

Определение низшей теплоты сгорания сложного газа

Q_н = 0,01(SQ _н _i × C_mH_n), кДж/м³

где Q _н _i – низшая теплота сгорания отдельного компонента; C_mH_n – процентное содержание горючего в смеси газа.

Q_н = 0,01(35880×CH4 + 64360×C2H6 + 93180×C3H8 +

+ 123600×C₄H₁₀), кДж/м³

Число Воббе W o – показатель, также характеризующий тепловые свойства газа во взаимосвязи с его относительной плотностью. Определяется по формуле:

или

где Wo_ни Wo_в – число Воббе низшее и высшее, кДж/м³; Q_{н –} низшая теплота сгорания газа, кДж/м³; Q_в– высшая теплота сгорания газа, кДж/м³; d – относительная плотность газа.

Определение относительной плотности

где r_см– плотность смеси сложного газа при нормальных физических условиях, кг/м³; r_в=1,29, кг/м³ – плотность воздуха при нормальных физических условиях.

Равенство чисел Воббе указывает на взаимозаменяемость газов, т. е. возможность их использования в одном горелочном устройстве без изменений конструкции последнего. Практически считается, что взаимозаменяемость газов без нарушения нормальной работы газогорелочных устройств возможна при колебаниях числа Воббе в пределах ±5% номинального значения и равенстве скоростей распространения пламени. ПГ и СУГ имеют скорость распространения пламени 0,36–0,37 м/сек. Скорости распространения пламени ИГ и БГ значительно отличаются от скорости сгорания ПГ и СУГ из-за присутствия в них значительного количества балластных газов и водорода.

Температура воспламенения – это минимальная температура, при которой газовоздушная смесь воспламеняется. Для большинства горючих газов температурой воспламенения является температура открытого огня самого различного происхождения: пламени спички, зажженной сигареты, ударной или электрической искры. Например, температура воспламенения газовоздушной смеси метана 645, пропана 490, бутана 475 °С. Значения минимальных температур воспламенения газовоздушных смесей приведены в табл. 4.

Максимальная температура продуктов полного сгорания газов адиабатических условиях при температуре газа и воздуха равной 0 °С – t_ж (жаропроизводительность). Это максимальная температура, которую будут иметь продукты сгорания газа (табл. 4). Максимальная температура горения углеводородных газов достигается при осуществлении комплекса условий, обеспечивающих полноту их сгорания. К этим условиям относятся обеспечение стехиометрического состава газовоздушной смеси, поддержание стабильной температуры горения в течение экзотермической реакции окисления горючих компонентов газа кислородом воздуха.

Сложность практического создания указанных условий объясняет значительную разницу между теоретической максимальной температурой и температурой, действительно достигаемой при сжигании топлива. Так, теоретическая температура горения большинства углеводородных газов приблизительно одинакова и равна 2000 °С, а температура, создаваемая, например, в топочном пространстве паровых котлов, составляет 1200–1400 °С.

Пределы воспламеняемости. Диапазон необходимой концентрации газа в смеси с воздухом, при котором возможна реакция окисления (горения), начинающаяся с внесением открытого огня или другого источника высокой температуры, называют пределами воспламеняемости или пределами взрываемости. Минимальное процентное (по объему) содержание горючего газа в смеси с воздухом, при котором с введением источника огня начинается реакция горения горючих компонентов газа, называют нижним пределом воспламеняемости (взрываемости) L_н, а максимальное – верхним пределом воспламеняемости (взрываемости) L_вв % объемных. Значения пределов воспламеняемости отдельных горючих газов приведено в табл. 4. При содержании газа в газовоздушной смеси меньше нижнего предела воспламеняемости горения не будет. Если газа в газовоздушной смеси больше верхнего предела воспламеняемости, эта смесь может гореть, взрыва не будет. Воздуха в этой смеси не достаточно для сгорания газа, присутствующего в смеси, поэтому сгорит столько газа на сколько хватит воздуха.

Пределы воспламеняемости (взрываемости) сложных газов можно определить по формуле Ле Шателье:

где – нижний или верхний предел воспламенения сложного газа в газовоздушной или газокислородной смеси, % об.; – нижние или верхние пределы воспламения отдельных компонентов сложного газа в газовоздушно смеси в % об. по данным табл. 2; –содержание отдельных компонентов в сложном газе, % об.; ;

При наличии в газе небольшого количества балластных примесей пределы воспламеняемости могут быть определены по формуле:

Нижний предел воспламеняемости с балластом:

где – нижний или верхний предел воспламенения смеси, содержащей инертные (балластные) примеси, % об.; – нижний или верхний предел воспламенения горючей части смеси, % об.; – содержание балластных примесей (СО₂ и N₂), в долях единицы.

При содержании в газе балластных примесей для определения пределов воспламеняемости необходимо пересчитать процентное содержание горючей части. Например, в смеси присутствует 90 процентов горючих газов и 10 процентов не горючих, т. е. балласта. Принимаем 90% за 100% и определяем для каждого горючего компонента смеси его новое процентное количество. Определение нового процентного содержания горючих компонентов выполняют следующим расчетом:

Дата добавления: 2018-09-23; просмотров: 444; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!