Расчёт основных характеристик, параметров состояния и процессов газообразных углеводородов

Министерство Российской Федерации

по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий

 

 

 

 

Содержание

 

Введение	3
Основная часть	5
Задание на курсовую работу	5
Расчет физико-химических параметров углеводородов	7
Пожаровзрывоопасные свойства газообразных веществ, составляющих смесь, а также средства тушения пожаров с их участием	17
Список использованной литературы	24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

В сегодняшних условиях сложившейся структуры промышленности и сельского хозяйства топливно-энергетический комплекс остается ключевым звеном всей экономической системы государства. Поэтому обеспечение устойчивого и надежного его функционирования является необходимым условием энергетической безопасности как отдельных регионов, так и государства в целом. Неоспоримую роль для устойчивого и надежного функционирования топливно-энергетического комплекса оказывают хранилища газообразных и жидких углеводородов.

Хранилища газообразных и жидких углеводородов являются необходимым элементом функционирования трёх основных составляющих топливно-энергетического комплекса страны: единой системы газоснабжения, системы снабжения нефтепродуктами и системы энерго- и теплоснабжения. Создание хранилищ газонефтепродуктов проводится на основе новейших достижений науки и техники, с учётом экологической ситуации района размещения хранилищ и соблюдением правил безопасности. В наибольшей степени этим условиям отвечают подземные хранилища, создаваемые в пористых, проницаемых горных породах (для природного газа) и в отложениях каменной соли (для газообразных и жидких углеводородов), которые обеспечивают лучшую защиту окружающей среды от вредного воздействия газонефтепродуктов, имеют высокую пожаровзрывобезопасность и защищённость от воздействия всех видов современного оружия.

Многообразие горючих веществ, с которыми мы сталкиваемся, очень велико. Оно включает в себя простейшие газообразные углеводороды и твердые вещества с большой относительной молекулярной массой и сложной химической структурой. Некоторые из горючих веществ имеют естественное происхождение, например целлюлоза, тогда как другие являются искусственными, например полиэтилен и полиуретан. Все эти вещества, реагируя с кислородом воздуха, образуя продукты горения и высвобождая тепло, горят при определенных условиях. Так, поток или струя газообразного углеводорода может загореться в воздухе с образованием пламени, являющимся видимой частью области, внутри которой протекает процесс окисления. Образование пламени связано с газообразным состоянием вещества, поэтому горение жидких и твердых веществ, сопровождающееся возникновением пламени, предполагает их переход в газообразную фазу. Поскольку для пиролиза требуется значительно больше энергии, чем для простого испарения, температура горящих твердых материалов, как правило, высока и обычно составляет 400°С. Исключением из этого правила являются те твердые вещества, которые при нагреве сублимируют, т. е. непосредственно переходят из твердой фазы в газообразную без химических превращений.

Газообразные углеводороды имеют плотность, значительно превышающую плотность воздуха, отличаются медленной диффузией в атмосфере (особенно при отрицательных температурах воздуха), низкими пределами взрываемости (воспламеняемости) в воздухе, невысокой температурой воспламенения по сравнению с другими горючими газами, возможностью образования конденсата при снижении температуры до точки росы или при повышении давления. В сжиженном состоянии эти газы имеют высокий коэффициент объемного расширения, превышающий коэффициент объемного расширения воды, значительную упругость паров, возрастающую с ростом температуры. Сжиженные газы охлаждаются до отрицательных температур и при определенных условиях обладают вредными для здоровья человека свойствами.

В качестве сред на установках нефтепереработки, нефтехимии в основном используются жидкие и газообразные углеводороды, которые отличаются высокими взрывопожароопасными свойствами, В то же время технологические системы установок нефтепереработки, нефтехимии, химии являются герметичными "закрытыми" системами, т.е. не связанными с окружающей средой. Таким образом, в нормальных рабочих условиях взрыв или пожар подобной технологической системы маловероятен.

Умение прогнозировать поведение веществ в условиях пожара, оценить влияние тех или иных условий, при которых возможно протекание и прекращение горения, возможно на основе химических теорий.

Расчёт некоторых физико-химических свойств и состава углеводородных газов необходим, к примеру, для прогнозирования возможных ситуаций при аварийных режимах (размер зон, ограниченных нижним концентрационным пределом распространения пламени; размеры зон распространения облака горючих газов при аварии и времени достижения облаком мест расположения различных объектов; определение давления в аппаратах при высоких температурах в условиях пожара (нарастание давления, критические температуры) и др.).

Целью данной курсовой работе является расчет основных физико-химических параметров газообразных углеводородов согласно моего варианта.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основная часть

Задание на курсовую работу

 

Для подземного природного хранилища и помещаемых в него углеводородов необходимо провести расчет основных физико-химических параметров:

1. Определить массу газа, находящегося в подземном резервуаре геометрической формы, указанной в варианте при температуре хранения (Тхр) и давлении хранения (рхр) в резервуаре.
2. В подземном резервуаре газ находится под буферным давлением. При температуре хранения производится закачка газа в резервуар до давления хранения. Во сколько раз изменится плотность газа в резервуаре?
3. Определить абсолютную плотность смеси газообразных углеводородов при условиях хранения и н.у., а также относительную плотность газовой смеси при н.у. по воздуху.
4. Определить окислитель и восстановитель в реакциях полного сгорания указанных в задании углеводородов. Определить стехиометрические коэффициенты в уравнениях методом электронного баланса.
5. Определить объём воздуха, необходимый для полного сгорания смеси газов при н.у.
6. Определить тепловые эффекты реакций сгорания углеводородов в смеси, в расчете на 1 моль газовой смеси.
7. Определить изменение энтропии и энергии Гиббса реакций сгорания углеводородов.
8. Резервуар с указанными геометрическими параметрами и условиями хранения углеводородной смеси соединили, открыв задвижку со вторым подземным резервуаром объёмом V2 = 10 тыс. м3, в котором хранится такая же газовая смесь при атмосферном давлении и температуре 288 К. Определите температуру газовой смеси, при которой в обоих резервуарах сохранится давление pхр, МПа, указанное в варианте задания.
9. Самый легкий газ, выделенный из смеси, участвует в изотермическом процессе. При этом получена зависимость между объемом V и давлением р (рис. 1). Представьте этот цикл на диаграмме V, m.

Рис. 1. Зависимость между объемом V и давлением р в изотермическом процессе самого лёгкого газа

10. Опишите пожаровзрывоопасные свойства газообразных веществ, составляющих смесь, а также средства тушения пожаров с их участием.

№ п/п	Состав газовой смеси	Геометрические размеры прямоугольного резервуара	Буферное давление, pбуф, МПа	Давление хранения, pхр, МПа	Тхр, К
75	ω,%(этен) = 60; ω,%(этин) = 40	l = 79 м; h = 10 м; g =14 м.	1,9	14	269

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет физико-химических параметров углеводородов

 

В числе газообразных и жидких углеводородов по объему их хранения лидирующую позицию занимает, конечно, природный газ. Помимо природного газа в большом количестве резервируются в хранилищах: сырая нефть, сжиженные газы, газовые конденсаты и различные нефтепродукты. Существует большой разброс величин физико-химических свойств углеводородов, входящих в состав природных газов.

Нефть, нефтепродукты, газообразные углеводороды можно рассматривать как смесь, состоящую из n компонентов. Их число и свойства определяют физико-химическую характеристику смеси в целом. В практических расчётах состав многокомпонентной смеси выражается в долях или процентах. Различают массовые (ω), молярные (х) и объёмные доли (φ):

, где ωi – массовая доля i-го компонента; mi – масса i-го компонента; – сумма масс n компонентов смеси.

, где хi – молярная доля i-го компонента; νi – количество вещества i-го компонента; – сумма количеств веществ n компонентов смеси.

Пересчёт массового состава в молярный и обратный пересчёт осуществляют по формулам:

, , где Мi – молярная масса i-го компонента. , где Vi –объём i-го компонента; ΣVi – сумма объёмов n компонентов.

В нашем случае газовая смесь состоит из двух компонентов: Этен - ω(С2Н4) = 0,6; этин - ω(С2Н2) = 0,4.

состав, выраженный в единицах молярных и объёмных долей будет следующим:

, .

, .

 и  .

 и  .

Для газовых смесей состав, выраженный объёмными и молярными долями, одинаков.

Для нефти, нефтяных фракций, нефтепродуктов, газовых смесей углеводородов под понятием «молярная масса» подразумевается её среднее значение, которое находится экспериментально или по эмпирическим зависимостям. Таким образом, учитывая, что располагают газовой смесью, исходя из известного состава и молярных масс компонентов, по правилу аддитивности определяют среднюю молярную массу смеси газов:

, , , где mгаз.см., nгаз.см. – масса газовой смеси и количество вещества газовой смеси соответственно; ni – количество вещества i-го компонента газовой смеси; Мi – молярная масса i-го компонента смеси; ωi – массовая доля газа (учесть, что , ).

В нашем случае:

.

В практике технологических расчётов хранения газовых смесей, а также, например, для определения давления газа при взрыве широко используются законы газового состояния. По сравнению с молекулами жидкости молекулы газов удалены друг от друга на большие расстояния, чем их собственные размеры. С этим связаны некоторые особые свойства газов, например способность к сжатию со значительным изменением объёма, заметное повышение давления с ростом температуры и т.д.

Многие реальные газы (углеводородные газы и нефтяные пары) при определенных условиях (невысокие давления и не совсем низкие температуры в малых объёмах, а также высокие давления в больших объёмах) в первом приближении можно рассматривать как идеальные. Поведение газообразных веществ достаточно полно объясняет кинетическая теория газов, основу которой составляют законы газового состояния Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Шарля. Параметры (давление р, объём V, температура T) состояния идеального газа (термодинамические параметры) связывает уравнение Менделеева-Клапейрона. Используя условия задания и вычисленное значение Мср , можно вычислить массу газовой смеси:

, где рхр – давление хранения, V – объём газовой смеси (объём резервуара подземного хранилища), mгаз.см. – общая масса смеси углеводородов, R – универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/(моль·К)), Мср – средняя молярная масса газовой смеси, Tхр – температура хранения углеводородов в подземном хранилище.

Применительно к данным курсовой работы рассчитаем массу газовой смеси, хранящейся при Тхр = 269 К, рхр = 1,4∙107 Па в резервуаре объёмом V = l∙h∙g = 79∙10∙14 = 11060 м3:

, а также массу каждого  компонента рассматриваемой смеси  газов (С2Н4, C2H2)

,

, ;

;

  ,.

Для хранения газообразных углеводородов используют сообщающиеся резервуары. Если в двух сообщающихся резервуарах хранятся газовые смеси при разных условиях 1 и 2.

  и  , то можно определить общую массу газов (m1 + m2) при объединении резервуаров, выражая эту величину из уравнения Менделеева-Клапейрона. Так как при объединении двух сообщающихся подземных резервуаров (открыв задвижку) и сохранении требуемого давления, температура газовой смеси Т изменится, то её можно рассчитать так: , .

Согласно данным имеем резервуар с рассматриваемой газовой смесью при указанных выше условиях и резервуар V = 10000 м3, в котором находится смесь газов такого же состава, но хранящаяся при Тхр = 288 К и атмосферном давлении. Определим температуру газовой смеси, установившуюся при объединении двух резервуаров с конечным р = 1,4∙107 Па.

Рассчитаем массу газовой смеси, хранящейся при Тхр = 288 К, рхр = 101,325∙103 Па в резервуаре объёмом V = 10000 м3:

,

Вставив значения в формулу получим:

.

Закон Бойля-Мариотта гласит, что при постоянной температуре (изотермический процесс) объем данной массы газа (газовой смеси) обратно пропорционален давлению: , или  при постоянной температуре произведение давления газа на его объем есть величина постоянная: p1·V1 = p2·V2 = const. Учитывая, что плотность газа (ρ) есть отношение его массы (m) к занимаемому объему (V): , можно записать, что или .

При постоянной температуре давление газа прямо пропорционально его плотности.

Используя эти соотношения, можем определить изменение плотности, рассматриваемой в нашем варианте газовой смеси, если в подземном резервуаре V = 11060 м3 газ находится под буферным давлением рбуф. = 1,9·106 Па и при температуре хранения Тхр = 269 К, производится закачка газа в резервуар до давления хранения рхр = 1,4∙107 Па. Получаем: .

Таким образом, плотность газовой смеси в указанных условиях изменится в 7,3 раза.

Для нефти, нефтепродукта, газообразных углеводородов плотность, как и масса, является важнейшей физической величиной. Плотность газа может быть выражена абсолютным или относительным значением. Абсолютная плотность газа равна его массе в единице объема, в системе СИ она выражается в килограммах на кубический метр (кг/м3).

Так как плотность является аддитивным свойством, то при смешении различных (газообразных, жидких, твёрдых) нефтепродуктов эта величина может быть легко определена. В зависимости от способа выражения состава смеси уравнение выглядит следующим образом:

, где mi – масса компонента i смеси, ρi – плотность i-ого компонента смеси, ωi – массовая доля компонента i в смеси.