Концентрационные пределы воспламеняемости и взрываемости метана. Факторы, влияющие на интенсивность воспламеняемости и взрываемости

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

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

Смесь природного газа с воздухом может взорваться при концентрации газа в воздухе 5-15%.

Смесь сжиженного газа в воздухе взрывается при концентрации 1,5-9,5%.

Для взрыва необходимо наличие одновременно 3 условий:

Газовоздушная смесь должна находиться в замкнутом объеме. На открытом воздухе смесь не взрывается, а вспыхивает.

Количество газа в природной смеси должна быть 5-15% для природного газа и 1,5-9,5% для сжиженного. При большей концентрации сместь загорит и при достижении предела она взорвется.

Смесь должна нагреваться в одной точке до температуры вспышки.

5 Доврачебная помощь пострадавшему от отравления угарным газом

Симптомы:

Появляется мышечная слабость

Головокружение

Шум в ушах

Сонливость

Галлюцинации

Потеря сознания

Судороги

Оказания помощи:

Остановить поступление угарного газа

Вынести пострадавшего на свежий воздух

Если пострадавший в сознании, уложить и обеспечит покой и непрерывный доступ свежего воздуха

Если нет сознания, необходимо начать закрытый массаж сердца и искусственного дыхания до приезда скорой помощи или до прихода в сознание.

Билет №10

5 Доврачебная помощь пострадавшему от ожогов

Термические вызванные огнем паром, горячими предметами и в-вами. Если на пострадавшем загорелась одежда, нужно быстро набросить пальто, любую плотную ткань или сбить пламя водой. Нельзя бежать в горящей одежде, так как ветер раздует пламя. При оказании помощи во избежания заражения нельзя касаться руками обоженных участков кожи или смазывать жирами, маслами, вазелином, присыпать питьевой содой. Нужно наложить на обоженный участок кожи стерильную повязку. Если куски одежды прилипли то поверх них следует повязку, нельзя срывать.

Билет №11

5 Содержание наряд допуска на газоопасные работы.

Письменное разрешение, указывается срок его действия, время начала работы, окончания работы, условия их безопасности, состав бригады и лиц отв. за безоп. работ. НД утвержд. гл. инженером. Список лиц имеющих право выд НД утвержд. приказом по предпр. НД выписывается в двух экз. на одного производителя работ с одной бригадой; на одно рабочее место. Один экземпляр передается производителю, др. остается у лица выдававшего наряд. Учет НД ведут по книге регистрации заносят: порядковый номер, краткое содержание, должность; Ф.И.О. отв. руков.; подпись.

Билет №12

5 доврачебная помощь пострадавшему т удушья природным газом

Вынести пострадавшего на свежий воздух

В случае отсутствия сознания и пульса на сонной артерии – приступить к комплексу реанимации

С влучае потери сознания более 4 минут – перевернуть на живот и приложить холод к голове

Во всех случаях вызвать скорую помощь

Билет №13

1 классификация газопроводов по давлению.

I- низкого (0-500мм.вод.ст.);(0,05 кг*с/см 2)

II-среднего (500-30 000мм.вод.ст.);(0,05-3 кг*с/см 2)

Билет №14

3 требование к освещению, вентиляции и отоплению в ГРП.

Необходимость отопления помещения ГРП следует определять в зависимости от климатических условий.

В помещениях ГТП следует предусматривать естественное и (или) искусственное освещение и естественную постоянно действующую вентиляцию, обеспечивающую не менее трехкратного воздухообмена в I час.

Для помещений объемом более 200 м3 воздухообмен производится по расчету, но не менее однократного воздухообмена в 1 час.

Размещение оборудования, газопроводов, арматуры и приборов должно обеспечивать их удобное обслуживание и ремонт.

Ширина основного прохода в помещениях должна составлять не менее 0.8 м.

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.

Под взрывом понимают явление, связанное с выделением большого количества энергии в ограниченном объёме за очень короткий промежуток времени. И если в сосуде воспламенилась горючая газовая смесь, но сосуд выдержал образовавшееся вследствие этого давление, то - это не взрыв, а простое сгорание газов. Если же сосуд разорвался - это взрыв.

Более того - взрыв, даже если в сосуде не было горючей смеси, а он разорвался, например, вследствие превышения давления воздуха или даже без превышения расчетного давления, или например вследствие потери прочности сосуда в результате коррозии его стенок.

Если представить шкалу загазованности какого-либо объёма (помещения, сосуда и т.д.) в объёмных процентах от 0% до 100%, то получится, что при загазованности СН4:

От 0% до 1% - горение невозможно, так как газа, по отношению к воздуху, слишком мало;

От 1% до 5% - горение возможно, но не устойчиво (концентрация газа небольшая);

От 5% до 15% (1 вариант) - горение возможно от источника зажигания, и (2 вариант) – горение возможно без источника зажигания (нагрев газовоздушной смеси до температуры самовоспламенения);

От 15% до 100% - горение возможно, и устойчиво.

Сам процесс горения может происходить двумя способами:

От источника зажигания - в данном случае газовоздушная смесь воспламеняется в «точке вноса» источника зажигания. Далее по цепной реакции, газовоздушная смесь поджигает сама себя, образуя «фронт распространения пламени», с направлением движения от источника зажигания;

Без источника зажигания – в данном случае газовоздушная смесь воспламеняется одновременно (мгновенно) во всех точках загазованного объёма. Отсюда произошли такие понятия как нижний и верхний концентрационные пределы взрываемости газа, так как такое воспламенение (взрыв) возможно только в пределах загазованности от 5% до 15% объёмных.

Условия, при выполнении которых произойдёт взрыв газа:

Концентрация газа (загазованность) в газовоздушной смеси от 5% до 15%;

Закрытый объём;

Внесение открытого огня или предмета с температурой воспламенения газа (нагрев газовоздушной смеси до температуры самовоспламенения);

Нижний концентрационный предел самовоспламенения горючих газов (НКПР) - это минимальное содержание газа в газовоздушной смеси, при котором горение происходит без источника зажигания (самопроизвольно). При условии подогрева газовоздушной смеси до температуры самовоспламенения. У метана это примерно 5%, а у пропано-бутановой смеси это примерно 2% газа от объёма помещения.

Верхний концентрационный предел самовоспламенения горючих газов (ВКПР) - это такое содержание газа в газовоздушной смеси, выше которого смесь становится негорючей без открытого источника зажигания. У метана это примерно 15%, а у пропано-бутановой смеси примерно 9% газа от объёма помещения.

Процентное отношение НКПР и ВКПР указано при нормальных условиях (Т = 0°С и Р = 101325 Па).

Сигнальная норма - это 1/5 от НКПР. У метана это 1%, а у пропано-бутановой смеси это 0,4% газа от объёма помещения. Все газосигнализаторы, газоанализаторы и газоиндикаторы до взрывных концентраций настроены на эту сигнальную норму. При обнаружении сигнальной нормы (согласно ПЛА) объявляется АВАРИЯ-ГАЗ. Производятся соответствующие мероприятия. 20% от НКПР берётся для того, чтобы у работников был некоторый запас времени на устранение аварии, либо на эвакуацию. Также указанная сигнальная норма является «точкой» окончания продувки газопроводов газом или воздухом, после проведения различных эксплуатационных работ.

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…