Размещено на http://allbest.ru

Введение

Увеличивающаяся с каждым годом добыча нефти и газа, ежегодный объем которой в настоящее время в стране составляет сотни млрд. м3, повышает вероятность аварийных ситуаций, которые могут сопровождаться крупными пожарами, большими материальными потерями, ухудшением экологической обстановки в зоне пожара и прилегающих районах, а нередко и человеческими жертвами. Это обусловливается отказом механизмов, нарушением технологии добычи, природными катастрофами и приводит к серьезным авариям.

Пожары на открыто фонтанирующих газонефтяных скважинах являются одними из наиболее сложных видов промышленных аварий. Борьба с пожарами на нефтяных и газовых месторождениях, часто находящихся в труднодоступных районах, требует привлечения огромных материально-технических ресурсов и может длиться неделями, а иногда и месяцами. Вред, нанесенный окружающей среде в зоне пожара и прилегающих районах, точно оценить практически невозможно. Некоторое представление о пожаре на фонтанирующей скважине можно получить по следующим данным: дебит мощных газовых фонтанов может достигать 10 - 20 млн. кубометров в сутки, высота горящего факела - 80 - 100 м, а интенсивность тепловыделения в факеле - несколько млн. кВт.

Целью курсовой работы является углубление, систематизация и закрепление теоретических знаний, полученных при изучении дисциплины «Физико-химические основы развития и тушения пожаров», а также выработка навыков использования их при проведении расчетов параметров пожаров и расхода огнетушащих веществ.

В результате выполнения курсовой работы курсант, студент или слушатель должен знать и уметь определять расчетными методами:

? режим истечения газового фонтана;

? действительную температуру пламени;

? интенсивность облученности от факела пламени в зависимости от расстояния до устья скважины;

? расход воды на тушение пожара газового фонтана.

1. Режимы горения газов

Горение газов может происходить в различных режимах: кинетическом и диффузионном, ламинарном и турбулентном. Кинетическое горение возможно только в предварительно перемешанных смесях горючего и окислителя. Во всех остальных случаях горение будет протекать в диффузионном режиме. При возрастании высоты пламени (обычно выше 30 см) ламинарное пламя практически всегда приобретает турбулентный характер.

горение газ тушение

2. Общие закономерности кинетического режима горения

Если с помощью оптического прибора рассмотреть кинетическое пламя в неподвижной горючей смеси, то можно увидеть следующую картину (рис. 1). Справа находятся нагретые до высокой температуры продукты горения (Тпг), слева ? холодная с температурой (Т0) исходная горючая смесь, а между ними ? ярко светящаяся полоска ? фронт пламени с толщиной (). Горючий компонент во фронте пламени сгорает, и в продуктах горения его концентрация практически равна нулю. Естественно, температура продуктов горения, равная температуре зоны горения (Тг), больше температуры исходной смеси (Т0) Тпг = Тг >> Т0. Поскольку теплота по механизму теплопроводности передается от горячего тела к холодному, в сторону исходной смеси будет идти тепловой поток (q), нагревая прилегающий к ней слой, так называемую зону подогрева.



Рис. 1. Схема фронта (а) и изменение температуры и концентрации горючего (б) в кинетическом пламени: ПОД - зона подогрева; ГОР - зона горения; ФП - фронт пламени; uн - нормальная скорость распространения пламени

Смесь в этом слое воспламенится при достижении температуры самовоспламенения (Тс). Зона горения переместится в сторону исходной смеси, двигаясь от слоя к слою.

Фронт пламени будет непрерывно перемещаться до самой границы горючей смеси. Такое распространение пламени называют нормальным или дефлаграционным горением.

Нормальное или дефлаграционное горение ? это распространение пламени по однородной горючей среде, при котором фронт пламени движется вследствие ее послойного разогрева по механизму теплопроводности от продуктов горения.

Толщина фронта пламени (фП), как правило, не превышает десятых долей миллиметра. Поэтому его обычно принимают за поверхность, отделяющую исходную смесь от продуктов горения. Как показали исследования, своим свечением фронт пламени обязан многоатомным радикалам: С=С:, :CH, .HCO и др. Есть в пламени и ионы, концентрация которых достигает 1016? 1017 м?3. Возникновение ионов в пламени имеет химическую и термическую природу.

3. Влияние различных факторов на скорость распространения пламени

Нормальная скорость распространения пламени (uн) зависит от теплофизических свойств газовоздушной смеси. Но в еще большей степени скорость распространения зависит от ее физико-химических свойств ? скорости горения V, и температуры в зоне реакции горения, Тг

(1)

т.е. uн пропорциональна скорости реакции окисления (V) и находится в экспоненциальной зависимости от обратной температуры зоны горения (Тг). Определяющим параметром, безусловно, будет скорость реакции. Запишем уравнение скорости химической реакции горения

, (2)

гдеk0 - предэкспоненциальный множитель из уравнения Аррениуса,

Сг, Сок - концентрации горючего и окислителя,

m, n - порядки реакции соответственно по горючему и окислителю,

Еа - энергия активации химической реакции.

Рассмотрим, как будет меняться скорость реакций окисления для смесей с разным соотношением горючего и окислителя (рис. 2).

Из графика видно, что для смеси стехиометрического состава (коэффициент избытка воздуха = 1) скорость реакции окисления максимальна.

При увеличении концентрации горючего в смеси выше стехиометрического количества, когда становится < 1 (кислород находится в недостатке), горючее сгорает не полностью. В этом случае меньше выделится теплоты реакции горения Qгор и произойдет снижение Tг. Скорость реакции окисления по сравнению со стехиометрическим составом смеси уменьшится, причем как из-за снижения концентрации окислителя О2, так и температуры зоны горения. То есть при последовательном снижении (что эквивалентно увеличению концентрации Сг в смеси) скорость реакции окисления и температуры зоны горения Tг будут последовательно снижаться. На графике при Cг > Сгстех кривая становится резко нисходящей. Снижение же скорости реакции окисления при > 1 объясняется уменьшением тепловыделения в зоне горения в связи с более низкой концентрацией в ней горючего.

Рис. 2. Зависимость скорости горения от концентрации горючего в смеси

Именно такая, как на рис. 2, зависимость скорости реакции горения от концентрации горючего компонента в исходной смеси предопределяет параболический вид зависимостей других параметров процесса горения от состава смеси: температуры самовоспламенения и минимальной энергии зажигания, концентрационных пределов распространения пламени. Вид параболы имеет также и зависимость нормальной скорости распространения пламени uн от концентрации горючего в смеси СГ. На рис. 3 приведены такие зависимости для случая горения воздушно-пропановой смеси при различных значениях начальной температуры.

Рис. 3. Зависимость скорости распространения пламени от концентрации пропана в воздухе при начальной температуре 311 K (1); 644 K (2); 811 K (3)

Согласно описанным выше представлениям, максимальная скорость распространения пламени (uнмах) должна соответствовать стехиометрической концентрации горючего. Однако экспериментально найденные ее значения несколько сдвинуты в сторону богатых по содержанию горючих смесей. С увеличением начальной температуры смеси скорость распространения пламени должна повышаться, что и наблюдается на практике. Например, для воздушной смеси паров бензина и керосина она имеет вид, приведенный на рис. 4. При введении в горючую смесь избыточного воздуха или азота температура горения также заметно снижается.



Рис. 4. Зависимость скорости распространения пламени от начальной

температуры воздушной смеси паров бензина и керосина с воздухом ( = 0.95).

Для различных веществ uн зависит от их химической природы и колеблется в довольно широких пределах (табл. 1). Для большинства смесей углеводородных топлив с воздухом uн < 1 м/с.

Таблица 1.Нормальная скорость распространения пламени для некоторых горючих смесей

Состав горючей смеси	Молекулярный состав	uн , м/с
Водород + воздух	Н2 + 0,5(О2 + 3,76N2)	1.60
Ацетилен + воздух	СНСН+2,5(О2+ 3,76N2)	1.50
Ацетилен + кислород	СНСН + 2,5О2	8.00
Этилен + воздух	СН2=СН2+3(О2 + 3,76N2)	0.60
Бутан + воздух	С4Н10 + 6,5(О2 + 3,76N2)	0.40
Метан + воздух	СН4 + 3(О2 + 3,76N2)	0.34

Введение в горючую смесь инертных и нейтральных газов: азота N2, аргона Аr, диоксида углерода СО2 разбавляет ее и тем самым снижает как скорость реакции окисления, так и скорость распространения пламени. Это хорошо видно из зависимостей, приведенных на рис. 5.

При этом при определенной (флегматизирующей) концентрации разбавителей горение вообще прекращается. Наиболее сильное влияние оказывает введение хладонов, так как они обладают еще и ингибирующим действием на реакцию горения. Как видно из рис. 5, введение в горючую смесь хладона (114В2) в 4-10 раз эффективнее, чем нейтральных газов - разбавителей.

Флегматизирующая способность газов - разбавителей зависит от их теплофизических свойств, и в частности, от их теплопроводности и теплоемкости.

Рис. 5. Влияние концентрации разбавителей и хладона 114В2 на скорость распространения пламени в пропано-воздушной смеси ( = 1.15)

4. Диффузионное горение газов

В реальных условиях в тех случаях, когда газ или пары воспламеняются после начала их аварийного истечения, наблюдается диффузионное горение. Типичным и довольно распространенным примером является диффузионное горение газа при разрушении магистральных трубопроводов, на аварийной фонтанирующей морской или сухопутной скважине газового или газоконденсатного месторождения, на газоперерабатывающих заводах.

Рассмотрим особенности такого горения. Предположим, что горит фонтан природного газа, основным компонентом которого является метан. Горение происходит в диффузионном режиме и имеет ламинарный характер. Концентрационные пределы распространения пламени (КПРП) для метана составляют 5 - 15 % об. Изобразим структуру пламени и построим графические зависимости изменения концентрации метана и скорости реакции горения от расстояния до осевой линии фонтана (рис. 6).

Рис. 6. Схема диффузионного ламинарного пламени газового фонтана (а), изменение концентрации горючего (б), скорости реакции горения (в) по фронту пламени.

Концентрация газа снижается от 100 % на осевой фонтана до значения верхнего концентрационного предела воспламенения и далее до НКПР на его периферии. Горение газа будет происходить только в интервале концентраций от ВКПР до НКПР, т.е. в пределах концентрационной области его воспламенения. Скорость реакции горения (Т) будет равна нулю при концентрациях, выше ВКПР и ниже НКПР, и максимальной при . Таким образом, расстояние между ХНКПР и ХВКПР определяет ширину фронта диффузионного пламени

фп = ХНКПР ? ХВКПР. (3)

Ширина фронта для таких пламен пламени имеет значения от 0.1 до 10 мм. Скорость реакции горения в этом случае определяется скоростью диффузии кислорода и по своей величине она примерно в 5104 раз меньше скорости горения в кинетическом режиме. Во столько же раз ниже теплонапряженность, т.е. скорость выделения теплоты в диффузионно горящем факеле.

5. Особенности горения газовых струй. Условия стабилизации пламени

Условия горения газовых фонтанов удобнее рассмотреть на примере газовых струй. В реальных условиях такие струи являются турбулентными. При воспламенении струи газа, вытекающей из скважины, образуется так называемый диффузионный факел, имеющий осесимметричную веретенообразную форму (рис. 6). Химические реакции горения идут в тонком поверхностном слое факела, который в первом приближении можно считать поверхностью, где концентрации топлива и окислителя обращаются в ноль, а диффузионные потоки топлива и окислителя к этой поверхности находятся в стехиометрическом соотношении. Диффузионный фронт горения имеет нулевую скорость распространения, поэтому самостоятельно удержаться на текущей вверх струе не может.

Стабилизация пламени на струе происходит в самой нижней части факела, где реализуется другой механизм горения. При истечении газа из отверстия на начальном не горящем участке поверхности струи образуется турбулентный слой смешения газа и окружающего воздуха.

В этом слое концентрация газа в радиальном направлении плавно падает, а концентрация окислителя нарастает. В средней части слоя смешения возникает гомогенная смесь топлива и окислителя с составом, близким к стехиометрическому. При воспламенении такой подготовленной к горению смеси фронт пламени может распространяться в слое смешения с конечной скоростью даже навстречу потоку, если скорость горения превышает по величине локальную скорость потока. Но так как по мере приближения к выходному отверстию скорость струи нарастает, то на некоторой высоте скорость струи (uf) становится равной скорости горения (t), и пламя стабилизируется на поверхности струи на этой высоте.

Точно рассчитать скорость турбулентного горения (t) не представляется возможным. Однако оценки показывают, что значение (t) приблизительно равно пульсационным скоростям струи, величина которых пропорциональна осевой скорости (um). Из экспериментальных данных следует, что максимальные значения среднеквадратичных пульсаций продольной компоненты скорости составляют 0.2um. Принимая эту величину за скорость турбулентного горения, можно считать, что максимальная скорость распространения пламени навстречу фонтанирующей со скоростью 300-450 м/с струе газа будет порядка 50 м/с.

6. Оценка дебита горящих газовых фонтанов

При тушении пожаров мощных газовых фонтанов возникает необходимость в оценке дебита (D) горящего фонтана, так как расход газа является одним из основных параметров, определяющих объемы работ и материально-технических средств, необходимых для ликвидации аварии.

Однако непосредственное измерение расхода горящего фонтана в большинстве случаев оказывается невозможным, а эффективных дистанционных способов определения расхода струи не существует. Расход мощных газовых фонтанов может быть достаточно точно определен по высоте факела (Н). Известно, что высота турбулентного факела, образующегося при горении нормально расширенных газовых струй с дозвуковой скоростью истечения, не зависит от скорости или расхода струи, а определяется лишь диаметром отверстия (d), из которого струя вытекает, теплофизическими свойствами газа и его температурой (Т) на выходе из отверстия. Известна эмпирическая формула расчета дебита фонтана по высоте факела при горении природного газа

D = 0.0025Hф 2, млн. м3/сутки. (4)

На реальных пожарах ламинарный режим горения практически не встречается. Газ, как в пласте газового месторождения, так и в транспортных трубопроводах и в технологических установках, находится под давлением. Поэтому расходы газа при аварийном истечении будут очень большими ? до 100 м3/с на пожарах фонтанирующих газовых скважин (до 10 млн. м3/сутки). Естественно, что в этих условиях режимы истечения, а значит, и режимы горения будут турбулентными.

Для расчета сил и средств на тушение горящих газовых факелов необходимо знать расход газа. Исходные данные для расчета практически всегда отсутствуют, поскольку неизвестны либо давление газа в технологическом оборудовании, либо в пласте месторождения. Поэтому на практике пользуются экспериментальной зависимостью (4) высоты пламени факела от расхода газа, расчетные данные при использовании которой приведены в табл. 2.

Таблица 2.Зависимость высоты пламени от расхода газа газового фонтана при различных режимах горения

Режим горения	Расход газа, м3/с	Высота пламени, м
турбулентный	5	16
	10	22
	20	28
	30	35
ламинарный	1.8.10?6	2510?2

7. Методы тушения пожаров газовых фонтанов

До настоящего времени тушение пожаров газонефтяных фонтанов осуществляется одним из следующих способов: мощными водяными струями; струями огнетушащих порошков, подаваемых в факел сжатым газом; газоводяными струями, создаваемыми авиационными турбореактивными двигателями; взрывом мощного сосредоточенного заряда взрывчатого вещества, подвешиваемого вблизи основания факела. Эти способы пригодны для тушения пожаров фонтанов с расходом газа до 3?5 млн. м3 в сутки, однако при тушении более мощных горящих фонтанов становятся малоэффективными. Применение этих методов требует привлечения большого количества людей и специальной техники, проведения сложных и дорогостоящих подготовительных работ, наличия больших запасов воды. Поэтому сроки ликвидации аварии на скважине нередко затягиваются на многие недели и месяцы, что приводит к истощению ресурсов месторождения и к угрозе гибели скважины.

Принципиально новый вихрепорошковый способ тушения пожаров газовых фонтанов практически любой возможной мощности разработан в Институте гидродинамики Сибирского отделения Российской академии наук совместно с работниками пожарной службы. Тушение факела по этому способу осуществляется путем воздействия на факел воздушным вихревым кольцом, заполненным распыленным огнетушащим порошком. Вихревое кольцо образуется при взрыве небольшого кольцевого заряда взрывчатого вещества, обложенного слоем огнетушащего порошка. Этот способ характеризуется высокой эффективностью, незначительным объемом подготовительных работ и малыми расходами огнетушащих материалов. Простота реализации данного способа позволяет осуществить тушение горящего газового фонтана в сжатые сроки при минимальных затратах людских и материальных ресурсов.

8. расчет расхода воды, требуемого для прекращения горения газового фонтана

Процесс прекращения горения газовых фонтанов водой включает несколько видов воздействия этого огнетушащего вещества. Главным из них можно считать охлаждение зоны горения. Кроме того, при использовании воды происходит разбавление зоны горения ее парами, экранирование газа от факела пламени и механическое воздействие струи воды с целью его отрыва.

Согласно тепловой теории потухания прекращение горения наступает в результате понижения температуры пламени до некоторой критической величины, называемой температурой потухания Тпот. Это достигается путем увеличения интенсивности теплоотвода из зоны горения и (или) уменьшением интенсивности тепловыделения за счет снижения скорости реакции горения.

В результате введения воды в зону горения часть тепла химической реакции начинает затрачиваться на нагрев, испарение воды и нагрев образующегося пара. Учитывая высокие теплоемкости воды и водяного пара, а также теплоту парообразования, все это приводит к снижению температуры зоны горения. В то же время появление водяного пара уменьшает концентрацию молекул горючего и окислителя в зоне горения, т.е. приводит к ее разбавлению и снижению скорости реакции горения, а значит и тепловыделения.

В результате снижается нормальная скорость распространения пламени в газовой струе. Это приводит к нарушению устойчивости факела, что в ряде случаев сопровождается срывом пламени.

Теплоотвод от факела пламени горящего фонтана газа в основном происходит за счет лучистой составляющей. В связи с этим температура пламени определяться из разности интенсивностей выделения тепла в зоне горения qп и его отвода излучением qлуч

q = qп + qлуч,(5)

Величину qлуч можно выразить через qп, обозначив ее долю в тепловом балансе факела пламени как луч

q = qп - лучqп, (6)

или

q = (1 - луч)qп.(7)

Интенсивность теплоотвода из зоны горения, обеспечивающего охлаждение зоны горения до температуры потухания Тпот., также выразим в виде доли от qп, обозначив ее т.

Согласно тепловой теории, адиабатическая температура потухания кинетического пламени может быть легко найдена, если известна адиабатическая температура пламени. Для углеводородных горючих Тпот, как правило, составляет около 1000 оС.

Однако горение реальных газовых фонтанов является диффузионным, т.е. характеристики процесса определяются главным образом скоростью взаимной диффузии горючего и окислителя, а не скоростью химических реакций между ними. Значения энергии активации реакции горения в таких условиях фактически не играют роли. В таком случае за температуру потухания можно принять температуру горения смеси, в которой содержание горючего равно нижнему концентрационному пределу воспламенения .

Допустим, что максимальная температура факела пламени равна температуре горения смеси стехиометрического состава . Тогда количество тепла, которое необходимо отвести от пламени, будет пропорционально разности Т = - . Отношение Т/ фактически составит величину т.

Таким образом, требуемая для потухания пламени интенсивность теплоотвода с учетом выражения (7) будет равна

= (1-л)тqп.(8)

Интенсивность тепловыделения рассчитывается по формуле

qп = Vг,(9)

где: Vг - секундный расход горючего газа, м3/с;

- низшая теплота сгорания газа, кДж/м3;

- коэффициент полноты сгорания.

Коэффициент л зависит от состава горючего газа. В общем случае для многокомпонентного газа его значение можно оценить из выражения

л = 0,048 , (10)

где Mi и i - молярная масса и объемная доля i-го компонента горючего газа в смеси.

Действительную температуру горения находят по формуле

= Т0 + ,(11)

где , , - число молей диоксида углерода, воды и азота, образовавшихся при сгорании исходной смеси в 1 м3;

,,- удельная изобарная теплоемкость диоксида углерода, водяного пара и азота, Дж/(моль . град).

При концентрации горючего, равной НКПР, температура горения будет равна

= Т0 + ,(12)

где нв = ( - 1)/0,02445 - избыток воздуха, моль/м3;

- теоретический объем воздуха, необходимый для горения, м3;

- коэффициент избытка воздуха;

0,02445 - объем, занимаемый 1 моль воздуха при 298 K;

- удельная теплоемкость воздуха, Дж/(моль . град).

Коэффициент избытка воздуха на нижнем концентрационном пределе воспламенения составит

= , (13)

С использованием формул (11-13) находится коэффициент т как отношение (-)/. Коэффициент полноты сгорания для газов можно принять равным 0,9. Низшую теплоту сгорания находят по таблицам или рассчитывают по известным формулам.

Количество тепла, которое способна отнять вода из зоны горения при полном ее испарении и нагреве водяного пара до температуры потухания пламени, рассчитывается по формуле

, (14)

где Qн.в - количество тепла, затрачиваемое на нагрев воды до температуры кипения, кДж;

Qисп - количество тепла, затрачиваемое на испарение воды, кДж;

Qн.п - количество тепла, затрачиваемое на нагрев пара от 100 оС до температуры потухания пламени, кДж.

После подстановки в (14) массы воды и водяного пара (mв, mп) средних удельных теплоемкостей воды и водяного пара (СРв, СРп), удельной теплоты парообразования воды Lв, получим

, (15)

Если в качестве исходных данных в выражение(15) подставить mв=mп=1 кг, Ткип = 373 K, Т0 = 293 K, Lв = 2256 кДж/кг, =4,18 кДж/(кг град), =2,2 кДж/(кг град) в диапазоне температур 373-1373 K, получим

Q=4570 кДж/кг.

В зависимости от температуры пламенного горения, удельная величина теплоотъема может составить от 4400 до 5000 кДж на кг поданной в зону горения воды, при условии ее полного испарения и нагрева водяного пара до Тпот.

При расходе воды qв (л/с) интенсивность отвода тепла (в кДж/с) от факела пламени при указанных условиях будет равна

qотв = qв. (16)

Согласно тепловой теории, горение прекратиться, если фактическая интенсивность теплоотвода будет больше требуемой для прекращения этого процесса величины

, (17)

С учетом выражений (8, 9, 16, 17), необходимый для прекращения горения расход воды рассчитывается по формуле

qвт . (18)

В действительности расход воды, обеспечивающий тушение газовых факелов, может быть как выше, так и ниже значения qв, найденного таким способом. Это зависит от скорости истечения газовой струи. Чем ниже скорость истечения, тем меньше турбулентность потока газа и, соответственно, меньше степень дробления воды. В результате этого крупные капли выпадают из зоны горения, не все капли успевают испариться и не весь образовавшийся пар успевает нагреться до Тпот, т.е. фактическое значение будет меньше расчетного. Соответственно фактический расход воды может быть больше расчетного.

Тогда с учетом коэффициента использования воды Ки, практический расход ее на тушение будет определяться следующим образом

qвпр = (19)

С увеличением скорости истечения газа степень дробления воды возрастает. Соответственно увеличивается и ее полезное использование. Кроме того, с увеличением скорости истечения газа все больше возрастает вклад аэродинамического фактора, способствующего нарушению устойчивости факела. Поэтому при большом дебите газового фонтана фактический расход воды, приводящий к прекращению горения, может быть меньше теоретического.

9. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

Расчет основных параметров горения и тушения газового фонтана

Расчет приведен для следующих исходных данных:

- состав газового фонтана СН4 - 90 об. %, С2Н6 - 8 об. %, CS2 - 2 об. %;

- dу = 240 мм;

- Нф = 35 м;

- =0,10.

Дебит газового фонтана (, млн. м3/сутки) может быть рассчитан из высоты факела пламени по формуле (4)

= 0,0025Ч = 0,0025Ч 352 =3,06 млн. м3/сутки (20)

Секундный расход газа составит Vг = 3,06 / (246060) = 35,4 м3/с.

Режим истечения газовой струи может быть определен из сравнения эффективной скорости истечения (Vэ) со скоростью звука (V0)

,(21)

где Vг ? секундный расход газа, м3/с,

у ? диаметр устья скважины, м.

Скорость звука в метане (V0) составляет 430 м/с. Расcчитанная скорость истечения газовой струи превышает скорость звука. Режим истечения газа - турбулентный.

Для расчета адиабатической (Та) и действительной () температуры процесса горения необходимо определить теплоту сгорания, т.е. количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 м3 фонтанирующего газа с учетом его химического состава.

Теоретическая (адиабатическая) температура процесса горения рассчитывается с учетом полного адиабатического сгорания газообразного вещества (теплопотерями в окружающую среду пренебрегают).

Остановимся на методике расчета Та, основываясь на анализе энергетического баланса химической реакции.

Для его упрощения можно воспользоваться значением стандартной энтальпии сгорания при 298.15 K (-), а вместо истинных теплоемкостей веществ их средними значениями, взятыми в температурном интервале 289-2000 K.

, (22)

где , ? теплоемкости исходных веществ и продуктов горения, в том числе свободного кислорода;

? стехиометрические коэффициенты исходных веществ и продуктов горения соответственно;

Та ? адиабатическая температура процесса горения.

Количество тепла, выделяющееся при полном сгорании одного моля, единицы массы или объема вещества, называется теплотой сгорания (Qс, сН). Стандартная энтальпия сгорания кислорода, жидкой воды, газообразного диоксида углерода (СО2) и других высших оксидов в стандартных состояниях равна нулю при любой температуре (), так они не способны окисляться.

Значения теплот сгорания органических соединений можно найти в справочной литературе или рассчитать, используя первое следствие из закона Гесса, которое гласит: тепловой эффект реакции равен сумме энтальпий образования продуктов реакции за вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.

Высшей теплотой сгорания Qсв (?сНв) называют количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы или объема горючего вещества при условии, что вода выделяется в конденсированном состоянии.

Низшей теплотой сгорания Qсн (?сНн) называют количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы или объема горючего вещества при условии, что вода выделяется в виде пара и происходит испарение влаги, содержащейся в горючем веществе.

В пожарно-технических расчетах обычно используют низшую теплоту сгорания, так как в условиях пожарах вода как продукт реакции находится в парообразном состоянии. Используя справочную литературу для нахождения теплот (энтальпий) образования веществ и проводя теплотехнические расчеты, необходимо помнить, что тепловой эффект реакции ?rН0т и теплота сгорания Qс. имеют одинаковые численные значения, но разный знак, т.е. Qс = ?.Рассчитаем теплоту сгорания (? = Qн) метана, этана и сероуглерода опираясь на первое следствие из закона Гесса. Запишем уравнения реакции их окисления

СН4(г)+ 2(О2 + 3,76N2) = СО2(г) + 2Н2О(г) + 2Ч3,76N2 (23)

, кДж/моль ?74,85 0 ?393,51 ?241,81 0

Согласно первому следствию из закона Гесса, теплота сгорания метана будет равна:

Qсн=?{+2?} = ?{(?393,51) + 2(?241,81) ? (?74,85)} = 802,29 кДж/моль.

Значение низшей теплоты сгорания 1 м3 метана рассчитаем по формуле:

Qнс, об = ? QнсЧ1000/24,45 ,(24)

где 24,45 л ? объем одного моля газа при Т = 298 K.

Отсюда низшая теплота сгорания 1 м3 метана будет равна:

Qнс, об(СН4) = 802,29Ч1000 / 24,45 = 32813,5 кДж/м3.

Запишем уравнение реакции горения этана

С2Н6(г)+3,5О2(г) + 3,5Ч3,76N2 = 2СО2(г) + 3Н2О(г)+3,5Ч3,76N2(24)

, кДж/моль ?84,67 ?393,51 ?241,81

Низшая теплота сгорания 1 моля этана составит:

Qсн=?{+2?} = ? {2(?393,51) + 3(?241,81) ? (?84,67)} = 1427,81 кДж/моль.

Рассчитанная по аналогии с метаном теплота сгорания 1 м3 этана будет равна 58397,1 кДж/м3.

Запишем уравнение реакции горения сероуглерода

СS2(г)+3О2(г) + 3Ч3,76N2 = СО2(г) + 2SО2(г)+3Ч3,76N2 (24)

, кДж/моль 115,3 ?393,51 -296,9

Низшая теплота сгорания 1 моля сероуглерода составит:

Qсн=?{+2?} = ? {(?393,51) + 2(?296,9) - 115,3)} = 45096,5 кДж/моль.

Поскольку в 1 м3 исходной газовой смеси содержится 90 об. % (0,90) метана и 8 об. % (0,08) этана и 2 об. (0,02) сероуглерода, то общая теплота сгорания 1 м3 смеси составит

Qсн, об = 32813,5 Ч 0,90 + 58397,1 Ч 0,08 + 45096,5 Ч 0,02 = 35105,85 кДж/м3.

Определим объем (V) и число молей (н) продуктов горения, образовавшихся при сгорании исходной смеси, содержащей 90 об. % СН4, 8 об. % С2Н6 и 2 об. % CS2 используя приведенные выше химические уравнения реакций их горения.

Суммарный объем продуктов горения составит:

Vпг = 1,08 + 2,00 + 0,04 + 8 = 11,12 м3/м3 или 454,8 моль/м3.

После интегрирования уравнения (22), получим выражение для расчета адиабатической температуры горения

(26)

Для расчетов воспользуемся следующими средними значениями теплоемкостей для температурного диапазона 298?2000 K:

=53,14; =42,34; =52,57; =32,76 Дж/моль.K.

Подставив приведенные значения теплоемкостей и числа молей продуктов сгорания в формулу (26), получим

Действительная температура горения всегда ниже адиабатической, так как часть тепла теряется с излучением. При расчете действительной температуры горения учитываются потери тепла в результате химического недожога в зоне горения, когда образуются продукты неполного сгорания (СО, С, и др.) и потери тепла за счет излучения факела пламени

, (27)

где - общие теплопотери при горении газового фонтана, представляющие собой долю от низшей теплоты сгорания ;

- химический недожог (0,10);

- коэффициент теплопотерь излучением.

Коэффициент теплопотерь излучением от пламени газового фонтана может быть определен в соответствии со следующей формулой [1]

. (28)

Молекулярную массу фонтанирующего газа (), состоящего из нескольких компонентов, можно определить по формуле

, (29)

где ? молекулярная масса i-гo горючего компонента газового фонтана;

? доля i-гo горючего компонента.

Молекулярная масса горючего газа, содержащего метан и этан, будет равна

Коэффициент теплопотерь за счет излучения пламени фонтана составит

,

а коэффициент общих теплопотерь будет равен

.

Действительная температура горения газового фонтана будет равна

(30)

.

Интенсивность лучистого потока от факела пламени, приходящаяся на единицу площади поверхности окружающих тел, называют плотностью лучистого потока или облученностью (Е). Ее обычно выражают в кВт/м2.

Величина облученности определяет границы локальных зон теплового воздействия факела пламени, в пределах которого предъявляются определенные требования к экипировке личного состава, выполняющего боевые действия по тушению пожара, и времени пребывания в данных зонах.

Расстояние от устья скважины, в пределах которого облученность не превышает 1,6 кВт/м2, является безопасным для нахождения в течении неопределенно долгого времени.

При граничном уровне облученности 4,2 кВт/м2 допустимо нахождение не более 15 минут бойцов без специального теплозащитного снаряжения при условии защиты открытых кожных покровов (перчатки, защитные щитки).

Специальное теплозащитное снаряжение и защита с использованием распыленных водяных струй позволяют вести работу в течение 5 минут при облученности 14 кВт/м2.

Величину облученности от факела пламени горящего фонтана в зависимости от расстояния до устья скважины можно рассчитать по формулам:

,(31)

где ? низшая теплота сгорания фонтанирующего газа, кДж/м3;

Vг ? секундный расход газа, м3/с;

R ? длина гипотенузы в треугольнике, катетами которого являются половина высоты факела фонтана и расстояние от устья скважины до места облучения (L), м.

Очевидно, что, (32)

Тогда из (31) следует, что

(33)

Для установления величины облученности окружающего пространства факелом пламени в зависимости от расстояния до скважины в формуле (32) необходимо задаваться значениями L, принимая их равными 20, 40, 60, 80, 100, 120, 150 и 200 м. В формулу (32) подставляются также высота факела пламени Нф= 35 м, секундный расход газа VГ = 35,4 м3/с и коэффициент теплопотерь излучением л = 0,21.

В качестве примера проведем расчет облученности (Е) на расстоянии L = 20 м:

кВт/м2.

Рассчитанные значения облученности сведем в табл. 3.

Таблица 3.Величина облученности от факела газового фонтана в зависимости от расстояния до устья скважины

L, м	20	40	60	80	100	120	150
Е, кВт/м2	29,42	10,9	5,32	3,1	2,01	1,41	0,91

Зависимость Е = f(L) в графической форме представлена на рис. 7.

Рис. 7. Зависимость изменения облученности, создаваемой факелом пламени газового фонтана, от расстояния до устья скважины

Построенный график можно использовать для определения границ локальных зон теплового воздействия факела горящего фонтана, на которых уровень облученности составляет 1,6; 4,2 и 14 кВт/м2, путем нахождения расстояния от точки, имеющей соответствующую облученность, до устья скважины. Также границы зон можно определить из формулы (33), подставив в нее известные значения Е, считая неизвестной величиной расстояние L.

Например, при тушении пожара газового фонтана в теплоотражательном костюме под защитой водяных струй, граница зоны теплового воздействия находится на расстоянии

Таким образом, расстояние до соответствующих локальных зон теплового воздействия составляют соответственно 113; 68 и 46 м от устья скважины.

Определение теоретического расхода воды на тушение газового фонтана производится по формуле (18):

qвт =

Коэффициент излучения л был рассчитан ранее по формуле (28).

Коэффициент т в свою очередь рассчитывается из соотношения:

(34)

Для определения этого коэффициента необходимо рассчитать действительную температуру горения стехиометрической смеси горючих газов с воздухом (при =1) и температуру горения при концентрации горючей смеси, равной нижнему концентрационному пределу .

Согласно формуле (11):

,

По формуле (12) находим Тгн:

Предварительно находим избыточный объем воздуха: нв = ( - 1)/0,02445

Для этого рассчитываем теоретический объем воздуха, необходимый для сгорания газовоздушной смеси заданного состава:

,(35)

где - сумма произведений стехиометрических коэффициентов реакций горения каждого компонента горючей смеси () на процентное содержание этого компонента (i) в смеси;

- процентное содержание кислорода в газовой смеси.

Теоретический объем воздуха, необходимый для сгорания газовоздушной смеси составляет:

Коэффициент избытка воздуха определяют из соотношения (13).

Нижний концентрационный предел для многокомпонентной газовой смеси рассчитывается по формуле Ле-Шателье:

,(36)

где i - концентрация i - го горючего газа в смеси;

iн - значение НКПР i - го компонента (табл. 7).



Отсюда

Тогда Vв = 10,1 (2,05 ? 1) = 10,6 м3/м3

или

Среднее значение теплоемкости воздуха в интервале температур 298?2000 K составляет 32,3 Дж/ (моль K). Отсюда:

Определим коэффициент т:

Расход воды, требуемый для прекращения горения газового фонтана, рассчитываем согласно формуле (15): 4570 кДж/кг.

Низшая теплота сгорания газовой смеси выражена в кДж/м3, поэтому количество тепла, которое вода отнимает из зоны горения, также выразим в кДж/м3.

При 298 K один килограмм воды занимает объем, приблизительно равный 1 л или 10?3 м3.

Тогда 4570 кДж/л или 4570000 кДж/м3

Подставив все известные значения в формулу (19), получим:



С учетом коэффициента использования воды, равного 0,1, ее расход согласно формуле (19) составит:

qвпр = =

Выводы

1. В результате проведенных расчетов определены основные параметры горения газового фонтана: мощность фонтана (3,06 млн м3/сут), действительная температура его горения (1482 оС), интенсивность лучистого теплового потока в зависимости от расстояния до устья скважины.

2. Граница локальной зоны теплового воздействия факела пламени газового фонтана, за пределами которой личный состав при выполнении боевых действий может находиться неопределенно долгое время (Е = 1,6 кВт/м2), расположена на расстоянии 113 м от устья скважины.

3. Граница локальной зоны теплового воздействия факела пламени газового фонтана, на которой личный состав может работать без специального теплозащитного снаряжения не более 15 минут при условии защиты кожных покровов (Е = 4,2 кВт/м2), находится на расстоянии 68 м от устья скважины.

4. Граница локальной зоны теплового воздействия факела пламени газового фонтана, на которой личный состав может вести боевую работу в специальном теплозащитном снаряжении под защитой распыленных водяных струй не более 5 минут (Е = 14 кВт/м2) находится на расстоянии 34 м от устья скважины.

5. Требуемый секундный расход воды с учетом коэффициента ее использования, обеспечивающий прекращение горения газового фонтана с дебитом 5,06 млн. м3/сут, составляет 2280 л/с.

Таблица 4 Значения стандартных теплот образования и средних приведенных теплоемкостей (в интервале температур 298?2000 K) ряда веществ

Вещество	Химическая формула	Стандартная мольная теплота образования , кДж/моль	Изобарная теплоемкость, Ср,298, Дж/(моль.K)
Метан	CH4	?74.85	?
Этан	C2H6	?84.67	?
Пропан	C3H8	?103.85	?
Сероводород	H2S	?20.60	?
Сероуглерод	CS2(Г)	115.30	?
Азот	N2	0	32.76
Диоксид углерода	CO2	?393.51	53.14
Кислород	O2	0	34.73
Вода	H2O(г)	?241.81	42.34
Диоксид серы	SO2	?296.90	52.57

Таблица 5Значения нижнего концентрационного предела распространения пламени горючих газов

НКПР, об %	Метан	Этан	Пропан	Сероводород	Сероуглерод
	5,3	2,9	2,3	4,3	1,0

Список литературы

1. Марков В.Ф., Маскаева Л.Н., Миронов М.П., Пазникова С.Н. Физико-химические основы развития и тушения пожаров Екатеринбург: УрО РАН, 2009. 274 с.

2. Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров М.: Стройиздат, 1990. 424 с.

3. Абдурагимов И.М., Андросов А.С., Исаева Л.К., Крылов Е.В. Процессы горения М.: РИО ВИПТШ МВД СССР, 1976. 113с.

4. Рекомендации по тушению пожаров газовых и нефтяных фонтанов- М.: РИО ВИПТШ МВД СССР, 1976. 83с.

5. Краткий справочник физико-химических величин / Под ред. А.А. Равделя и А.М. Пономаревой Л.: Химия, 1983. 332 с.

6. Ахметов Д.Г., Луговцов Б.А. Вихрепорошковый способ тушения пожаров на фонтанирующих газонефтяных скважинах / Тр. школы семинара “Физика нефтяного пласта” 2002. С. 7-14.

7. Иванников В.П., Клюс П.П. Справочник руководителя тушения пожара. - М.: Стройиздат, 1987. - 288 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru

...