1. Газообразные углеводороды

2. Природный газ

3. Сгорание метана

Содержание1. Газообразные углеводороды стр.2Природный газ стр.4–Плотность стр.7–Теплота сгорания стр.8–Процесс конденсации в тепловом генераторе стр.93.Сгорание метана стр.10–Понятия и определения стр.10–Химическая реакция стр. 11–Схематическое изображение сгорания1 m3 метана стр.12–Треугольник сгорания стр.15–Температура и предел воспламенения стр.15–Схема диапазона воспламеняемости метана стр.16-–Замечания стр.17–Теоретический воздух стр.17–Теоретические пары стр.18–Избыток и недостаток воздуха стр.18

1. Газообразные углеводороды

Молекулы газов обладают высокой мобильностью и распространяются,занимая все имеющееся пространство.

Имея равные объемы, газы реагируют пропорционально на изменениядавления и температуры.

пример: объем = 1 m3 газа; увеличивая температуру в 2 раза, давлениеувеличивается соответственно в 2 раза.

Углеводороды состоят из углерода и водорода (Cи H), которые имеют свойство быстро окислятся (сгорать), выделяяпри этом тепло.

Их происхождение обычно связывается с процессом трансформацииорганических соединений животного и растительного происхождения,собравшихся в осадочных образованиях.

Отложение, где образуется природный углеводород, называетсяпервичная горная порода. В большинстве случаев первичная горнаяпорода глиняного происхождения, реже-известкового.

Природные углеводороды могут классифицироваться как:

- ЖИДКИЕ: нефть-сырец, из которой путем очистки получаютжидкие топлива (газойль, бензин, топливное масло и т.д.),мазуты и сжиженный газ.

Последний распростроаняют в баллонах различного объема, вкоторых газ остается в жидком состоянии за счет внутреннегодавления до момента использования.

-ГАЗООБРАЗНЫЕ: природный газ, состоящий главнымобразом из метана (CH4), который не нуждается впредварительной обработке для дальнейшего использования.Существует также ряд природных углеводородов в твердомсостоянии, которые здесь не рассматриваются.

Природный газ добывается из-под земли, где он образуется,через специальные скважины, затем направляется наспециальные обрабатывающие станции и распространяетсячерез густую сеть трубопроводов.

Состав природного газа

метан

этан

углекислый ангидрид

кислород

азот

2. Природный газ

Природный газ принято называть метаном, т.к. этотуглеводород является его основным составляющимкомпонентом.Процент содержания метана, а также других газов зависит отместорождения, но основные характеристики газа, который добываютвнутри страны либо же импортируют, остаются неизменными во избежаниепроблем в применении.Метан бесцветен, без запаха и нетоксичен.В виду ссвоих “чистых” характеристик, сгорая, выделяет практическитолько пары воды и углекислый ангидрид, поэтому среди первичноготоплива (углеводороды и уголь) он является первоисточником чистойэнергии и наименее вредным газом, имеющимся на данном этапе.Химические особенности природного газа определяются с помощьюхроматографического анализа, который позволяет выявить состав. Вприродном газе, используемом в Италии, метан (CH4) входит в состав впроцентном содержании от 83% до 99%.Другие компоненты –это обычно:• -этан C2H6• пропан C3H8• бутан C4H10• aзот N2• углекислый ангидрид CO2

Насыщенными углеводородами являются такие, в которыхкаждый атом углерода (C) (четырехвалентный элемент) связанс другими 4 атомами углерода (C) и/или водорода (H) .

Первым тут представлен метан

метан(CH4)

Все углеводороды имеют следующую схематическую формулу:

CnH2 n+2

этан(C2H6)

пропан(C3H8)

бутан(C4H10)

пентан (C5H12) и т.д.

Физические особенности природного газа зависят от егосоставляющих и соответствующих пропорций.

Такие особенности могут определяться путем математическихвычислений на основе состава либо путем лабораторныхопытов.

Объем газа может измерятся при различных давлении итемпературе, но всегда выражается стандартной единицейизмерения – стандартный метр кубический.Исключительно для метана используются 2 различные единицыизмерения объема:

- нормальный метр кубический (Нм3)-эт о единица измеренияобъема газа при условиях 0°C и 1.013 мбар.

- стандартный метр кубический (Стм3)- это единицаизмерения объема газа при условиях 15°C и 1.013 мбар

При равном давлении (1.013 мбар –атмосферное давление науровне моря) 2 величины связаны между собой отношениемабсолютных температур, например:

1 Нм3 соответствует (273 + 15) : 273 = 1,0549 Стм3

при условии, что газ будет сухим, т.е. не будет содержать водяныхпаров.

ПлотностьПлотность газа относительно воздуха (символ d)- это отношение массыобъема газа и массы равного объема воздуха, взятых в равныхусловиях.

плотность метана = 0,55

плотность GPL = 1,56

воздух = 1

Теплота сгорания

Теплота сгорания (символ H) представляет количество тепла,выделенного при полном сгорании 1 м3 газа при постоянномдавлении при достижении продуктами сгорания начальнойтемпературы. Различают 2 типа теплоты сгорания:

• высшая (символ Hs)

• нижняя (символ Hi).

Высшая теплота сгорания Hs (Ккал/м3 или МДж/м3) включает теплотуиспарения водяных паров.

Нижняя теплота сгорания Hі (Ккал/м3 или МДж/м3) исключает теплоиспарения водяных паров, которое, выделяясь при сгорании, обычновыходит с парами через дымоход.

Разница между двумя типами теплоты сгорания очень важна: нижняятеплота сгорания представляет максимальное количество тепла,которое можно получить из метра кубическогогаза, сгоревшего втрадиционных системах, в этом случае водяные пары выходит черездымоход, не конденсируясь и т.о. рассеиваясь;и высшая теплотасгорания включает в себя также ту часть тепла, которая может бытьвозвращена полностью или частично с помощью специальных систем(например, конденсационный котел).

Измерение теплоты сгорания происходит с помощью специальногоизмерительного прибора – калориметра, который измеряет тепло,переданное жидкости (воде) от сгорания единицы объема газа.

Нижняя теплота сгорания метана Hі= 8.250 Ккал/м .

Масса объема (кг/м3) - это масса единицы объема в данныхусловиях.

В традиционном отопительном оборудовании разряженныегазы содержат воду в состоянии пара, в этих случаяхприменяется значение нижней теплоты сгорания. В некоторыхновых конденсационных системах отопления используетсятакже скрытое тепло пара, содержащееся в отработанныхгазах. В этом случае разряженные газы не содержат пара ивыходят в атмосферу практически “сухими”.

Процесс конденсации в тепловом генераторе

ПОДАЧАОТОПЛЕНИЯ

Отработанныевлажные игорячие газы

отработанныегазы ,охлажденные до

0-45 °C

ВОЗВРАТОТОПЛЕНИЯ

Выпуск конденсата

Теоретическая температура сгорания-это температура продуктовсгорания, которая вычисляется прежде, чем происходит энергообменс окружающей средой.

Это теоретическое значение, т.к. не принимаются во внимание тепло,выделенное в процессе распада углекислого газа, водяных паров иизлучения тепла пламенем на стенки котла.

ФИЗИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ НЕКОТОРЫХ ГАЗОВ

ТЕПЛОТА СГОРАНИЯСОСТАВ МАССА ОБЪЕМА,

КГ/М3

ВЫСШАЯ, Ккал/м3 НИЖНЯЯ, Ккал/м3

МЕТАН (СН4) 0,6797 9.019 8.120

ЭТАН (С2Н6) 1,2824 15.902 14.546

ПРОПАН(С3Н8) 1,8989 22.853 21.024

БУТАН(С4Н10) 2,5427 30.081 27.763

3. Сгорание метана

Термины и определения

Сгорание-это химический процесс окисления горючего вещества иокислителя, в результате которого выделяется тепло. Горючее веществоможет быть твердым, жидким или газообразным, обычно это уголь,масла, бензин, природный газ и промышленные газы.

Окислителем обычно выступает воздух, или еще точнеекислород (O2) в смеси с азотом (N2) (21% кислорода, 79%aзота).

Традиционные горючие вещества состоят в основном из углерода (С) иводорода (H2). При сгорании этих двух элементов выделяютсяуглекислый ангидрид (CO2), вода (H2O) и естественно тепло.

Чтобы произошел процесс сгорания, необходимо, чтобы горючеевещество и окислитель были смешаны в определенных пропорциях,отклонение от которых сделает процесс сгорания невозможным.

Химическая реакция

Реакция сгорания чистого метана может быть записана в следующемвиде:

CH4 + 2O2 = C02 + 2H2O + ТЕПЛО

Используя воздух в качестве окислителя, мы можем обнаружить в егосоставе, как было сказано выше, азот, а также другие инертные газы,которые не участвуют активно в химической реакции, но тем не менее:

CH4 + 2O2 + 7,52N2 = CO2 + 2H2O + 7,52N2 + ТЕПЛО

Азот, присутствующий в парах в отношении 70-75%, являетсяобязательным, поскольку отвечает за значительную долю тепла,которое рассеивается через дымоход.

Теоретическое сгорание метана:

метан + кислород = углекислый газ + вода

Схема сгорания 1 м3 метана

КОТЕЛ С ОТКРЫТОЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ ( ТИП "B" ) СЕСТЕСТВЕННОЙ ВЫТЯЖКОЙ

NB: ВОЗДУХІ° = первичный воздух 9,52объемы маселll°= вторичный 2,00 объемы кислорода (O2)ІІІ° = третичный 7,52 объемы азота (N2инертный)

ПАРЫ + (II0) + ІІI0) +10,52 объема которых:2,00 объемы воды (H2 О)1,00 объемы углекислого газа(CO2)7,52 объемы азота (N2 инертный)

Схема сгорания 1 м3 метана

КОТЕЛ С ЗАКРЫТОЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ ( ТИП "С" ) СПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ВЫТЯЖКОЙ

ПАРЫ+ (II0) + ВОЗДУХ10,52 объемы к-ых: 9,52 объемы к-ых:2,00 объемы воды (H2 О) 2,00 объемы кислорода(O2)1,00 объемы углекислого газа(CO2) 7,52 объемы азота (N2 инертный)7,52 объемы азота (N2 инертный)

NB:

ГАЗ1,00 объемы (CH4)

Схема сгорания 1 м3 метана

КОТЕЛ С ЗАКРЫТОЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ СПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ СМЕШИВАНИЕМ( ТИП "С" ) СПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ВЫТЯЖКОЙ

ПАРЫ ВОЗДУХ10,52 объемы к-ых: 9,52 объемы к-ых:2,00 объемы воды (H2 О) 2,00 объемы кислорода(O2)1,00 объемы углекислого газа(CO2) 7,52 объемы азота (N2 инертный)7,52 объемы азота (N2 инертный)

ГАЗ 1,00 объемы (CH4)

Треугольник сгорания1. Горючее должно находитсяв таком состоянии, чтобыиметь возможностьвзаимодействовать скислородом.

2. Тепло должно иметьдостаточный уровень длядостижения температурыболее низкой, нежелинужна для воспламенениягорючего.

3. Кислорода должно бытьдостаточно для снабжениявсех воспламеняющихсяэлементов горючего.

Температура и предел возгоранияРаспространяющееся тепло повышает температуруокружающей смеси, возгорание которойпроисходит спонтанно.

Далее следует определение температурысамовозгорания: это минимальная температура,которой должна достичь смесь горючее-окислитель, чтобы возгорание произошлоспонтанно.

В ниже следующих таблицах представлены пределывозгорания и температуры самовозгорания длянекоторых газов:

ПРЕДЕЛЫ ВОЗГОРАНИЯ ЧИСТЫХ ГАЗОВ С ВОЗДУХОМ

СОСТАВ НИЖНИЙ ПРЕДЕЛВОЗГОРАНИЯ %

ВЫСШИЙ ПРЕДЕЛВОЗГОРАНИЯ %

МЕТАН(СН4) 5 15

ЭТАН(С2Н6) 2,9 13

ПРОПАН(С3Н8) 2,1 9,5

БУТАН(С4Н10) 1,8 8,5ИСТОЧНИК: i.M. LORENZ – Данные таблиц являются наиболее безопасными, полученными при t 20 °C.Пределы возгорания, выраженные в %, относятся к количеству газа, к-ый присутствует в смеси своздухом

ТЕМПЕРАТУРА САМОВОЗГОРАНИЯ НЕКОТОРЫХГАЗОВ

СОСТАВ °CМЕТАН(СН4) 5 3 7ЭТАН(С2Н6) 5 1 5

ПРОПАН(С3Н8) 4 9 3БУТАН(С4Н10) 4 6 0

В случае, когда смесь горючее-окислительнаходится в соответствующих пропорциях,необходимо довести ее до температурывозгорания.

Это происходит путем зажигания через внешнийисточник тепла (спичка, комфорка, искра,электрическая дуга и т.д.).

Схема диапазона воспламеняемости метана

Зона, где непроисходитсгорания из-занедостатка газа

Диапазонвоспламеняемости

Зона, где непроисходитсгорания из-заизбытка газа

5% газа в воздухе около 10% газа в воздухе 15% газа в воздухе

Зона полного сгоранияпри избытке воздуха

Зона неполного сгоранияпри избытке газа

Нижнийпредел

Теоретическоесгорание

Высшийпредел

Замечания

• Процесс сгорания связан с рядом химических реакций, вэтих условиях всегда задействован кислород, поэтомуидет речь также и об окислении.

• В горючем веществе воспламеняющиеся компонентыимеют форму сложных химических соединений.

• Новые вещества, которые выделяются в прцессе сгорания,называются оксидами и представляют собой отработанныегазы.

• В процессе сгорания выделяется используемое тепло,которое также называют энергией, полученной врезультате химической реакции.

• Метан горит неярким пламенем.

СГОРАНИЕ ГОРЮЧЕГО НЕ ЗНАЧИТ РАЗРУШЕНИЕ,ЭТО СКОРЕЕ ТРАНСФОРМАЦИЯ СОДЕРЖАЩИХСЯ ВНЕМ ВЕЩЕСТВ.

Теоретический воздухТеретическое количество воздуха, необходимого дляполного сгорания единицы объема(м3) или веса горючеговещества, определяется как “теоретический воздух” ивыражается для газообразных горючих в м3 воздуха/ м3 газа.

Теоретически для сгорания 1 м3 метана необходимы 9,6 м3

воздуха, определяемого как “теоретический воздух”.

Теретические пары

Под теоретическими парами понимают продуктытеоретического сгорания единицы объема(м3) или веса (кг)горючего вещества.В газообразных горючих теоретические пары выражаются вм3паров/м3 газа, в жидких или твердых - м3 или кг паров/кггорючего вещества.Теоретические сухие пары состоят из углекислого газа иазота, в то время как влажные содержат воду в состояниипара. В парах, выделяемых при сгорании, присутствуюттакже инертные газы, содержащиеся в горючем.Также как и для теоретического воздуха, можно определитьтеоретические пары горючего в объеме или весе, зная егосостав в процентном соотношении.

Избыток и недостаток воздуха

До этих пор речь шла о теоретическом сгорании,воображая, что реакция проходит в идеальныхусловиях.На практике же для полного сгорания горючего необходимопределенный избыток воздуха для исправлениянесовершенного смешивания горючего и окислителя.Под избытком воздуха подразумевается процентнаяразница между большим количеством воздуха,использованного на практике и теоретического воздухагорючего вещества.Такое же определение может быть применено длянедостатка воздуха, который указывает меньшееколичество практически использованного воздуха поотношению к теоретическому воздуху.Процентное значение избытка или недостатка воздуха(εεεε)можно получить, зная действительное количество воздуха исилу сгорания горючего:

εεεε = действительный воздух – теоретический воздух х 100теоретический воздух

Для жидких и твердых горючих веществ необходимбольший избыток воздуха, нежели для газообразных, т.к.природа газообразных горючих веществ сама по себеподразумевает более тесное взаимодействие сокислителем.Правильное использование горючего обеспечиваетсяприменением такого количества воздуха, которое будетдостаточным для обеспечения полного сгорания горючего,стараясь все же обеспечить наименьший избыток воздуха.Избыток воздуха влечет уменьшение температурыпламени и т.о. теплообмена путем излучения. Кроме того,увеличиваются потери тепла через дымоход при равных

температурах паров с увеличением избытка воздуха, т.к.увеличивается объем воздуха, сопровождающий процесссгорания.Также и недостаток воздуха влечет потери, что провоцируетнеполное сгорание горючего вещества, что означает, чточасть горючего, не имея кислорода, с которым оно можетвступить в реакцию, не может выделить энергию.Для оптимального сгорания метана надо обеспечить егообъемом воздуха большим 9,6 м3, которые оказалисьдостаточными лишь в теории, и эта разница объемоввоздуха необходимого и теоретического и определяетсякак избыток воздуха.