Расчет основных параметров горения и тушения газового фонтана

5 6 7 8 9 10 11

Исходные данные:

- состав газового фонтана СН₄ – 74 об.%, С₄Н₁₀ – 7 об.%, С₂2Н₆– 10 об.%, СО – 3 об.%, CO₂ – 6 об.%;

- d_у = 220 мм;

- Н_ф = 45 м;

- = 0,055;

- b = 0,75;

- K_и = 0,55.

1. Дебит газового фонтана (, млн. м³/сутки):

= 0,0025× = 0,0025× 45² =5,0625 млн. м³/сутки

Секундный расход газа составит V _г = 5,0625 ×10⁶/ (24×60×60) = 23,9м³/с.

2. Режим истечения газовой струи:

где V _г−секундный расход газа, м³/с,

_у −диаметр устья скважины, м.

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

3. Расчет адиабатической и действительной температуры процесса горения.

Рассчитаем теплоту сгорания (− = Q_н) метана, этана и бутана, опираясь на первое следствие из закона Гесса. Запишем уравнения реакции их окисления:

СН_4(г)+ 2(О₂ + 3,76N₂) = СО_2(г) + 2Н₂О_(г) + 2×3,76N₂

, кДж/моль −74,85 0 −393,51 −241,81 0

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

Q^с_н=−{ +2 − } =

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

Значение низшей теплоты сгорания 1 м³ метана рассчитаем по формуле:

Q^н_{с, об} = Q^н_с×1000/24,45,

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

Отсюда низшая теплота сгорания 1 м³ метана будет равна:

Q^н_{с, об(СН4)} = 802,29×1000 / 24,45 = 32813,5 кДж/м³.

· для бутана

C₄H₁₀+ 6.5О₂ +6.5×3.76N₂ = 4СО_2(г)+ 5Н₂О_(г)+ 6.5×3.76N₂

, кДж/моль: −126,15 0 -393.51 −241.81

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

Q^с_н=−{4 +5 − } =

= - {4(−393.51)+5(−241.81)−(−126,15)} = 2656,89 кДж/моль.

Значение низшей теплоты сгорания 1 м³ бутана рассчитаем по формуле:

Q^н_{с, об} = Q^н_с×1000/24,45,

где 24,45 л - объем одного моля газа при Т=298 К.

Отсюда низшая теплота сгорания 1 м³ бутана будет равна:

Q^н_{с, об(СН4)} = 2657,1 ×1000 / 24, 45 = 108666,26 кДж/м³.

· для этана:

С₂Н_6(г)+3,5(О₂+3,76N₂)=2CO₂+3H₂O+3.5×3,76N₂

, кДж/моль: −84.67 0 −393.51 -241.81

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

Q^с_н=−{ + − } =

= - {2(−393.51)+3(−241.81)−(−84,67)} = 1427,81 кДж/моль.

Значение низшей теплоты сгорания 1 м³ этана рассчитаем по формуле:

Q^н_{с, об} = Q^н_с×1000/24,45,

где 24,45 л - объем одного моля газа при Т=298 К.

Отсюда низшая теплота сгорания 1 м³ этана будет равна:

Q^н_{с, об(СН}₄₎ = 1427,81 ×1000 / 24, 45 = 58397,1 кДж/м³.

· Для оксида углерода

СО+0,5(О₂+3,76)=СО₂+0,5×3,76N₂

, кДж/моль: 0 -393.51 0

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

Q^с_н=−{ }== - {(−393.51) }=393,51 кДж/моль.

Значение низшей теплоты сгорания 1 м³ оксида углерода рассчитаем по формуле:

Q^н_{с, об} = Q^н_с×1000/24,45,

где 24,45 л - объем одного моля газа при Т=298 К.

Отсюда низшая теплота сгорания 1 м³ оксида углерода будет равна:

Q^н_{с, об(СН4)} = 393,51 ×1000 / 24, 45 = 16094,5 кДж/м³.

Поскольку в 1 м³исходной газовой смеси содержится 74 об. % метана, 7 об. % бутана, 10 об. % этана, то общая теплота сгорания 1 м³ смеси составит

Q^с_н,_об = 32813,5 × 0,74 +58397,1 × 0.1 + 2656,89 × 0,07+16094,5×0,03

=30790,5 кДж.

Определим объем (V) и число молей (ν) продуктов горения, образовавшихся при сгорании исходной смеси, содержащей 74 об.% СН₄, 7 об.% С₄Н₁₀,, 10 об.% С₂Н₆,3 об.% СО, используя приведённые выше химические уравнения реакций их горения. Учтём также, что смесь в соответствии с заданием содержит дополнительно, 6 % СО₂.

Суммарный объем продуктов горения составит:

V_пг = 1,06 + 2,13 + 8,65=11,86 м³/м³или 485,07 моль/м³.

Адиабатическая температуры горения:

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

=53,14; =42,34; =32,76Дж/моль^.K.

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:

Молекулярная масса горючего газа, содержащего метан, бутан, этан, будет равна:

Коэффициент теплопотерь за счёт излучения пламени фонтана составит:

Тогда для общих теплопотерь будет равна:

Действительная температура горения газового фонтана будет равна:

(30)

4. Величина облученности от факела пламени горящего фонтана в зависимости от расстояния до устья скважины:

кВт/м²

кВт/ м²

кВт/м²

Рассчитанные значения облученности сведем в табл. 1

Таблица 1

Величина облученности от факела газового фонтана в зависимости

от расстояния до устья скважины

L,м
Е, кВт/м²	12,9	5,6	2,8	1,7	1,1	0,8	0,5	0,3

Зависимость Е = f (L) в графической форме представлена на рис. 4.

Рис. 4. 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.

Например, при тушении пожара газового фонтана без теплоотражательного костюма под защитой водяных струй граница зоны теплового воздействия находится на расстоянии:

Таким образом, расстояние до соответствующих локальных зон теплового воздействия составляют соответственно 46; 28 и 14 м от устья скважины.

5. Определение теоретического расхода воды на тушение газового фонтана:

g _в^т = .

Коэффициент h _т в свою очередь рассчитывается из соотношения

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