Яковлев В.В. Экологическая безопасность, оценка риска

Подождите немного. Документ загружается.

331

рых критическая температура значительно ниже обычных температур хра-

нения и перевозки (ниже минус 40

°С). Природный газ, состоящий в основ-

ном из метана, является наиболее подходящим сырьем для получения сжа-

того газа.

Сжатый газ вырабатывается на газонаполнительных станциях, где он

сжимается до требуемого давления и подается в баллоны для транспорти-

ровки или дальнейшего использования.

Потребителями сжатого газа в первую очередь являются автомаши-

ны, тракторы

и другие мелкие механизмы с двигателями внутреннего сго-

рания как стационарные, так и передвижные.

Если для производства сжатого газа используется природный газ,

основной частью которого является метан, то допустимая степень сжатия в

двигателе внутреннего сгорания равна 16, т.к. октановое число метана вы-

ше 125.

Если двигатель сконструирован для работы на бензине, то

при пере-

воде его на сжатый природный газ 1 м

газа эквивалентен 1 л бензина. Ес-

ли же двигатель сконструирован для газа, то 0.75 м

газа эквивалентны 1 л

бензина (по данным для двигателей до 1980 г).

Баллоны для сжатых газов.

В настоящее время применяются следующие типы баллонов:

− из углеродистой стали;

− из специальных сталей;

− армированные.

Баллоны из углеродистой стали обычно употребляют в промышлен-

ности, они предназначаются для хранения таких сжатых газов, как кисло-

род, водород, гелий, воздух. Их характеристика приведена в табл. 15.3.1.

Таблица 15.3.1.

Характеристика баллонов для сжатых газов.

Тип,

марка

Рабочее

давле-

ние,

МПа

Ем-

кость, л

Приве-

денный

объем,

Наруж-

ный

диа-

метр,

мм

Толщи-

на стен-

ки,

мм

Длина

корпу-

са,

мм

Вес,

кг

А-50 15 50 7.5 219 8 1700 83

А-40 15 40 6.0 219 8 1390 70

Сравнительно большой вес баллонов является одним из лимити-

рующих факторов при внедрении сжатых газов в широкую промышлен-

ность.

Баллоны из специальных сталей (предел текучести до 770 МПа)

имеют меньшие веса (табл. 15.3.2).

Таблица 15.3.2.

Характеристика тонкостенных стальных баллонов для сжатых газов.

332

Емкость

баллона,

Внутренний

диаметр,

мм

Минимальная

толщина

стенки,

мм

Длина

баллона с

вентилем,

мм

Вес балло-

на без вен-

тиля,

кг

Удельный

вес баллона

на 1 м

кг

44 204 5.2 1800 50 5.7

50 204 5.2 1980 56 5.6

53 232 5.85 1680 59 5.6

58 232 5.85 1800 67 5.8

65 232 5.85 2000 74 5.7

90 267 7.0 2100 110 6.1

110 305 8.0 1820 136 6.18

150 349.5 9.25 1900 192 6.40

230 374 10.0 2500 281 6.11

Для применения сжатых газов в мощных установках или при транс-

портировке газа на большие расстояния применяют многолитражные бал-

лоны, параметры которых приведены в табл. 15.3.3.

Дальнейшее снижение удельного веса баллона определило необхо-

димость разработки армированных баллонов для сжатых газов, характери-

стики которых приведены в табл. 15.3.4.

Таблица 15.3.3.

Характеристики многолитражных баллонов для сжатых газов

Из углеродистой

стали

Из специальной

стали

Основные показатели

1 2 3 1 2 3

Общая длина баллона, мм 7300 6650 6200 7300 7300 7100

Наружный диаметр, мм 435 435 435 435 435 435

Толщина стенки, мм 17 21 25 13 16 19

Емкость (по воде), л 865 750 670 900 875 829

Рабочее давление, МПа 20 25 30 20 25 30

Давление при испытании, МПа 30 37.5 45 30 37.5 45

Вмещаемость газа, м

173 187.5 201 180 218.7 246

Вес пустого баллона без арматуры, кг 1345 1480 1630 1040 1270 1445

Вес баллона, приходящийся на 1 м

газа 7.77 7.90 8.10 5.78 5.81 5.87

Таблица 15.3.4.

Характеристики армированных баллонов.

Емкость, л

Рабочее давление,

МПа

Приведенный объ-

ем,

Наружный диа-

метр,

мм

Длина баллона,

мм

Толщина стенки,

мм

Диаметр проволо-

ки, мм

Вес баллона, кг

Вес баллона на 1 м

газа, кг

50 20 10.0 203 1820 4.5…5.0 1.3 50 5.00

67 20 13.4 203 2400 4.5…5.0 1.3 65 4.85

74 20 14.8 203 2620 4.5…5.0 1.3 77 5.20

333

67 20 13.4 229 1900 4.5…5.0 1.4 66 4.92

91 20 18.2 229 2660 4.5…5.0 1.4 92 5.05

20 25 50.0 229 5650 6.0…6.25 2.0 250 5.00

Вмещаемость баллона рассчитывается на основании общих зависи-

мостей закона Бойля-Мариотта;

⋅=

где V

- объем газа в баллоне (вмещаемость) и объем баллона, м

;

, Р

– рабочее давление в сосуде и атмосферное давление, Па.

Приведенный объем в табл. 15.3.4 рассчитывается с использованием

той же зависимости.

15.4. Сжиженные нефтяные газы.

Как уже указывалось, жидкими газами называются смеси летучих

углеводородов (С

, С

), которые при обычной температуре находятся в

жидком состоянии под сравнительно невысоким давлением. Сжиженные

смеси этих углеводородов легко могут храниться, транспортироваться и

распределяться между потребителями.

Если жидкие газы получают из естественного нефтяного газа, то в их

состав входят в различных соотношениях пропан и бутан с небольшой

примесью этана. В сжиженных газах,

получаемых на газоперерабатываю-

щих установках нефтеперерабатывающих заводов, содержатся также алке-

ны: этен, пропен и бутены.

Некоторые физико-химические свойства углеводородов, входящих в

состав сжиженных газов, приведены в табл. 15.4.1.

Таблица 15.4.1.

Основные физико-химические свойства алканов [39].

Показатели Метан Этан Про-

пан

Изо-

бутан

н-

Бутан

Химическая формула СН

i-С

n-С

Молярная масса г/моль 16.032 30.046 44.062 58.077 58.077

Газовая постоянная, (Дж/г⋅К)

0.5186 0.2767 0.1887 0.1430 0.1430

Температура плавления при 101 кПа , К 90.6 100.6 85.6 128.1 138.1

Температура кипения при 101 кПа, К 111.8 184.5 230.9 263.0 272.6

Температура кипения при 101кПа, °С

-161.3 -88.6 -42.2 -10.1 -0.5

Критические параметры

температура,

°С

давление, МПа

-82.5

4.58

+33.0

4.86

+96.6

4.34

+134.0

3.82

+152.0

3.57

Плотность газа при 0°С и 101 кПа, кг/м

0.554 1.038 1.523 2.007 2.007

Удельный объем газа при 0°С и давле-

нии 101 кПа, м

/кг

1.4 0.746 0.510 0.385 0.385

334

Показатели Метан Этан Про-

пан

Изо-

бутан

н-

Бутан

Плотность жидкого газа при 0°С и дав-

лении 101 кПа

416 546 528 582 600

Теплота испарения при температуре

кип

и давлении 101 кПа, Дж/кг

569840 490230 427380 351960 393860

Октановое число 125 125 125 99 91

Высшая теплотворная способность на 1

кг при 15

°С и при 101 кПа, кДж

65121 60760 58310 57820 57820

Низшая теплотворная способность на 1

кг при 15

°С и при 101 кПа, кДж

58653 55370 54341 53410 53410

Высшая теплотворная способность на 1

при 15°С и при 101 кПа, кДж

43610 77420 109760 142100 142100

Низшая теплотворная способность на 1

при 15°С и при 101 кПа, кДж

39200 70560 100940 126910 126910

Температура воспламенения в воздухе,

°С

680-

750

530-

605

510-

580

475-

550

475-

550

Теоретическая температура горения, °С

1830 2020 2043 2057 2057

Низший предел воспламенения, % по

объему

5.35 3.2 2.3 1.8 1.9

Высший предел воспламенения, % по

объему

14.9 12.5 9.5 8.4 8.5

Реакции горения сжиженных газов могут быть представлены в сле-

дующем виде:

для алканов

OHnnCOO

nn 22222

)1(

++=⋅

(15.4.1)

для алкенов

OHnnCOO

nn 2222

+=⋅+

(15.4.2)

Таблица 15.4.2.

Данные о сгорании сжиженных нефтяных газов.

Требуется для сжи-

гания 1 м

газа, м

Получается от сжигания 1 м

газа продуктов сгорания, м

Требуется для сжи-

гания 1 кг газа, кг

Углеводо-

род

Воздуха Кисло-

рода

СО

О N

Воздуха Кисло-

рода

Этан 16.666 3.5 2.0 3.0 13.166 16.230 3.733

Этен 14.285 3.0 2.0 2.0 11.285 14.904 3.428

Пропан 23.666 5.0 3.0 4.0 18.666 15.791 3.632

Пропен 21.429 4.5 3.0 3.0 16.929 14.904 3.428

н-Бутан 30.952 6.5 4.0 5.0 24.452 15.591 3.586

Изобутан 30.952 6.5 4.0 5.0 24.452 15.591 3.586

Бутен 28.571 6.0 4.0 4.0 22.571 14.904 3.428

Пример 15.4.1.

335

Определить пределы взрываемости жидкого нефтяного газа следую-

щего состава:

5% этана (нижний предел взрываемости 3.2%, верхний – 12.5%);

45% пропана (нижний предел взрываемости 2.3%, верхний – 9.5%);

50% бутана (нижний предел взрываемости 1.9%, верхний – 8.4%).

Решение.

Нижний предел взрываемости:

нижн

+++

...

100

(15.4.3)

где L

нижн

– низший (высший) предел взрываемости для данной сме-

си, %;

, l

, …, l

– низший (или высший) предел взрываемости для

каждого отдельного газа, %;

, х

, …, х

- процентное содержание по объему каждого от-

дельного газа в смеси, %.

Нижний концентрационный предел взрываемости.

%11.2

9.1

3.2

2.3

100

нижн

Верхний концентрационный предел взрываемости смеси.

%02.9

4.8

5.9

5.12

100

верхн

Объем паров при испарении данного количества (массы) сжиженно-

го газа определяется по следующим формулам.

Для индивидуального углеводорода:

4.22

V ⋅⋅=

(15.4.4)

Для смеси сжиженных газов:

4.22...

⋅⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+++=

(15.4.5)

где G

, …G

– масса испарившихся отдельных газов смеси, кг;

Т – температура смеси, К;

, М

,…М

– молярные массы газов смеси, г/моль.

В формулах (15.4.4), (15.4.5) множитель отношения температуры к

необходим в силу того, что молярный объем идеального газа

= 22.4⋅10

– 3

/моль определен при температуре Т

= 273.15 К и давле-

нии Р

= 101.325 кПа.

336

Пример 15.4.2.

Определить объем газа, образованного после испарения 150 кг сжи-

женного газа следующего весового состава: 2% этана; 86% пропана; 12%

бутана.

Температура среды 20

°С при нормальном атмосферном давлении.

Решение.

Определение массы компонент смеси при температуре 20

°С:

этан 0.02

⋅150 = 3 кг, молярная масса 30 г/моль,

пропан 0.86

⋅150 = 129 кг, молярная масса 44 г/моль,

бутан 0.12

⋅150 = 18 кг, молярная масса 58 г/моль.

Определение объема испарившейся смеси:

3.80

273

293

4.22

129

≈⋅⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

++=V

Упругость паров смеси сжиженных газов определяется как сумма

парциальных давлений:

QxQxQxP

⋅

+⋅+⋅= ...

2211

(15.4.6)

где x

– мольные концентрации каждой составляющей жидкой смеси;

– упругости паров углеводородов в чистом виде при данной темпе-

ратуре.

Пример 15.4.3.

Определить упругость паров сжиженного газа массой 100 г при 20

°С

и при 40

°С. Массовый состав газа: 2% этана, 80% пропана, 18% н-бутана.

Чтобы воспользоваться уравнением парциальных давлений, необхо-

димо пересчитать массовый состав в молекулярный, пользуясь данными

табл. 15.4.3.

Таблица 15.4.3.

Результаты пересчета массового состава сжиженного газа в молеку-

лярный.

Упругость па-

ров, МПа

Газ

Массовый

состав,

%, (

Молярный

вес,

г/моль

Число

молей

(G/M)

Молекулярные

концентрации

20°С 40°С

Этан 2 30 0.067 0.03 3.9 5.9

Пропан 80 44 1.82 0.83 0.85 1.44

Н-Бутан 18 58 0.311 0.14 0.21 0.39

Итого 100%,(100г) - 2.198 1.0 - -

При температуре 20

°С:

8519.021.014.085.083.09.303.0

⋅

⋅=Р

МПа

При температуре 40

°С:

4269.139.014.044.183.09.503.0

⋅

⋅=Р

МПа

337

15.5. Особенности транспортировки сжиженных нефтяных газов.

Жидкие нефтяные газы могут транспортироваться теми же видами

транспорта, как и другие нефтепродукты. Разница лишь в том, что все ем-

кости должны обладать достаточной герметичностью и прочностью, чтобы

выдерживать упругость паров жидкого газа при максимальных температу-

рах воздуха и сосуда.

Кроме баллонов, для перевозки сжиженных газов применяют также

железнодорожные цистерны и

автомобильные цистерны. Широкое распро-

странение получили технологии перекачки сжиженных газов по трубопро-

водам. Железнодорожные цистерны для перевозки сжиженных газов име-

ют вместимость от 38 м

до 42 м

Некоторые параметры подобных цистерн приведены в табл. 15.5.1. и

в приложении 4.

Таблица 15.5.1.

Типовые параметры железнодорожных цистерн для перевозки сжи-

женных газов.

Давление при испытании,

МПа

Рабочее давление,

МПа

Перевозимые продукты

1.0 0.8 Бутан

2.0 1.5 Пропан-бутановая смесь

2.5 2.0 Пропан

3.5 2.5 Пропен

4.0 3.0 Смесь этана и пропана

Все вагоны-цистерны имеют пробковую изоляцию толщиной около

100 мм. Они не имеют колпаков для расширения газа. Кроме того, все сис-

темы слива и налива сжиженного газа имеют предохранительные клапаны

и приборы для контроля количества продукта и его температуры. Предо-

хранительные клапаны на крышке люка рассчитаны на выброс газа в слу

чае, когда давление в цистерне превышает рабочее на 10% . Каждая цис-

терна проходит испытание перед вводом в эксплуатацию и в дальнейшем

ежегодно переаттестовывается (проходит переопрессовку).

Автомобильные цистерны для перевозки сжиженных газов в отличие

от бензовозов имеют более прочную конструкцию, способную выдержать

давление газа при летних температурах. Эти цистерны покрываются теп-

338

лоизоляционным слоем и снабжаются предохранительными клапанами,

нагрузка которых соответствует допускаемому максимальному давлению.

Наружная ширина автоцистерны не превышает 2.45 м, длина цистер-

ны не более 10 м, а для автомобиля с прицепом – 18 м. Высота цистерны

не должна быть более 4 м над поверхностью дороги.

Внутри цистерны установлены перегородки (две поперечные и одна

продольная) для предупреждения

резких колебаний уровня жидкости при

движении автомобиля.

Автомобильная цистерна и все ее оборудование заключены в алю-

миниевый кожух. Воздушная прослойка между этим кожухом и оболочкой

цистерны служит дополнительной термоизоляцией.

Экономически автомобильные перевозки сжиженных газов рацио-

нальнее прочих видов транспорта при расстоянии, не превышающем 800

км.

Для транспортировки газов морским транспортом сконструированы

специ-

альные суда СПГ (для сжиженных природных газов). Например, финская

судостроительная компания «Квэрнер Маса-Ярдс» в конце прошлого сто-

летия выполнила заказ на строительство танкеров-газовозов вместимо-

стью 135 000 м

. Новая концепция четырехтанкового судна оказалась

весьма удачной при перевозках сжиженного газа от «Абу Даби Газ» до

«Токио Электрик» в Японии. Транспортировка газа осуществляется в че-

тырех сферических грузовых танках при температуре минус 163

°С.

С развитием добычи газа на шельфе Севера России, использование подоб-

ных танкеров будет перспективной для транспортировки отечественного

газа в Европу.

Общий вид танкера-газовоза на 135000 м

и устройство грузового

сферического танка (диаметром примерно 40 м) показано на рис. 15.5.1 и

на рис. 15.5.2.

339

Рис. 15.5.1. Общий вид танкера с объемом четырех сферических гру-

зовых танков по 135000 м

Рис. 15.5.2. Конструкция грузового танка, предназначенного для пе-

ревозки сжиженных газов.

Транспортировка газов по трубопроводным системам и хранение га-

зов изложены в разделе 10 настоящего пособия.

340

16. Аварии со сжатыми и сжиженными газами.

Наиболее распространенными и эффективными источниками энер-

гии являются сжиженные газы, и в первую очередь – пропано-бутановые

смеси. Вместе с тем широкое использование сжиженных газов объясняет

высокую частоту аварий, многие из которых заканчиваются трагически, а

аварийные ситуации перерастают в чрезвычайные.

Мировой объем годового потребления сжиженного газа в настоящее

время составляет примерно 500

млн. тонн. Сжиженные и нефтяные газы

нашли широкое применение не только в промышленности, на транспорте,

но и в быту. Столь широкое распространение при недостаточном внима-

нии к безопасности использования газов приводит к частым аварийным

ситуациям.

Рассмотрим обстоятельства и последствия некоторых наиболее зна-

чительных аварий со сжиженными газами.

Классический пример взрыва расширяющихся

паров кипящей жид-

кости представляет собой авария 4 января 1966 г в г. Фейзине (Франция).

Жидкий пропан стал вытекать из резервуара сферической формы вмести-

мостью 750 тонн через трубу диаметром 50 см. Два крана, установленных

на трубопроводе по халатности

не были перекрыты. Спустя 30 минут об-

лако газовоздушной смеси воспламенилось от проезжающего мимо авто-

мобиля. Орошение емкости водой из пожарных гидрантов оказалось не-

достаточным для того, чтобы предотвратить срабатывание клапанов безо-

пасности на продувку емкости, что привело к расширению масштабов по-

жара. Вскоре емкость с пропаном взорвалась. Три конструкции массой

по

100 тонн каждая были отброшены на расстояние от 160 до 380 метров. За-

тем взорвались по эффекту «домино» еще одна емкость с пропаном и три

сосуда с бутаном. Погибло 18 человек, 105 человек получили ранения и

ожоги различной степени тяжести. Общий ущерб составил примерно 6.6

млн. долларов.

22 февраля 1978 года в 22 часа 25 минут на станции Ваверли

(США)

сошел с рельсов грузовой состав, в двух цистернах которого находился

пропан. Сразу после аварии утечка газа не была обнаружена. 24 февраля в

14 часов 53 минуты одна из цистерн разрушилась, вытекший газ образовал

газовоздушное облако, которое взорвалось. В результате аварии погибли

16 человек, 43 человека были ранены. Нанесенный ущерб оценивается в

1.8 млн. долларов

5 июля 1973 года железнодорожная цистерна с пропаном, не обору-

дованная отсечными клапанами безопасности, дала утечку газа при пере-

качке пропана в хранилище. Газовоздушная смесь воспламенилась, загру-

зочные рукава разрушились, через 19 минут после этого цистерна взорва-

лась. Образовавшийся огненный шар диаметром 50…70 м превратился в