CC BY
25
УДК 662.612.12+662.612.15 Б01: 10.15350/17270529.2020.4.37
МЕТОДИКА РАСЧЕТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ ГАЗОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ АЛКАНОВ ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ
ДИДЕНКО В. Н., ФАХРАЗИЕВ И. И.
Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова, 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7
АННОТАЦИЯ. Используются основные положения теории теплового взрыва и известные значения температуры самовоспламенения индивидуальных алканов в стандартных условиях. Установлена идентичность зависимостей температуры самовоспламенения различных метан-алкан-воздушных смесей от содержания алканов С2+. Установлено наличие двух областей с противоположным влиянием содержания алканов С2+ на температуру самовоспламенения этих смесей. Установлены условия, при которых температура самовоспламенения сложных метан-алкан-воздушных смесей не зависит от соотношения алканов и определяется только их суммарным содержанием. Сравниваются результаты расчетов и независимых экспериментов.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: алканы, смеси, самовоспламенение, температура, методика, расчет, верификация.
Принятые обозначения: Ж - скорость реакции; СА,%А,Св,%в - мольные концентрации и объемные доли горючего компонента (А) и воздуха (В) в газовоздушной смеси; (рА - объемная доля горючего компонента (А) в горючей части газовоздушной смеси по модельной структуре; У а Ув - частный порядок реакции по горючему компоненту (А) и воздуху (В); у - общий порядок предпламенной реакции окисления горючего компонента; а - коэффициент теплоотдачи, Вт / (м • К); \ - предэкспоненциальный множитель; £ - поверхность теплоотдачи, м ; V - объем, занимаемый газом, м3; Т№ - температура предвзрывного разогрева газа, К; Тсв - температура самовоспламенения, К; Е - эффективная энергия активации предпламенных реакций, кДж / моль; Я - универсальная газовая постоянная, Дж /(моль • К); Q - теплота сгорания газовой смеси, Дж / м3;
- низшая теплота сгорания алкана, Дж / м3; Р - абсолютное давление газа, МПа; ^, V, V, V -парциальные объемы горючего (Г), горючего компонента (А), обычного балласта (Б), и воздуха (В).
Аббревиатуры: ГВС - газовоздушная смесь; ГК - горючий компонент; ПНГ - попутный нефтяной газ; КПГ - компримированный природный газ; ДВС - двигатель внутреннего сгорания.
Актуальность исследований обусловлена современными тенденциями к использованию ПНГ и КПГ в качестве топлива для ДВС различного назначения. Эти газы, как правило, содержат гомологи метана, ухудшающие моторные свойства газа за счет снижения его детонационной стойкости. Критериями детонации могут служить температура или задержка самовоспламенения газовых топливных смесей, определяемые опытным путем при отсутствии расчетных методик их определения. В данной работе излагается методика расчетного определения Тсв ГВС алканов в условиях, предусмотренных ГОСТ [1 - 2]. По этим стандартам Тсв определяется как минимальное значение начальной температуры
сосуда, при которой происходит самовоспламенение определенной порции газа, подаваемой в нагретый сосуд при атмосферном давлении. В разработанной методике, инженерной по своей сути и назначению, не детализируются сложные физико-химические процессы, протекающие при самовоспламенении ГВС алканов, и содержится ряд упрощающих допущений.
Основные положения методики:
- воспламенение ГВС с несколькими ГК инициируется первичным самовоспламенением компонента, у которого кинетические характеристики и парциальное давление обеспечивают опережающее развитие самоускоряющихся, суммарно экзотермических реакций при данной температуре смеси;
- критерием самовоспламенения ГК ГВС является Тсв ;
- ТСВ рассматриваемых ГК (алканов) зависит от числа атомов углерода в их химических формулах, величины Хл в смеси с воздухом и Р смеси;
- стохастический характер самовоспламенения для стехиометрических смесей ГК с воздухом проявляется через наличие «верхнего» и «нижнего» пределов Тсв, определяемой в специальных опытах по ГОСТ [1 - 2] при атмосферном давлении;
- предпламенные реакции во всех ГК смеси, вплоть до самовоспламенения одного из них, протекают изолированно и в соответствии с парциальными давлениями и кинетическими константами;
- изменением Сл и Св в предпламенных реакциях до самовоспламенения ГВС можно пренебречь и измерять Ж по начальным концентрациям;
- скорость цепной реакции самовоспламенения описывается зависимостью, подобной уравнению Аррениуса с эффективными кинетическими константами.
Для скорости предпламенной реакции окисления /-го горючего компонента в смеси с воздухом принято следующее кинетическое уравнение [3]:
Ж = К■ с? ■ сВв -Vт ■
р р При САл = — Хл, и С* = — Хв,,
ехр
(1)
РГ V V ( Е
Ж, = К -^Х?'ХВВ .^Г■ ехр
V ЯГ
(2)
где Г = Гл, +Гв, ■
Порядок реакции, как известно, определяется только из экспериментальных данных и не связан со стехиометрическими коэффициентами при реагентах в уравнении реакции. Принимая условие самовоспламенения газа в виде:
е-V-Жкр = а-Б ■ (ГКР - ТСВ ), (3)
а также полагая по [3]:
/? т2
т —т ~ Я' Тсв ■
тКР 1 СВ ~ ;
Е
(4)
Ж = е ■ Ж
" КР е " СВ '
можно по алгоритму [3] получить уравнение, связывающее Тсв и Рсв /-го ГК
р Е 1 5-г 1
1п р = -Е- + —^ ■ 1п Тсв, + в,— ■ 1пХ ХВВ ) (5)
ТСВг ВЯТСВ, В В
0 1 , а-Б ■ ЯВ+1
В, =-■ 1п-. (6)
1 В е V' К ' Е, • е ()
Общепринятая структура горючей ГВС включает горючую часть («горючее») и воздух. Горючее состоит из одного или нескольких ГК и обычного балласта (негорючие газы и азот, сверхвоздушного). По разработанной методике, при моделировании реакций самовоспламенения в рассматриваемом ГК, используется «модельная» структура горючей части ГВС. Использование этой структуры вызвано принятым допущением об изолированности протекания предпламенных реакций во всех ГК смеси до самовоспламенения одного из них. Модельная структура горючей части ГВС включает рассматриваемый ГК и суммарный балласт - сумму обычного и условного балластов. Условный балласт - это все ГК (за вычетом рассматриваемого), которые полагаются «замороженными», то есть инертными в реакциях самовоспламенения рассматриваемого ГК. Условный балласт не равен нулю только для горючего с двумя и более ГК.
В уравнениях (1), (2) и (5) содержание в смеси /-го ГК характеризуется двумя величинами: %А1 и %т, относящимися ко всей ГВС. В разработанной методике используется
одна величина , характеризующая только горючую часть ГВС. Где (рм- объемная доля рассматриваемого /-го ГК в горючей части ГВС по модельной структуре.
V V V
_ г лг _ Г лг _ г лг
таi = тг =
тг и п п ~ in\
V +5X vm + Vb +YVAi <7)
VА + VБ +
1 1 2
п
где п - количество ГК в ГВС; ^ = - парциальный объем обычного балласта;
^ VAi - парциальный объем условного балласта (при п > 2 ); ^ - парциальный объем
2 2 суммарного балласта (при п > 2 ).
По определению (pAi < 1. Связь между %м и ув устанавливается из следующих соотношений:
V V V
Ai Ri Ai у — _AL_• у — _В_• ( — _А_
Л Ai п п 5 ЛЫ п п 5 тАг п '
£Vai + VB +^VB1 ^VA1 + VB +^VB1 ^VA1 + VB
УАг =(a, (1 -Хв X (8)
VBi ^
XB — П П S XBi ■
S VAi + Vb +Z VBi 1
Следует особо подчеркнуть, что, в отличие от %А, величина (рА может быть равна единице. Как следует из (7), равенство ( = 1, выполняется при нулевом суммарном
балласте, чему соответствует ГВС с горючей частью из одного ГК и без простого балласта («чистое однокомпонентное горючее»).
Неравенство ( < 1 имеет место в следующих случаях:
а) если горючее с одним или несколькими ГК содержит простой балласт;
б) если горючее с несколькими ГК не содержит простой балласт, но состоит из нескольких ГК, которые при рассмотрении реакций в ГК (Лг) полагаются условным балластом в количестве (1 ~(А1).
Как следует из (7), при ^ = ^ Ум величина < одинакова как для горючего с
2
обычным балластом и одним ГК, так и для многокомпонентного горючего без обычного балласта. Это равенство позволяет производить прямой перенос результатов расчетного определения Тсв ГВС с одним ГК, «разбавленным» обычным балластом, на тот же ГК в ГВС
с многокомпонентной горючей частью без обычного балласта. С учетом (8) уравнение (2) приобретает следующий вид:
Ъ = к0(1 -Хв)Г •ХВ'• ехр --Е- I. (9)
явт
Е
ят
Как известно, в начальный период реакции изменением концентрации всех веществ можно пренебречь и скорость реакции измерять по концентрации характерного компонента при общем порядке реакции [3]. В разработанной методике пренебрегается изменением концентрации компонента находящегося в избытке, то есть воздуха, что учитывается в замене к0 на к . При таком допущении, уравнения (2) и (5) с двумя переменными Ха и Хв преобразуются в уравнения с одной переменной < :
Рв ¡- г
ъ = к- • ехр
V
Е
Е (10)
ят 1
1п Р< = _§_ + И-В • 1п ТСВ1 + В2, (11)
ТВ гяТсв, в СВ 2 ( )
0 1 , «• ^ • яв+1 , ч
В2 = -•„ , . (12) В 0,г •V • к1 • Е • е
Как следует из (12), величина В2 зависит от теплоты предпламенных реакций Ц ГК в ГВС. При = < • и Р = Ратм уравнения (13) и (14) приобретают законченный вид:
1п Р1< = ~ЕГ + ^ • 1п Тсв, - - 1п (а, + В(рм=-, (13)
ТСВг ВЯТСВ, В В <А
В+1
В .= -• -. (14)
< 1 в дш •V • к- • Е, • е { )
Значения постоянной В =1 определяются по величине ТСВ1 индивидуальных алканов в стандартных условиях [1 - 2].
Уравнения (13) и (14) использовались для получения зависимостей Тсш от < ГВС алканов ( Ai) при атмосферном давлении.
В табл. 1 приведены параметры алканов С - С4, принятые в расчетах. Для нахождения границ возможного изменения Тсш в реальных условиях рассматривались четыре варианта определения В =1: по г^ для всех алканов; по г^ для всех алканов;
по среднему значению гСВ = (С + Х-сВ)/2 для всех алканов; по гдля метана и по г^ для алканов С^.
Таблица 1
Значения параметров алканов С — С4 принятые в расчетах
Газ
Параметры Метан СН4 Этан С2Н6 Пропан С3Н8 Бутан С 4Н10
tHCB, 0С 537.0 510.0 466.0 372
tCä в стандартных
условиях С, 0С 800 694 588 570
Е, кДж/моль [3] 131.98 196.94 180.16 13826
Общий порядок предпламенной реакции у 2 2 2 2
по С, °с -25.4049 -30.4133 -29.5423 -27.2257
Постоянная B ,
<А =1 по С, °с -23.6423 -28.2842 -28.3877 -25.6254
На рис. 1 представлены результаты расчетного определения tCB ГВС отдельных алканов С — С4 при различных значениях <pAi.
Для верификации методики авторы обращаются к результатам экспериментов [4 - 5], проведенных относительно недавно и на современном оборудовании в Институте химической физики им. Н.Н. Семенова РАН. Авторы [4] констатируют, что, кроме их предыдущих работ [6 - 9] и единичных публикаций зарубежных авторов [10 - 11], в литературных источниках отсутствуют результаты систематических исследований влияния состава газовых смесей на их детонационные характеристики.
В экспериментах [4 - 5] на установке перепускного типа определялась задержка самовоспламенения газовых смесей с различной концентрацией алканов в замкнутом объеме. В этой установке предварительно перемешанные смеси при атмосферном давлении подавались в вакуумированный реактор, нагретый до заданной температуры, а задержка самовоспламенения определялась как время от момента выравнивания давления в реакторе после перепуска смеси до момента резкого подъема давления в результате самовоспламенения смеси. В экспериментах с одинаковой начальной температурой реактора время задержки самовоспламенения коррелируется с температурой самовоспламенения: чем выше температура самовоспламенения, тем больше время ее достижения (задержка самовоспламенения). Таким образом, расчетные графики зависимости tCB ГВС отдельных
алканов и их смесей от < и экспериментальные графики зависимости, задержки воспламенения этих же ГВС от концентрации алканов должны иметь одинаковый характер, то есть качественно согласовываться. Количественное согласование при этом невозможно из-за отсутствия опытных данных по tCB ГВС отдельных алканов с различной концентрацией и их смесей.
Как следует из рис. 1, а, б, в области <р^анС — 0.10 кривые tCB = tCB (<) резко идут вверх, то есть малые изменения (рслкан с2 вызывают большие и нарастающие изменения tCB . Эта повышенная чувствительность tCB к изменению концентрации алканов С2 — С4 в области <рсшканС2 — 010 в экспериментальных исследованиях должна проявляться в виде большого разброса опытных данных.
Рис. 1. Зависимость гсв алканов С - С от величины < при атмосферном давлении: а) - постоянная В(л =1 определялась по гВа , б) - постоянная В(л =1 определялась по г^
Также получено, что все графики = гсв (<А) алканов С2 - С4 на рис. 1. б пересекаются в одной точке при < « 0.10. Этот интересный результат хорошо согласуется с данными экспериментов [4 - 5], где было установлено, «что для индивидуальных алканов С - С в тех же условиях наблюдаемая задержка самовоспламенения была практически одинакова».
Результаты расчетов Хсв отдельных алканов С - С4 с различными значениями ( в ГВС (рис. 1, а, б) были использованы для нахождения Хсв метан-алкановых ГВС. (Следует заметить, что такие ГВС с двумя ГК в работах [4 - 9] называются бинарными). В соответствии с разработанной методикой, алканы (А1) и (А2) горючего с двумя ГК и без обычного балласта, считаются условным балластом по отношению друг к другу. Тогда по зависимости (7):
(А1 =
V,
А\
V + V
у А1 ^ * А2
;(Ра 2 =
V
А 2
V + V
' А1 ^ ' А2
(а1 +(а 2 = 1
На этом основании, в ГВС двух ГК (метана и алкана) величину (м
можно
выразить через содержание другого алкана С2+ как (метан = 1 — РалканС2 . Это позволило
перестроить рис. 1, а, б, сохранив только рабочие области воспламенения. На рис. 2 дан пример такого перестроения для метан-бутановой ГВС при постоянной 5 !, вычисленной
по ^. Рабочая область ограничена сверху ломанной кривой самовоспламенения этой горючей ГВС (й-1-/). В общем случае, точки на левой ветви (ё-г) кривой (й-1-/) соответствуют самовоспламенению метано-воздушных смесей с объемными долями метана (метан = 1 — (Ралтн С . Точки на правой ветви (г-/) соответствуют самовоспламенению
газовоздушных смесей алканов С2+ с объемными долями (ралкан с2 . На рис. 3 представлены в совмещенном виде кривые самовоспламенения метан-этановой, метан-пропановой и метан-бутановой ГВС. Для этих смесей значение 5 ) определялось по для метана и по для алканов С2+ при стандартных условиях.
1000
950
900
850
800
750
700
650
600
550
500
м етан
с!
/ / Бу тан
/
0,00 0,05 0Л 0 0,15 03 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00
<рс4н10
Рис. 2. Пример кривой самовоспламенения для ГВС с двумя алканами. Метан-бутановая воздушная смесь. Расчет 5^=1 по ^
Рис. 3. Кривые воспламенения метан-этановой, метан-пропановой и метан-бутановой воздушных смесей. РасчетВ по С для метана и по С для алканов С2+, ?жтан = \-?шканс1+
Из анализа рис. 2 и рис. 3 следует ряд выводов о закономерностях воспламенения метан-алкан-воздушных смесей при атмосферном давлении:
1. Кривые воспламенения всех метан-алкан-воздушных смесей идентичны по виду, что согласуется с результатами экспериментов [4 - 5], показавших, что «...зависимость задержки самовоспламенения всех бинарных метан-алкан-воздушных смесей от концентрации углеводородной добавки имеет практически идентичный вид».
2. Левая и правая ветви кривых воспламенения метан-алкан-воздушных смесей различаются знаками приращения при изменении ралкан с2 и разграничены
«инверсионными» значениями ралканС2+)инв . (На рис. 2 значению (РалканС2+)инв соответствует точка /). Расчетные значения (рралканс2 )инв, полученные при различных исходных данных, сведены в табл. 2.
Таблица 2
Расчетные значения (ралканС )инв для метан-алкан-воздушных смесей
Варианты определения В^=1 Алкан С2+ [ (р^алкан С2+ )инв ^^д
Этан С2Н6 Пропан С3Н8 Бутан С 4Н10
а по , °С для всех алканов 0.28 0.18 0.24 0.18
б по (%в, °С для всех алканов 0.38 0.35 0.28 0.28
в по ^, °С для всех алканов 0.33 0.24 0.27 0.24
г по , °С для метана и по (Н, °С для алканов С2+ 0.11 0.10 0.11 0.10
3. В области алкан С2+) < <алканС2+ )инв значение С не зависит от прирОДЫ алканов С2+, поскольку при повышении температуры стенки сосуда всегда первым самовоспламеняется метан и затем воспламеняет всю смесь. В этой области повышение (ралкан С2 любого алкана С2+ приводит, вопреки ожиданиям, не к уменьшению ,
а, наоборот, к одинаковому слабому ее увеличению. Этот вывод объясняет результаты экспериментов [4 - 5], которые «...для смесей, содержащих около 10 % более тяжелых алканов к метану, показывают практически одинаковую величину задержки воспламенения для таких сильно различающихся по реакционной способности алканов, как этан, пропан, н-бутан и н-пентан, что довольно неожиданно».
Следует отметить отсутствие в работах [4 - 5] восходящих участков («левых ветвей») на графиках зависимости задержки самовоспламенения от величины (ралканс2 . Это можно
объяснить большим разбросом опытных данных в узкой области малых (до 0.10) значений <РалканС2 , что не позволяет достоверно установить характер изменения исследуемой
зависимости.
Лучшее согласование расчетов с экспериментами [4 - 5] получено при определении постоянной В ^ для метана по ^, а для алканов С2 - С4 по гН (вариант «г» в табл. 2).
Видимо, разбавление в опытах стехиометрической метан-воздушной смеси смещает ее состав к нижнему концентрационному пределу воспламенения, где температура самовоспламенения выше. А состав смесей разбавителей (алканов С2 — С) при этом, наоборот, сдвигается к верхним концентрационным пределам воспламенения с пониженной гсв.
4. В области <алкан С2+ ) > <ал1канС2+ )инв при повышении температуры стенки сосуда первым самовоспламеняется алкан С2+ и воспламеняет всю смесь. В этой области при увеличении <ралканс2 температура воспламенения смеси быстро понижается, оставаясь
равной гсв индивидуального алкана. Этот вывод качественно хорошо согласуется с данными работы [4 - 5] по экспериментальному исследованию самовоспламенения смесей метана с алканами С — С, где было установлено, что: «при их добавке к метану в 10 % (по [4] 10 - 20 %) значение задержки самовоспламенения практически совпадает с этой величиной для самого алкана».
Некоторые выводы можно сделать и для сложных метан-алкан-воздушных смесей, содержащих более двух алкан С2+ :
1. Если сумма объемных долей алкан С2+ не превышает минимальное (<алкан с ),
данной смес^ то есть £(ралканС2+ (<°алканС2+ ); природы и соотношения алкан С2+, а определяется только их суммой <Ралкан С2 ).
В этом случае, при повышении температуры стенки сосуда, первым самовоспламеняется метан и затем воспламеняет всю смесь, причем повышение £ <алкан с приводит не к
ожидаемому уменьшению гсв, а, наоборот, к слабому ее увеличению.
Этот вывод объясняет следующие результаты, полученные в [4 - 5], для смесей, содержащих в метане примесь около 10 % более тяжелых алканов: «не менее удивительны и близкие значения задержки самовоспламенения сложных метан-алкановых смесей с одинаковой суммарной концентрацией добавленных алканов, но их различным соотношением... То есть при таком относительно низкотемпературном сопряженном окислении смесей алканов индивидуальные различия их окисления нивелируются»; «задержки
>инв
^2+ '
, то tCB таких смесей не зависит от
min
самовоспламенения различаются незначительно, в пределах, не превышающих экспериментальной ошибки их определения. То есть влияние длины углеродного скелета (числа атомов С в добавляемых углеводородах) в первом приближении, можно считать незначительным».
Величину tCB сложных смесей при £рШканС2+ (РалканС2+) инв
можно
min
определять по графикам для метан-алкан-воздушных смесей (рис. 2 - 3), полагая
Рметан =1 — £РалканС2+ . В этой области зависимость С смесей от £РалканС2+ аппроксимируется простыми линейными уравнениями:
С (С ) = 353.П-р_с2++ 800
С (tCB ) = 19643 + 545; (15)
t™ = 280.05 -р + 671.3.
СВ\ СВ> алканС2+
Ниже приведен пример определения температуры самовоспламенение нескольких метан-этан-пропановых воздушных смесей с разным соотношением Ралкан с2 , но с
одинаковой их суммой £ РстКан С2 = const:
а) СН4(90 %)+C2H6(7.5 %)+CbH8(2.5 %); б) СЩ(90 %)+С2Нб(2.0 %)+CbH8(8.0 %); в) СН4(90 %)+C2H6(4.5 %)+CbH8(5.5 %).
По табл. 2 (вариант «г») для метан-алкановых смесей, содержащих пропан, величина
(Ралкан С )инв ] . =010. Для всех трех рассматриваемых смесей £РалканС7+ =010, L 2+ Jmm 2+
и условие £ршканС?+ ^Г(Ралкан С )инв ] . выполняется. На рис. 2 и рис. 3 значению
2+ L 2+ J min
£ Ралкан с = 0.10 соответствует tCB = 832.7 °С, то есть все три смеси самовоспламенятся при одинаковой температуре 832.7 °С в результате первичного самовоспламенения метана. (Этот же результат получается и в случае определения Bv х по варианту «а»).
2. Величина tCB ГВС, не содержащих метан и состоящих из нескольких алканов С+, определяется непосредственно по графикам на рис. 1, а, б. Так, например, летняя пропан-бутановая смесь C4Hi0(60 %)+С3Н8(40 %) по рис. 1, б самовоспламеняется при tCB = 490 °С в результате первичного самовоспламенения бутана. По справочным данным, величина самовоспламенения этой летней смеси составляет tCB = 490 — 510 °С.
3. Величину t сложных метан-алкан-воздушных смесей с
£ (Ралкан С ) >Г(Ралкан С )инв ] ■ следует определять по исходным графикам. Например,
' 2+ L 2+ Jmm
по рис. 1, а воспламенение смеси СН4(50 %)+C2H6(30 %)+C3H8(20 %) произойдет при tCB = 769.3 °С в результате первичного самовоспламенения пропана.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Разработана инженерная методика расчетного определения температуры самовоспламенения газовоздушных смесей алканов при атмосферном давлении, основанная на использовании известных значений температуры самовоспламенения индивидуальных алканов в стандартных условиях.
2. Установлена идентичность зависимостей температуры самовоспламенения различных метан-алкан-воздушных смесей от содержания алканов С2+ .
3. Установлено наличие двух областей с противоположным влиянием содержания алканов С2+ на температуру воспламенения этих смесей.
4. Установлены условия, при которых температура самовоспламенения сложных метан-алкан-воздушных смесей не зависит от соотношения алканов С2+ и определяется
только их суммарным содержанием.
5. Получено качественное согласование основных результатов расчетов с независимыми экспериментами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 12.1.044-89 Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. М.: Стандартинформ, 2006.
2. ГОСТ Р 51330.5-99 Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 4. Метод определения температуры самовоспламенения. М.: ИПК Издательство стандартов, 2000.
3. Щетинков Е. С. Физика горения газов. М.: Наука, 1965. 739 с.
4. Никитин А. В., Трошин К. Я., Беляев А. А., Арутюнов А. В., Кирюшин А. А., Арутюнов В. С. Газомоторное топливо из попутного нефтяного газа. Селективный оксикрекинг тяжелых компонентов ПНГ // НефтеГазоХимия. 2018. № 3. C. 23-34.
5. Арутюнов А. В. Нестационарные процессы воспламенения и окисления легких алканов: дисс. канд. физ.-мат. наук. ФИЦ Химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, М., 2020. 144 с.
6. Трошин К. Я., Никитин А. В., Борисов А. А., Арутюнов В. С. Экспериментальное исследование самовоспламенения бинарных смесей метана с добавками алканов С3-С5 в воздухе // Горение и взрыв. 2015. Т. 8, № 1. C. 42-49.
7. Трошин К. Я., Никитин А. В., Борисов А. А., Арутюнов В. С. Определение задержек самовоспламенения метановоздушных смесей с добавками алканов С2-С5 // Горение и взрыв. 2016. Т. 9, № 2. C. 23-30.
8. Трошин К. Я., Никитин А. В., Борисов А. А., Арутюнов В. С. Низкотемпературное самовоспламенение в воздухе бинарных смесей метана с алканами С3-С5 // Физика горения и взрыва. 2016. Т. 52, № 4. С. 15-23. https://doi.org/10.15372/FGV20160402
9. Трошин К. Я., Никитин А. В., Беляев А. А., Арутюнов А. В., Кирюшин А. А., Арутюнов В. С. Экспериментальное определение задержки самовоспламенения смесей метана с легкими алканами // Физика горения и взрыва. 2019. Т. 55, № 5. C. 17-24. https: //doi .org/10.15372/FGV20190502
10. Goldsborough S. S., Hochgreb S., Vanhove G., Wooldridge M. S., Curran H. J., Sung C.-J. Advances in rapid compression machine studies of low-and intermediate-temperature autoignition phenomena // Progress in Energy and Combustion Sciences, 2017, vol. 63, pp. 1-78.
11. Zhang P., Ran J., Qin C., Du X., Niu J., Yang L. Effects of methane addition on exhaust gas emissions and combustion efficiency of the premixed n-heptane/air combustion // Energy & Fuels, 2018, vol. 32, pp. 3900-3907.
Method of Calculation for Determining the Temperature Self-Ignition of Gas-Air Mixtures of Alkanes at Atmospheric Pressure
Didenko V. N., Fakhraziev I. I.
Kalashnikov Izhevsk State Technical University, Izhevsk, Russia
SUMMARY. The main provisions of the theory of thermal explosion and the known values of the self-ignition temperature of individual alkanes under standard conditions are used. The identity of the dependences of the self-ignition temperature of various methane-alkane-air mixtures on the content of alkanes C2+ has been established. The presence of two regions with the opposite influence of the content of alkanes C2+ on the ignition temperature of these mixtures was established. The conditions are established
under which the self-ignition temperature of complex methane-alkane-air mixtures does not depend on the ratio of alkanes and is determined only by their total content. The results of calculations and independent experiments are compared.
KEYWORDS: alkanes, mixes, self-ignition, temperature, methods, payment, verification. REFERENCES
1. GOST 12.1.044-89 Sistema standartov bezopasnosti truda (SSBT). Pozharovzryvoopasnost' veshchestv i materialov. Nomenklatura pokazatelei i metody ikh opredeleniya [GOST 12.1.044-89 Occupational safety standards system (SSBT). Fire and explosion hazard of substances and materials. Nomenclature of indicators and methods of their determination]. Moscow: Standartinform Publ., 2006.
2. GOSTR 51330.5-99 Elektrooborudovanie vzryvozashchishchennoe. Chast' 4. Metod opredeleniya temperatury samovosplameneniya [GOST R 51330.5-99 Explosion-proof electrical equipment. Part 4. Method for determination of autoignition temperature]. Moscow: IPK Izdatel'stvo standartov Publ., 2000.
3. Shchetinkov E. S. Fizika goreniya gazov [Combustion physics]. Moscow: Nauka Publ., 1965.
739 p.
4. Nikitin A. V., Troshin K. Ya., Belyaev A. A., Arutyunov A. V., Kiryushin A. A., Arutyunov V. S. Gazomotornoe toplivo iz poputnogo neftyanogo gaza. Selektivnyi oksikreking tyazhelykh komponentov PNG [Gas motor fuel from associated petroleum gas. selective oxycracking of heavier components of APG]. NefteGazoKhimiya [Oil & Gas Chemistry], 2018, no. 3, pp. 23-34. https://doi.org/10.24411/2310-8266-2018-10301
5. Arutyunov A. V. Nestatsionarnye protsessy vosplameneniya i okisleniya legkikh alkanov: diss. kand. fiz.-mat. nauk [Non-stationary processes of ignition and oxidation of light alkanes: diss. Cand. physical-mat. sciences]. FITs Khimicheskoy fiziki im. N.N. Semenova RAN, Moscow, 2020. 144 p.
6. Troshin K. Ya., Nikitin A. V., Borisov A. A., Arutyunov V. S. Eksperimental'noe issledovanie samovosplameneniya binarnykh smesey metana s dobavkami alkanov S3-S5 v vozdukhe [Experimental investigation of self-ignition of binary methane mixtures with C3-C5 alkane additives in air]. Goreniye i vzryv [Combustion and explosion], 2015, vol. 8, no. 1, pp. 42-49.
7. Troshin K. Ya., Nikitin A. V., Borisov A. A., Arutyunov V. S. Opredelenie zaderzhek samovosplameneniya metanovozdushnykh smesey s dobavkami alkanov S2-S5 [Determination of self-ignition delay of methane-air mixtures with addition of C2-C5 alkanes] Goreniye i vzryv [Combustion and explosion], 2016, vol. 9, no. 2, pp. 23-30.
8. Troshin K. Y., Nikitin A. V., Borisov A. A., Arutyunov V. S. Low-temperature autoignition of binary mixtures of methane with C3-C5 alkanes. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 2016, vol. 52, no. 4, pp. 386-393. https://doi.org/10.1134/S001050821604002X
9. Troshin K.Y., Nikitin A.V., Belyaev A.A., Arutyunov A.V., Arutyunov V.S., Kiryushin A.A. Experimental determination of self-ignition delay of mixtures of methane with light alkanes. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 2019, vol. 55, no. 5, pp. 526-533. https://doi.org/10.1134/S0010508219050022
10. Goldsborough S. S., Hochgreb S., Vanhove G., Wooldridge M. S., Curran H. J., Sung C.-J. Advances in rapid compression machine studies of low-and intermediate-temperature autoignition phenomena. Progress in Energy and Combustion Sciences, 2017, vol. 63, pp. 1-78. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2017.05.002
11. Zhang P., Ran J., Qin C., Du X., Niu J., Yang L. Effects of methane addition on exhaust gas emissions and combustion efficiency of the premixed n-heptane/air combustion. Energy & Fuels, 2018, vol. 32, pp. 3900-3907. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.7b03469
Диденко Валерий Николаевич, доктор технических наук, профессор, ИжГТУ имени М.Т.Калашникова, e-mail: [email protected]
Фахразиев Ильшат Индусович, ассистент, ИжГТУ имени М. Т. Калашникова, e-mail: [email protected]
