Расчет стехиометрической реакции горения попутного нефтяного газа в атмосфере влажного воздуха

Пример 1

Попутный нефтяной газ Южно-Сургутского месторождения

С_1.207H_4.378N_0.0219O_0.0027

сгорает в атмосфере влажного воздуха

O_0.431N_1.572H_0.028 (t=20 °C, φ=60%)

в соответствии со стехиометрической реакцией

C_1.207H_4.378N_0.0219O_0.0027+MO_0.431N_1.572H_0.028=nCO₂+n_H2OH₂O+n_N2N₂ . (1.1)

Расчет мольного стехиометрического коэффициента М:

. (1.2)

Теоретическое количество влажного воздуха, необходимое для полного сгорания 1м³ ПНГ Южно-Сургугского месторождения, составляет 11.03 м³.

nCO₂ = с = 1.207;

nH₂O = 0.5(h + Mk_h) = 2.344;

nN₂ = 0.5(n + Mk_n) = 8.681.

Объем продуктов сгорания при стехиометрическом горении равен

V_ПС = c + s + 0.5· [h + n + M(k_h + k_n)] = 1.207 + 0.5· [4.378 + 0.0219 + 11.03· (0.028 + 1.572)] = 12.23 м³/м³.

Пример 2

Попутный нефтяной газ Бугурусланского месторождения (серосодер-жащий) C_1.489H_4.943S_0.0110О_0.0160 сгорает в атмосфере влажного воздуха О_0.431N_1.572H_0.028 (t=20°C, φ=60%) в соответствии со стехиометрической реакцией

C_1.489H_4.943S_0.0110О_0.0160 + MО_0.431N_1.572H_0.028 = nCO₂CO₂ + nH₂OH₂O + nN₂N₂ . (2.1)

Расчет мольного стехиометрического коэффициентаМ:

(2.2)

nCO₂ = c = 1.489;

nH₂O = 0.5(h + Мk_h) = 2.660;

nSO₂ = s = 0.011.

nN₂ = 0.5(n + Mk_n) = 10.576.

Теоретическое количество влажного воздуха, необходимое для полного сгорания 1м³ ПНГ Бугурусланского месторождения, составляет 13.056 м³.

Объем продуктов сгорания при стехиометрическом горении равен

V_ПС = 1.489 + 0.0110 + 0.5[4.943 + 13.056(0.028 + 1.572)] = 14.74 м³/м³.

Приложение 10

Расчет скорости распространения звука
в сжигаемой газовой смеси U_ЗВ (м/с) (п. 6.4)

Скорость распространения звука в сжигаемой газовой смеси U_ЗВ (м/с) рассчитывается по формуле

U = 91.5 [K·(T_o + 273) / M_г]^0.5, (1)

где Т_о,°С - температура ПНГ;

M_Г - условная молекулярная масса сжигаемой газовой смеси;

К - показатель адиабаты для сжигаемой газовой смеси или определяется по графикам на рис. 1, 2 прил. 11, где расчеты произведены для четырех значений Т_о,°С (0°С; 10°С; 20°C и 30°С).

Показатель адиабаты К для ПНГ рассчитывается по значениям показателя адиабаты K_i для компонентов (табл.1 прил.8) как средневзвешенное

K = 0.01·ΣV_i· K_i , (2)

i

где V_i (% oб.) - объемная доля i-го компонента ПНГ.

Приложение 11

Пример расчета скорости распространения звука

в сжигаемой газовой смеси U_ЗВ (м/с)

Попутный нефтяной газ Южно-Сургутского месторождения. Компонентный состав V_i (% об.) - см. табл.1. прил.3.

Показатель адиабаты

K = 0.01Σ V_i·K_i = 1.292.

i

Скорость распространения звука при Т_o = 20°C:

U_ЗВ = 91.5 [K(T_o + 273) / M_Г]^0.5 = 406 м/с

(М_Г = 19.210, см. табл.3 прил.3.)

Такое же значение U_ЗВ дает график прил.10 для Т_o = 20°C.

Температура 0°С

Температура 10°С

Рис. 1. Скорость звука в сжигаемой смеси

Температура 20°С

Температура 30°С

Рис. 2. Скорость звука в сжигаемой смеси

Приложение 12

Примеры расчета выбросов вредных веществ при сжигания попутного нефтяного газа

1. Попутный нефтяной газ Южно-Сургутского месторождения. Объемный расход газа W_v = 432000 м³ /сут = 5 м³/с. Сжигание бессажевое, плотность газа (см. прил.1) ρ_Г = 0.863 кг/м³. Массовый расход равен (5.2):

W_g = 3600 ρ_Г·W_v = 15534 (кг/ч).

В соответствие с формулой (7.1) и табл.6.1 выбросы вредных веществ в г/с составляют:

СО - 86.2 г/с; NO_x - 12.96 г/с;

бенз(а)пирен - 0.1·10^-6 г/с .

Для вычисления выбросов углеводородов в пересчете на метан определяется массовая их доля, исходя из табл.2 прил.1 и табл.6 прил.3 Она равна 120 %. Недожог равен 6·10⁴. Т.о. выброс метана составляет

0.01·6·10^-4·120·15534 = 11.2 г/с

Сера в ПНГ отсутствует.

2. Попутный нефтяной газ Бугурусланского месторождения с условной молекулярной формулой C_1.489H_4.943S_0.011О_0.016. Объемный расход газа W_v = 432000 м/сутки = 5 м/с. Факельное устройство не обеспечивает бессажевого горения. Плотность газа (см. прил.1) ρ_Г = 1.062 кг/м³. Массовый расход равен (5.2):

W_g = 3600·ρ_Г·W_v = 19116 (кг/ч).

В соответствии с формулой (7.1) и табл.6.1 выбросы вредных веществ в г/с составляют:

СО - 1328 г/с; NO_x - 10.62 г/с;

бенз(а)пирен - 0.3·10^-6 г/с.

Выбросы сернистого ангидрида определяются по формуле (6.2), в которой s = 0.011, M_Г = 23.455, MSO₂ = 64. Отсюда

MSO₂ = 0.278·0.03·19116 = 159.5 г/с

В данном случае недожог равен 0.035. Массовое содержание сероводорода 1.6%. Отсюда

MH₂S = 0.278·0.035·0.01·1.6·19116 = 2.975 г/с

Выбросы углеводородов определяются аналогично примеру 1.

Приложение 13

Расчет удельных выбросов CO₂, H₂O, N₂ и О₂ на единицу массы сжигаемого попутного нефтяного газа (кг/кг)

1. Удельный выброс диоксида углерода рассчитывается по формуле

qСO₂ = MCO₂ · (c/M_Г – qСН₄/M СН₄ - qСО/MСО) , (1)

где МСО₂, M СН₄, MСО - молекулярные массы соответствующих газов (прил.2);

М_Г - условная молекулярная масса ПНГ (прил.2);

с - количество атомов углерода в условной молекулярной формуле ПНГ (прил.1).

2. Удельный выброс водяного пара H₂O:

qН₂О = 0.5·MН₂О·[1/M_Г(h + α·M·K_h) - qСН₄/MСН₄] , (2)

где MН₂О и MСН₄ - молекулярные массы Н₂О и СН₄;

M_Г - условная молекулярная масса ПНГ;

h – количество атомов водорода в условной молекулярной формуле ПНГ;

α - коэффициент избытка влажного воздуха;

М - мольный стехиометрический коэффициент (прил.7);

К_h - количество атомов водорода в условной молекулярной формуле влажного воздуха (прил.4).

3.Удельный выброс азота N₂:

qN₂ = MN₂·[1/M_Г(n + α·M·K_n) - qNO/MNO] . (3)

4.Удельный выброс кислорода O₂:

qO₂ = MO₂·[1/M_Г(o + α·M·K_o) – 2qСO₂/MСO₂ –

qН₂О/MН₂О - 2qSO₂/M SO₂ - qСO/MCO - qNO/MNO] (4)

Примечания:

1. Обозначения, принятые в (2) и (3) аналогичны обозначениям, принятым в (1).

2. qН₂О, qCO₂, qSO₂, qСO, qNO – см. прил.12 и формулу (1) настоящего приложения.

Приложение 14

Примеры расчетов

Расчет удельных выбросов СО₂, H₂O, N₂ и O₂ на единицу массы сжигаемого попутного нефтяного газа (кг/кг)

Пример 1

Попутный нефтяной газ Южно-Сургутского месторождения с условной молекулярной формулой C_1.207H_4.378N_0.0219O_0.027 (прил.3) сжигается в атмосфере влажного воздуха с условной молекулярной формулой O_0.431N_1.572H_0.028 (прил.6) при α = 1.0.

Мольный стехиометрический коэффициент М=11.03 (прил.9).

Удельный выброс диоксида углерода (формула (2) прил.13):

qCO₂ = 44.011(1.207/19.260 - 5·10^-4/16.043 - 2·10^-2/28.011) = 2.725

Удельный выброс водяного пара H₂O:

qН₂О = 0.5·18.016[1/19.26·(4.378 + 11.03·0.028) - 5·10^-3/16.043] = 2.192

Удельный выброс азота N₂:

qN₂= 28.016 [1/19.26·(0.0219 + 11.03·1.572) - 3·10^-3/30.008] = 25.251

Удельный выброс кислорода O₂:

qO₂ = 32[1/19.26·(0.0027 + 11.03·0.431) -

- 2·2.725/44.011 - 2·10^-2 - 3·10^-3/30.008] = 0.022.

Пример 2

Попутный нефтяной газ Бугурусланского месторождения с условной молекулярной формулой C_1.489H_4.943S_0.011O_0.016.

Условия сжигания газа те же, что и в примере 1. Удельный выброс диоксида углерода (формула (2) прил.13).

qCO₂= 44.01(1.489/23.476 - 5·10^-4 / 16.043- 2·10^-3/28.011] = 2.761

Удельный выброс водяного пара H₂O:

qН₂О = 0.5·18.016[1/23.476·(4.943 + 1.455·0.028) - 5·10^-3/16.043] = 2.041

Удельный выброс азота N₂:

qN₂= 28.016 [1/23.476·(13.455·1.572) - 3·10^-3/30.008] = 25.238

Удельный выброс кислорода O₂:

qO₂ = 32[1/23.476·13.455· 0.431 - 2·2.761/44.011 – 2.041/18.016 - 2·0.030/64.066 - 2·10^-2/28.011- 3·10^-3/30.008] = 0.208

Приложение 15

Расчет длины факела

Длина факела (L_ф) рассчитывается по формуле

L_Ф = 5.3 d_o·(T_Г/ T_о)^0.5·[(1 + V_o) (1 + V_BB· ρ_ВВ/ρ_Г)]^0.5 , (1)

где d_о - диаметр устья факельной установки, м;

Т_Г - температура горения, °К (п. 8.3);

Т_о - температура сжигаемого ПНГ, °К;

V_ВВ - теоретическое количество влажного воздуха, необходимое для полного сгорания 1м³ ПНГ (прил.7), м³/м³;

ρ_ВВ, ρ_Г - плотность влажного воздуха (прил.4) и ПНГ (прил.1);

V_o - стехиометрическое количество сухого воздуха для сжигания 1 м³ ПНГ, м³/м³:

N

V_o = 0.0476·(1.5[H₂S]_o + Σ (x + y/4) [C_xH_y]_o – [O₂]_о) ,

i=i

где [H₂S]_о, [C_xH_y]_o, [O₂]_o - содержание сероводорода, углеводородов, кислорода, соответственно, в сжигаемой углеводородной смеси, % об.

На рис. 1,2 прил.16 изображены номограммы для определения длины факела (L_ф), отнесенной к диаметру устья факельной установки (d), в зависимости от Т_Г/Т_о, V_ВВ и ρ_ВВ/ρ_Г для четырех фиксированных значений T_Г/Т_о при диапазонах варьирования V_ВВ от 8 до 16 и ρ_ВВ/ρ_Г от 0.5 до 1.0.

Приложение 16