Физико-химических свойства и состав углеводородных газов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Россия является неоспоримым лидером по запасам углеводородного сырья, бережное и по-хозяйски рациональное использование данного нам сырьевого ресурса и есть главная цель. Углеводороды -- это соединения углерода с водородом, не содержащие других элементов. В реальных условиях сложившейся структуры промышленности и сельского хозяйства топливно-энергетический комплекс остается ключевым звеном всей экономической системы государства. Поэтому обеспечение устойчивого и надежного его функционирования является необходимым условием энергетической безопасности как отдельных регионов, так и государства в целом.

Неоспоримую роль для устойчивого и надежного функционирования топливно-энергетического комплекса оказывают хранилища газообразных и жидких углеводородов. Хранилища газообразных и жидких углеводородов являются необходимым элементом функционирования трёх основных составляющих топливно-энергетического комплекса страны: единой системы газоснабжения, системы снабжения нефтепродуктами и системы энерго- и теплоснабжения.

Умение прогнозировать поведение веществ в условиях пожара, оценить влияние тех или иных условий, при которых возможно протекание и прекращение горения, возможно на основе химических теорий.

Расчёт некоторых физико-химических свойств, состава углеводородных газов необходим, к примеру, для прогнозирования возможных ситуаций при аварийных режимах (размер зон, ограниченных нижним концентрационным пределом распространения пламени; размеры зон распространения облака горючих газов при аварии и времени достижения облаком мест расположения различных объектов; определение давления в аппаратах при высоких температурах в условиях пожара (нарастание давления, критические температуры) и др.).

Все вещества подразделяют на неорганические и органические. Такое деление возникло еще на заре развития химической науки, когда люди установили, что свойства веществ, встречающихся в животных или растительных организмах, значительно отличаются от свойств веществ, полученных из неживой природы. Считалось, что получить искусственным путем органические соединения невозможно. Современная наука утверждает, что нет принципиального различия между неорганическими и органическими веществами. Ученые научились получать искусственным путем такие соединения, которые раньше добывались только из живых растительных или животных организмов. Изменилось само понятие -- органическое вещество. В настоящее время принято считать органическими веществами соединения углерода, а науку о соединениях углерода -- органической химией. Органические соединения гораздо многочисленнее, чем неорганические. В настоящее время известно около 100 тыс. неорганических и более миллиона органических соединений, причем получены даже такие органические вещества, которых нет в природе.

Физические свойства непредельных углеводородов сходны со свойствами предельных углеводородов. Как и у предельных, низкомолекулярные представители непредельных углеводородов (до бутилена включительно) при обычных температурах и давлении -- газы; средние члены гомологического ряда - жидкости; высшие олефины -- твердые вещества. Олефины нерастворимы в воде, хорошо растворимы в органических растворителях.

Химические свойства непредельных углеводородов резко отличны от свойств предельных, насыщенных, углеводородов. Непредельные углеводороды отличаются от предельных значительно большей реакционной способностью; олефины легко вступают в реакции присоединения, в то время как предельные углеводороды к таким реакциям не способны. В результате таких химических реакций резко изменяются и физические свойства олефинов. Например, присоединяя воду, этилен образует хорошо растворимый в воде винный (этиловый) спирт.

Цель работы: узнать физические и химические свойства метана, этана и циклопропана. Определить их пожароопастность, взрывоопасность и важность в наши дни.

Описание веществ:

Метан -- простейший углеводород, бесцветный газ (в нормальных условиях) без запаха. Мало растворим в воде, легче воздуха. При использовании в быту, промышленности в метан обычно добавляют одоранты (обычно меркаптаны) со специфическим «запахом газа». Метан нетоксичен и неопасен для здоровья человека. Однако имеются данные, что метан относится к токсическим веществам, действующим на центральную нервную систему. Накапливаясь в закрытом помещении, метан взрывоопасен. Обогащение одорантами делается для того, чтобы человек вовремя заметил утечку газа. На промышленных производствах эту роль выполняют датчики и во многих случаях метан для лабораторий и промышленных производств остается без запаха.

Циклопропан ₍С₃Н₆₎ - химическое соединение с формулой C₃H₆, простейший углеводород алициклического ряда.

Физические свойства:

Бесцветный горючий газ с характерным запахом, напоминающим запах петролейного эфира, едкого вкуса. Относительная плотность 1,879. При температуре 4 - 20 °C и давлении 5 атмосфер переходит в жидкое состояние; температура плавления 127 °C, температура кипения циклопропана при атмосферном давлении 33 °C. Мало растворим в воде (один объём газа при + 20 °C растворим в 2,85 объёма воды). Легко растворим в спирте, петролейном эфире, хлороформе и жирных маслах. Легко воспламеняется, смеси с воздухом, кислородом или закисью азота взрывоопасны.

Медицинское применение:

Циклопропан оказывает сильное общеобезболивающее действие. Чрезвычайно огнеопасен; его смеси с кислородом, закисью азота и воздухом могут взрываться при соприкосновении с пламенем, электрической искрой и другими источниками, которые могут вызывать воспламенение. При использовании циклопропана необходимо принимать все меры, исключающие возможность взрыва, в том числе меры предосторожности, связанные с применением электро- и рентгеноаппаратуры и исключающие образование статического электричества. В связи с этими особенностями, а также с появлением новых способов и средств общего обезболивания циклопропан в настоящее время крайне редко используется в качестве средства для наркоза. Действует циклопропан быстро. В концентрации 4 об. % вызывает аналгезию, 6 об. % - выключает сознание, 8 -10 об. % - вызывает наркоз (III стадии), в концентрации 20-30 об.% - глубокий наркоз.

Подача кислорода должна производиться непрерывно. Необходимо следить за тем, чтобы сохранялась достаточная вентиляция легких и происходило освобождение организма от углекислоты.

1. Исходные данные

Дано:

1- метан СН₄

2- циклопропан С₃Н₆

щ₍СН₄₎ =50 % = 0.5

щ₍С₃Н₆₎ = 50 % = 0.5

l=90 м

Задания:

1. Определение массы газа, находящегося в подземном резервуаре геометрической формы.

Состав, выраженный в единицах молярных и объёмных долей будет следующим

- нахождение молярной доли компонента,

где х_i - молярная доля i-го компонента,

щ_i - массовая доля i-го компонента,

М_i - молярная масса i-го компонента

,

,

- определяю среднюю молярную массу смеси газов,

Где М_i - молярная масса i-го компонента смеси [г(кг)/моль(кмоль)],

щ_i - массовая доля газа i-го компонента

- вычисление массы газовой смеси,

где р_хр - давление хранения [Па],

V - объём газовой смеси (объём резервуара подземного хранилища) [м³],

m_газ.см. - общая масса смеси углеводородов [кг],

R - универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/(моль·К)),

М_ср - средняя молярная масса газовой смеси [кг/моль],

T_хр - температура хранения углеводородов в подземном хранилище.

Ответ: 3,7· 10⁶ кг - масса смеси находящаяся в подземном резервуаре.

2. Находим изменение плотности газа при закачке.

По закону Бойля-Мариотта

 ,

где - давление хранения,

- буферное давление

Ответ: В 4,2 раз увеличилась плотность газа при закачке.

3. Определяем абсолютную плотность смеси газообразных углеводородов при условиях хранения и нормальных условиях, а так же относительную плотность газовой смеси при н.у. по воздуху.

Если записать уравнение Менделеева-Клапейрона в виде , нетрудно увидеть, что левая часть представляет собой плотность газа (газовой смеси) с_{газ. см.}, т.е.

. ,

- относительная плотность газа

.

.

Ответ: Абсолютная плотность смеси газов при условиях хранения равна 128,2 кг/м³;

При нормальных условиях равна 1 кг/м³.

Относительная плотность газовой смеси при нормальных условиях равна 0,8 (тяжелее воздуха).

4. Определяем окислитель и восстановитель в реакциях полного сгорания. Определяем стехиометрические коэффициенты в уравнениях методом электронного баланса. CH₄ + O₂ > CO₂ + H₂O

Для простых веществ степень окисления принимается равной 0. Поэтому С.О. (О₂)= 0

Для СО₂ С.О.(С) = +4; С.О.(О) = -2.

Для Н₂О С.О.(Н) = +1; С.О.(О) = -2.

В молекуле метана имеется 1 атом углерода со С.О.(С) = -4.

С^-4 -8з > С⁺⁴.

Данные процессы относятся к процессам окисления, а углерод является восстановителем в процессе горения. Восстановитель всегда повышает свою С.О.

О₂ + 4з > 2О^-2 - процесс восстановления; кислород, являющийся составной частью воздуха, является окислителем. Окислитель всегда понижает свою степень окисления.

В реакции с СН₄ так же углерод является - восстановителем, а кислород - окислителем

Определим стехиометрические коэффициенты в уравнении химической реакции:



Ответ: Углерод является восстановителем в процессе горения. Восстановитель всегда повышает свою С.О.

О₂ + 4з > 2О^-2 - процесс восстановления; кислород, являющийся составной частью воздуха, является окислителем.

5. Определим объём воздуха, необходимый для полного сгорания смеси газов при н.у.

Для определения объёма воздуха, необходимого для полного сгорания смеси газов при н.у. воспользуемся следующими данными:

CH₄ + 2O₂ > CO₂ + 2H₂O (I),

Вещества:	CH4	O2
1. Соотношения реагирующих веществ:	1	2
2. Масса веществ при н.у., кг:	1.5·104	-
3. Количества реагирующих веществ, кмоль:		0,9·103 · 2 = 1,8·103
4. Объём реагирующих веществ при н.у., м3:	20,2·103	40,4·103

Сухой воздух содержит 21 об.% О₂. Следовательно, объём воздуха, содержащий 40,4·10³ м³ кислорода, составит:

.

Для процесса C₃H₆ + 4,5O₂ > 3CO₂ + 3H₂O (II) имеем:

Вещества:	C3H6	O2
1. Соотношения реагирующих веществ:	1	4,5
2. Масса веществ при н.у., кг:	1,5·104	-
3. Количества реагирующих веществ, кмоль:	0,4·103	1,8·103
4. Объём реагирующих веществ при н.у., м3:	8,96·103	40,32·103

Сухой воздух содержит 21 об. % О₂. Следовательно:

Определяем объём воздуха, необходимый для полного сгорания смеси углеводородов:

Ответ:

6. Определим тепловые эффекты реакций сгорания углеводородов в смеси, в расчёте на 1 моль газовой смеси.

Определим тепловые эффекты реакций сгорания углеводородов (I),(II) и (III), в расчете на 1 моль газовой смеси. Запишем термохимические уравнения протекающих реакций:

(I) CH₄(г) + 2O₂(г) > CO₂(г) + 2H₂O(г) + Д_rH^о_I (Дж/моль);

(II) C₃H₆(г) + 4,5O₂(г) > 3CO₂(г) + 3H₂O(г) + Д_rH^о_II (Дж/моль)

Воспользуемся справочными данными для необходимых расчётов.

Справочные данные термодинамических функций при 298 К

Таблица

Участники реакций	Д f Н°, кДж•моль-1	Д f G°, кДж•моль-1	S°, Дж•К-1•моль-1
CH4(г)	-74,85	-50,79	186,27
C3H6 (г)	53,3	104,45	237,55
Участники реакций	Д f Н°, кДж•моль-1	Д f G°, кДж•моль-1	S°, Дж•К-1•моль-1
O2(г)	0	0	205,138
CO2(г)	-393,51	-394,36	213,74
H2O(г)	-241,82	-228,57	188,83

По следствию из закона Гесса, которое позволяет рассчитывать тепловые эффекты химических реакций:

Стандартная энтальпия химической реакции

равна разности стандартных энтальпий образования продуктов реакции и реагентов (с учетом стехиометрических коэффициентов):

,

где Д _r H^о_Т - изменение энтальпии реакции (тепловой эффект реакции),

н_j, н_i - стехиометрические коэффициенты перед формулами конечных и исходных веществ соответственно,

Д _f H^о_Т (В_j) - стандартная энтальпия образования продуктов реакции (конечных веществ),

Д _f H^о_Т (А _i) - стандартная энтальпия образования исходных веществ реакции.

Получаем:

Д_rH^о_{I, 298} = Д _f H^o₂₉₈(CО₂(г)) + 2·Д _f H^o₂₉₈(H₂O(г)) - (Д _f H^o₂₉₈(CН₄ (г)) + 2·Д _f H^o₂₉₈(О₂(г))) = -393,51 + (-241,82)·2 - (-74,85 + 2·0) = -802,3(кДж/моль);

Д_rH^о_{II, 298} = 3·Д _f H^o₂₉₈(CО₂(г)) + 3·Д _f H^o₂₉₈(H₂O(г)) - (Д _f H^o₂₉₈(C₃Н₆(г)) + 4,5·Д _f H^o₂₉₈(О₂(г))) = -393,51·3 + (-241,82)·3 - (-103,85 + 4,5·0) = -1946,81 (кДж/моль).

Все реакции экзотермичны (Д_rH^о << 0), согласно принципу Бертло-Томсена - самопроизвольны.

Принцип Бертло-Томсена:

А+ВАВ при ДH<0

A+BC+D при ДH<0

Учитывая, что х(CН₄) = 0,72, х(C₃Н₆) = 0,28 рассчитываем тепловые эффекты реакций на 1 моль газовой смеси:

Д_rH^о_I = Д_rH^о_{I, 298} · х(CН₄) = -802,3·0,72 = -577,656(кДж/моль),

Д_rH^о_II = Д_rH^о_{III, 298} · х(C₃Н₆) = -1946,81·0,28 = -545,1 (кДж/моль).

Ответ: Д_rH^о_I=-577,656(кДж/моль), Д_rH^о_II= -545,1 (кДж/моль)

7. Определяем изменение энтропии и энергии Гиббса реакций сгорания углеводородов.

Определение изменения энтропии и энергии Гиббса реакций сгорания углеводородов можно произвести также согласно следствию из закона Гесса:

,

где Д _r S^о_Т - изменение стандартной энтропии реакции,

н_j, н_i - стехиометрические коэффициенты перед формулами конечных и исходных веществ соответственно,

S^о_Т (В_j) - абсолютная энтропия продуктов реакции (конечных веществ),

S^о_Т (А _i) - абсолютная энтропия исходных веществ реакции.

,

где Д _r G^о_Т - изменение энергии Гиббса реакции,

н_j, н_i - стехиометрические коэффициенты перед формулами конечных и исходных веществ соответственно,

Д _f G^о_Т (В_j) - стандартная энергия Гиббса образования продуктов реакции (конечных веществ),

Д _f G^о_Т (А _i) - стандартная энергия Гиббса образования исходных веществ реакции.

Получаем:

Д _r S^o_{I, 298} = S^o₂₉₈(CО₂(г)) + 2·S^o₂₉₈(H₂O(г)) - (S^o₂₉₈(CН₄ (г)) + 2·S^o₂₉₈(О₂(г))) = 213,74 + 2·188,83 - (186,27 + 2·205,138) = -5,146 (Дж·моль-¹·К-¹);

Д _r S^o_{II, 298} = 3·S^o₂₉₈(CО₂(г)) + 3·S^o₂₉₈(H₂O(г)) - (S^o₂₉₈(C₃Н₆ (г)) + 4,5·S^o₂₉₈(О₂(г))) = 3·213,74 + 3·188,83 - (237,55 + 4,5·205,138) = 47 (Дж·моль-¹·К-¹);

_r G^о_{I, 298} = _f G^о₂₉₈(CО₂(г)) + 2· _f G^о₂₉₈(Н₂О(г)) - _f G^о₂₉₈(CН₄(г)) - 2· _f G^о₂₉₈(O₂(г)) = (-394,36) + 2·(-228,57) - (-50,79)- 2·0 = -800,7 (кДж/моль);

_r G^о_{II, 298} = 3· _f G^о₂₉₈(CО₂(г)) + 3· _f G^о₂₉₈(Н₂О(г)) - _f G^о₂₉₈(C₃Н₆(г)) - 4,5· _f G^о₂₉₈(O₂(г)) = 3·(-394,36) + 3·(-228,57) - 104,45 - 4,5·0 = -1973,24 (кДж/моль);

Ответ: Д _r S^o_{II, 298}> 0, так как увеличивается число молекул газообразных веществ, а Д _r S^o_{I, 298} < 0, так как уменьшается число молекул газообразных веществ. _r G^о_{I, 298}, _r G^о_{II, 298} << 0, следовательно, химические процессы термодинамически возможны, т.е. возможно самопроизвольное протекание процессов в прямом направлении.

8. Резервуар с указанными геометрическими параметрами и условиями хранения углеводородной смеси соединили, открыв задвижку со вторым подземным резервуаром V= 10 тыс.м³, в котором хранится такая же смесь при атмосферном давлении и температуре = 288К. Определить температуру газовой смеси, при котором в обоих резервуарах сохранится давление Р_хр, МПа?

Для хранения газообразных углеводородов используют сообщающиеся резервуары. Если в двух сообщающихся резервуарах хранятся газовые смеси при разных условиях 1 и 2

и ,

то можно определить общую массу газов (m₁ + m₂) при объединении резервуаров. Так как при объединении двух сообщающихся подземных резервуаров (открыв задвижку) и сохранении требуемого давления, температура газовой смеси Т изменится:

,

Рассчитаем массу смеси во втором резервуаре.

,

Значение массы газовой смеси возьмем из задачи №1:

m_газ.см.= 3,710⁶ кг; P₃=P_хр=12,510⁶ Па

P₂=P₀=101325 Па T₁=T_хр=272 К

.

Ответ: Т₃=365,1 К.

9. Самый лёгкий газ выделенный из смеси, участвует в изотермическом процессе. При этом получена зависимость между объёмом V и давлением р. Представьте этот цикл в диаграмме V, m?

Определим, какой изопроцесс изображён на каждом участке графика 1-3, а также изменение термодинамических параметров:

участок 1>2: V=const, p увеличивается. Процесс изохорный.

участок 2>3: р=const, V увеличивается. Процесс изобарный.

участок 3>4: V=const, p уменьшается. Процесс изохорный.

участок 4>1: p=const, Vуменьшается. Процесс изобарный.

Физическое состояние массы газа определяется тремя термодинамическими параметрами: давлением р, объемом V и температурой Т. Между этими параметрами существует определенная связь, называемая уравнением состояния, задаваемая в общем виде дается выражением ,где каждая из переменных является функцией двух других.

Уравнение - Клапейрона для массы m газа

Изобразим зависимость, представленную в координатах V = f(т).

10. Опишите пожароопасные свойства газообразных веществ, составляющих смесь, а также средства тушения пожаров с их участием?

Метан, СН₄

Физико-химические свойства:

Бесцветный газ. Мол. масса 16,04; плотность

0,7168 кг/м³ при 0 °С; т. кип. 161,58°С; lg p = 5,68923 - 380,224/(264,804 + t) при т-ре от -182 до -162 °С; коэффициент диф. газа в воздухе 0,196 см²/с; тепл. образов. -74,8 кДж/моль; теплота сгорания -802 кДж/моль.

Пожароопасные свойства: Горючий газ. Т. самовоспламенения 535°С; конц. Пределы распр. пл.: в воздухе 5,28-14,1% об., в кислороде 5,1-61% об., в гемиоксиде азота 4,3-22,9% об., в оксиде азота 8,6-21,7% об., в хлоре 5,6-70% об.; макс. давление взрыва 706 кПа; макс. скорость нарастания давление 18 МПа/с; норм. Скорость распр. пл. 0,338 м/с; минимальная энергия зажигания 0,28 мДж в воздухе и 0,0027 мДж в кислороде; минимальная. флегм. коненрация. разбавителя, % об.: N 37, Н₂О 29, СО₂ 24, Аr 51, Н2 39, CC_l4 13; МВСК 11% об.

Средства тушения: Инертные газы.

Циклопропан, С₃Н₆

Физико-химические свойства: Бесцветный газ. Мол. масса 42,08; т. кип. -32,8 °С;

Коэффициент диф. газа в воздухе 0,1005 см²/с; теплота образов. 53,3 кДж/моль; теплота сгорания -2091 кДж/моль.

Пожароопасные свойства: Горючий газ. Т. самовоспламенения 500°С; концентрационные пределы распр. пл. 2,4-10,3% об.; норм. скорость распр. пл. 0,556 м/с; минимальная энергия зажигания 0,17 мДж; МВСК 11,9% об. при разбавлении азотом, 14,2% об. при разбавлении диоксидом углерода и 11,5% об. при разбавлении гелием.

Средства тушения: Инертные газы.

Заключение

В ходе выполнения курсовой работы мною был сделан вывод о том, что температура самовоспламенения у циклопропана меньше чем у метана (500 °С<535 °С) - что говорит о том, что циклопропан более чувствителен к высоким температурам. Эти вещества можно потушить примерно одинаковыми средствами тушения, которыми являются газы. Смесь веществ хорошо горит на воздухе. Тепловые эффекты реакций сгорания углеводородов в смеси равны: Д_rH^о_I = -577,656(кДж/моль), Д_rH^о_II = -545,1 (кДж/моль). Определил энтропию и энергию Гиббса реакций сгорания углеводородов: Д _r S^o_{II, 298} > 0, так как увеличивается число молекул газообразных веществ во всех реакциях. _r G^о_{I, 298}, _r G^о_{II, 298} << 0, следовательно, химические процессы термодинамически возможны, т.е. возможно самопроизвольное протекание процессов в прямом направлении. Были изучены пожароопасные свойства циклопропана и метана. При выполнении данной курсовой работы были рассчитанны тепловые эффекты реакций сгорания углеводородов, изменение энтропии и энергии Гиббса реакций сгорания углеводородов. Данная курсовая работа позволила более углубленно изучить в ходе работы пожароопасных свойств химических веществ и основы органической химии в целом.

химический метан газ углеводород

Литература

ФЗ Российской Федерации от 22 июля 2008 г. №123-ФЗ «Технический регламент о требованиях безопасности».

Глинка Н.Л. Общая химия. - М.: Издательство Юрайт; ИД ЮРАЙТ, 2011.-886 с.

Корольченко А.Я., Корольченко Д.А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник: в 2-х ч. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Асс. «Пожнаука», 2004. - Ч.I. -713 с.

Корольченко А.Я., Корольченко Д.А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник: в 2-х ч. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Асс. «Пожнаука», 2004. - Ч.II. -774 с.

Окислительно-восстановительные реакции. Учебное пособие / Сост.: С.В. Тимофеева, А.С. Белоголовцев, Л.Н. Чеснокова. - Иваново: ОН и РГ ИвИ ГПС МЧС России, 2006. - 20 с.

Пожарно-техническая энциклопедия. - Екатеринбург: Калан, 2004.- 205 с.

Пожарно-техническая энциклопедия. - Екатеринбург: Калан, 2004. - 205с.

Справочное руководство по химии: Справ. пособие/А.И. Артёменко, В.И. Тикунова, В.А. Малеванный. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2003. - 367с.

Тимофеева С.В. Основные понятия и законы химии. Методические указания. - Иваново. ОН и РГ, 2004.- 23 с.

Химические системы: химическая термодинамика и кинетика. Учебное пособие / Сост.: Е.В. Козловский, Л.Н. Чеснокова. - Иваново: ООНИ ИвИ ГПС МЧС России, 2011. - 99 с.

Размещено на Allbest.ru