Научная статья на тему 'Расчетный метод определения детонационной стойкости алканов C1 - C4. Верификация метода по октановым числам'

Расчетный метод определения детонационной стойкости алканов C1 - C4. Верификация метода по октановым числам Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
147
41
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПОПУТНЫЙ НЕФТЯНОЙ ГАЗ / ГАЗОПОРШНЕВАЯ УСТАНОВКА / ДЕТОНАЦИЯ / ТЕМПЕРАТУРА САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ / ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ / СТЕПЕНЬ СЖАТИЯ / ВЕРИФИКАЦИЯ / ОКТАНОВОЕ ЧИСЛО / ASSOCIATED PETROLEUM GAS / GAS PISTON UNIT / DETONATION / SELF-IGNITION TEMPERATURE / ACTIVATION ENERGY / COMPRESSION RATIO / VERIFICATION / OCTANE NUMBER

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Диденко Валерий Николаевич, Фахразиев Ильшат Индусович, Мартынов Александр Игоревич

Рассматривается применение метода расчетного определения границ нестабильной детонации природного газа в газопоршневых установках для определения детонационной стойкости алканов C 1 C 4 (метан; этан; пропан и бутан). Детонация рассматривается как результат самовоспламенения газовой смеси при ее неизотермическом сжатии в цилиндре газопоршневой установки. Используется понятие верхнего и нижнего пределов температуры воспламенения углеводородных газов. Границы области нестабильной детонации определяются совместным решением уравнения Н.Н. Семенова, связывающего температуру и давление газа при самовоспламенении, с уравнением изменения температуры газа при политропном сжатии. В качестве источника опытных данных о величине детонационной степени сжатия индивидуального алкана, используется его октановое число по исследовательскому методу (ОЧИ). Идентификатором расчетных и опытных значений детонационной степени сжатия принимается верхний предел температуры самовоспламенения алкана. Используются данные ИХФ РАН по величине энергии активации задержки воспламенения алканов C 1 C 4 и объясняется немонотонный характер изменения опытных (по ОЧИ) значений детонационной степени сжатия при увеличении числа атомов углерода в молекуле алкана. Получено хорошее согласование расчетных и опытных (по ОЧИ) значений детонационной степени сжатия, позволяющее распространить разработанный авторами метод расчетного определения границ нестабильной детонации природного газа в газопоршневых установках на все алканы C 1 C 4 (метан, этан, пропан и бутан).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Диденко Валерий Николаевич, Фахразиев Ильшат Индусович, Мартынов Александр Игоревич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Calculation Method for Determining Detonation Resistance of C1 - C4 Alkanes. Verification of the Method by Octan Numbers

The application of a calculation method for determining the boundaries of natural gas unstable detonation in gas reciprocating plants to determine the detonation resistance of C1 C4 alkanes (methane; ethane; propane and butane) is considered. Detonation is considered as a result of the gas mixture self-ignition during its non-isothermal compression in the cylinder of the gas piston unit. The concept of the upper and lower limits of hydrocarbon ignition temperature gases is used. The boundaries of unstable detonation region are determined by a joint solution of the N.N. Semenov equation relating gas temperature and pressure during self-ignition to the equation of gas temperature change during polytropic compression. As a source of experimental data on the value of an individual alkane detonation compression ratio, its octane number is used according to the research method (RON). The identifier of the calculated and experimental values of the detonation compression ratio is the upper limit of the alkane self-ignition temperature. The data of the Institute of Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences on the activation energy of the ignition delay of C1 C4 alkanes are used and the nonmonotonic nature of the change in the experimental (in the RON) values of the detonation compression ratio with increasing number of carbon atoms in the alkane molecule is explained. Good agreement has been obtained between the calculated and experimental (in terms of RON) values of the detonation compression ratio, which makes it possible to extend the method developed by the authors for calculating the boundaries of natural gas unstable detonation in gas piston units to all C1 C4 alkanes (methane, ethane, propane, and butane).

Текст научной работы на тему «Расчетный метод определения детонационной стойкости алканов C1 - C4. Верификация метода по октановым числам»

УДК 662.612.12+662.612.15 DOI: 10.15350/17270529.2020.1.8

РАСЧЕТНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕТОНАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ АЛКАНОВ С1 - С4. ВЕРИФИКАЦИЯ МЕТОДА ПО ОКТАНОВЫМ ЧИСЛАМ

ДИДЕНКО В. Н., ФАХРАЗИЕВ И. И., МАРТЫНОВ А. И.

Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова, 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7

АННОТАЦИЯ. Рассматривается применение метода расчетного определения границ нестабильной детонации природного газа в газопоршневых установках для определения детонационной стойкости алканов C1 - C4 (метан; этан; пропан и бутан). Детонация рассматривается как результат самовоспламенения газовой смеси при ее неизотермическом сжатии в цилиндре газопоршневой установки. Используется понятие верхнего и нижнего пределов температуры воспламенения углеводородных газов. Границы области нестабильной детонации определяются совместным решением уравнения Н.Н. Семенова, связывающего температуру и давление газа при самовоспламенении, с уравнением изменения температуры газа при политропном сжатии. В качестве источника опытных данных о величине детонационной степени сжатия индивидуального алкана, используется его октановое число по исследовательскому методу (ОЧИ). Идентификатором расчетных и опытных значений детонационной степени сжатия принимается верхний предел температуры самовоспламенения алкана. Используются данные ИХФ РАН по величине энергии активации задержки воспламенения алканов Q - C4 и объясняется немонотонный характер изменения опытных (по ОЧИ) значений детонационной степени сжатия при увеличении числа атомов углерода в молекуле алкана. Получено хорошее согласование расчетных и опытных (по ОЧИ) значений детонационной степени сжатия, позволяющее распространить разработанный авторами метод расчетного определения границ нестабильной детонации природного газа в газопоршневых установках на все алканы Q - C4 (метан, этан, пропан и бутан).

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: попутный нефтяной газ, газопоршневая установка, детонация, температура самовоспламенения, энергия активации, степень сжатия, верификация, октановое число.

В соответствие с государственной топливно-энергетической политикой РФ, бесполезное и неэкологическое сжигание попутного нефтяного газа (ПНГ) в факелах должно быть полностью исключено или существенно ограничено. По этой причине, актуальным становится использование ПНГ в качестве моторного топлива для газопоршневых установок (ГПУ) различного назначения, например, приводов генераторов газовых электростанций на нефтепромыслах. Изготовители ГПУ предъявляют к ПНГ ряд требований, необходимых для обеспечения безаварийной работы ГПУ при сохранении приемлемых значений мощности и термического коэффициента полезного действия [1]. Основным препятствием на пути широкого использования метода утилизации ПНГ путем его сжигания в ГПУ является низкая детонационная стойкость ПНГ. Детонационную стойкость газового моторного топлива оценивают по его октановому (или метановому) числу, опосредованно характеризующему максимальную степень сжатия топливной смеси в цилиндре ГПУ, начиная с которой происходит детонация смеси. При этой степени сжатия температура топливной смеси повышается до температуры ее самовоспламенения, далее происходит самовоспламенение и детонация смеси. Исследования, проведенные авторами, не затрагивают сложную динамику процесса детонации топливной смеси в ГПУ и ограничиваются первым актом процесса - самовоспламенением топлива. В данной работе под степенью сжатия £ понимается отношение рабочего объема цилиндра ГПУ (У) к текущему значению объема ( У2), занимаемого газом при его сжатии: £ = У / У.

Для штатных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), с постоянными размерами цилиндра и ходом поршня, значение £ является постоянной (паспортной) величиной. Изменение £ предусмотрено лишь в специальных и стандартизованных ДВС, предназначенных для определения октанового (метанового) числа топлива.

Как известно, при постоянном показателе политропы n, величина термического КПД ДВС, работающих по циклу Отто:

V*=1 —h, (1)

s

c ростом s эффективно повышается только до значений s = 10....12 (у реальных ДВС s = 4 - 9). Моторное топливо с низкой детонационной стойкостью может быть использовано только в ДВС с малым значением s, но уменьшение s снижает ^ и, при V = const и постоянном числе оборотов ДВС, приводит к понижению мощности двигателя.

В работе [2] был предложен метод расчетного определения границ нестабильной детонации природного газа в цилиндрах двигателей ГПУ. Предполагалось, что природный газ обладает свойствами метана. Особенностью метода было введение понятия «нижнего»

(С ) и «верхнего» (С ) пределов температуры самовоспламенения (tCB ) углеводородного газа, под которыми соответственно понимались наименьшее и наибольшее опытные

, v_min .¿max -,-r ,

значения tCB для этого газа: tCB и tCB . Для учета влияния давления на tCB использовалась зависимость [3]:

Р E

ln-CB «-+ B, (2)

Т2 9 ИТ

1СВ 2R1 СВ

где TCB - температура самовоспламенения, К; B - постоянная величина, зависящая от состава смеси и условий теплоотдачи; Рев - давление газо-воздушной смеси при самовоспламенении, МПа; E - эффективная энергия активации предпламенных реакций; R - универсальная газовая постоянная.

В данной работе, как промежуточный этап разработки способа расчетной оценки детонационных характеристик ПНГ по их составу, исследуется возможность распространения метода [2] на другие углеводородные газы, а именно - алканы С1 - С4: метан, этан, пропан и бутан. Для этого необходимо знание их E и опытных (или расчетных

[4]) значений t^B и tВ. Для верификации метода, при его применении к другим

углеводородным газам необходимы опытные данные о величине s в начале детонации газовой смеси. Эти значения не приводятся в характеристиках газомоторного топлива, а вся информация о его детонационной стойкости содержится в неявном виде в его октановом (или метановом) числе. В данной работе, в качестве источника опытных данных о величине s в момент начала детонации индивидуального алкана, использовалось его октановое число. В настоящее время октановое число определяется в РФ по соответствующим ГОСТ двумя методами: исследовательским и моторным. Оба метода предусматривают испытание топлива при определенных условиях в стандартизированных одноцилиндровых двигателях с изменяемой величиной s. В этих испытаниях величина s, соответствующая началу детонации топлива («детонационная степень сжатия» £д ), фиксируется при появлении в

цилиндре работающего ДВС характерного металлического «стука» определенной интенсивности. Интенсивность детонации определяется по показаниям специальных

датчиков, входящих в состав стандартизированной установки. Значение £д испытуемого топлива сравнивается с £д эталонного топлива, состоящего из смеси двух углеводородов:

изооктана (октановое число равно 100) и нормального гептана (октановое число равно 0). Испытуемому топливу присваивается октановое число, равное процентному содержанию

октана в эталонном топливе с таким же значением £д . Одним из главных отличий

исследовательского метода от моторного является величина начальной температуры топливной смеси: 25 - 35 °С - в исследовательском методе и 149 - 150 °С - в моторном.

Как следует из [2], значение £д может быть определено из решения трансцендентного уравнения:

T

E

1 + — -лц

1 ^ n—1 'loi

SM

2 R •

ln

P

(

' Д T2 T1

1

\

1 + ^г-лч

n—1 'Ol

V SM

- B

= 0,

(3)

где Т - начальная температура, К; р - начальное давление, МПа; г]ц - внутренний

относительный КПД цикла ( т]цы < 1).

Значение В определяется из уравнения (2) по заданной температуре самовоспламенения при начальном давлении р и начальной температуре Т. Опытные значения нижнего и верхнего пределов температуры самовоспламенения углеводородных газов (С и С ), принятые в расчетах, представлены в табл. 1.

Таблица 1

Значения верхнего и нижнего пределов температуры самовоспламенения углеводородных газов, принятые в расчетах

Параметры Газ

Метан СН4 Этан С2Н6 Пропан С3Н8 Бутан С 4Н10

Пределы температуры самовоспламенения tн, 0С 537 510 466 372

tв, 0С св' 800 694 588 570

В методе [2] проблемным является выбор значений эффективной энергии активации предпламенных реакций E. В работах ряда исследователей, например [5] и [6], отмечается близость значений E для всех углеводородных газов, поскольку начальная стадия самовоспламенения этих газов имеет общий механизм и, следовательно, примерно одинаковую энергию активации. Так по данным [7], значения энергии активации предпламенных реакций E этана, пропана и бутана находятся в диапазоне 40±10 ккал/моль. В двух сериях экспериментов [8], проведенных в Институте химической физики имени Н.Н. Семенова РАН, были получены следующие значения «энергии активации задержки воспламенения» индивидуальных алканов C1 - C4: метан - 28 и 35 ккал/моль; этан - 42 и 52 ккал/моль; пропан -38 и 48 ккал/моль; бутан - 29 и 37 ккал/моль.

В табл. 2 приведены осредненные значения энергии активации предпламенных реакций алканов C1 - C4 , принятые в расчетах на основании данных экспериментов [8].

Таблица 2

Усредненные значения энергии активации предпламенных реакций алканов C1 - C4 [8],

принятые в расчетах

Параметры Газ

Метан СН4 Этан С2Н6 Пропан С3Н8 Бутан С 4Н10

Энергия активации предпламенных реакций, E, кДж/моль 131,98 196,94 180,16 138,26

В работе [2] при Е = 124,024 кДж/моль по известным ^ и и п (табл. 1) определялись значения еН и еД, обеспечивающие область значений £„ с нестабильной

детонацией для природного газа. В табл. 3 представлены расчетные и £ВД для алканов С\ - С4, полученные по методу [2] при индивидуальных значениях Е (табл. 2) и опытных значениях ^ и ^ (табл. 1).

Таблица 3

Расчетные значения в1^ и £ на границах области нестабильной детонации для алканов С1 - С4

при индивидуальных значениях Е (табл. 2)

Параметры Газ

Метан СН4 Этан С2Н6 Пропан С3Н8 Бутан С 4Н10

£д 8,6505 10,444 8,911 6,035

£Д< 12,727 15,362 11,814 9,511

Значения ^ и , индивидуальные для каждого алкана, являются стохастическими величинами, зависящими от множества факторов. Стохастический характер также носит величина , зависящая от условий определения октанового числа газа в сертифицированных установках с использованием специальных датчиков интенсивности детонации. В экспериментах по определению ОЧИ из всех значений £ выбирается то

единственное (и наименьшее), при котором уровень интенсивности «стука» достигает нормированного значения, не превышающего его максимального уровня при стабильной детонации. В плане верификации метода [2], логично предположить, что значение £д, фиксируемое в опытах по определению октанового числа по исследовательскому методу(ОЧИ), должно принадлежать расчетной области нестабильной детонации £ — £Вд.

В табл. 6 - 9 представлены результаты расчетного определения £д для метана, этана, пропана и бутана при индивидуальных значениях Е (табл. 2) и температурах самовоспламенения (СВ в диапазоне от С до С (табл. 1). Во всех расчетах начальная температура топливной смеси принималась средним значением +30 °С. Расчетные значения £ алканов С1 - С4 по методу [2], сравнивались со значениями £, соответствующих октановому числу по исследовательскому методу (ОЧИ) алканов (табл. 4 и рис. 1, табл. 5). В результате сравнения определялось единственное для каждого алкана значение (СВ, при котором обеспечивалось наилучшее согласование расчетных и опытных (по ОЧИ) значений £д . Таким образом, температуре 1СВ, принадлежащей области значений от С

до ^, придавалась роль идентификатора расчетных и опытных величин £

(при постоянных п и ) (табл. 4 и рис. 1, табл. 5).

Таблица 4

Справочные значения октанового числа некоторых углеводородов [9]

Вещество ОЧМ ОЧИ

Метан 110,0 107,5

Пропан 100,0 105,7

н - бутан 91,0 93,6

Изобутан 99,0 101,1

1 с 7 в э « и а ¡з п Степень сжат ия детонации

Рис. 1. График соответствия ОЧИ степени сжатия

Таблица 5

Таблица соответствия ОЧИ степени сжатия для высокооктановых видов топлива [11]

Смесь, % по объему

Степень сжатия Необходимое октановое число Бензин (октановое Бензол Метанол Этанол Ацетон Нитробензол

число 70)

7 - 8 85 70 30 - - - -

8 - 9 90 50 50 - - - -

9 - 10 95 80 10 10 - - -

10 - 11 97 50 25 25 - - -

11 - 12 100 20 40 40 - - -

12 - 13 110 10 30 60 - - -

- 50 50 - - -

13 - 14 115 10 10 70 - 10 -

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

- 20 80 - - -

14 - 15 120-125 - 10 90 - - -

- - 100 - - -

- - 90 - 10 -

- 10 80 - 10 -

5 5 - 80 10 -

4 10 80 - 6 -

- - 80 - 15 5

- 10 75 - 10 5

Таблица 6

Результаты расчетного определения детонационной степени сжатия (ед ) для метана (ОЧИ = 107,5) при Е = 131,98 кДж/моль [8] и различных значениях температуры самовоспламенения (св в диапазоне от = 800 °С до = 537 °С

Параметры Температура самовоспламенения, , °С

800 747,4 735 668,5 537

Постоянная В в уравнении (2) -23,642 -23,923 -23,994 -24,414 -25,481

Детонационная степень сжатия () Расчет 12,727 11,963 11,779 10,7645 8,6505

Опыт (по ОЧИ=107,5) И 12,6

Таблица 7

Результаты расчетного определения детонационной степени сжатия (ед ) для этана (ОЧИ = 116 [12]) при Е = 196,94 кДж/моль [8] и различных значениях температуры самовоспламенения (св в диапазоне от ^ = 694 °С до Н = 5Ш °С

Параметры Температура самовоспламенения, , 0С

694 661,2 653 612 510

Постоянная В в уравнении (2) -28,284 -28,645 -28,740 -29,242 -30,739

Детонационная степень сжатия (£ ) Расчет 15,362 14,471 14,249 13,142 10,444

Опыт (по ОЧИ=116) И 15,4

Таблица 8

Результаты расчетного определения детонационной степени сжатия ( ед ) для пропана (ОЧИ = 105,7) при Е = 180,16 кДж/моль [8] и различных значениях температуры самовоспламенения /св в диапазоне от гВв = 588 °С до = 466 °С

Параметры Температура самовоспламенения, ^, 0С

588 571,2 567 546 466

Постоянная В в уравнении (2) -28,388 -28,598 -28,653 -28,933 -30,159

Детонационная степень сжатия ( £д ) Расчет 11,814 11,408 11,307 10,803 8,911

Опыт (по ОЧИ=105,7) И 11,8

Таблица 9

Результаты расчетного определения детонационной степени сжатия ( ед ) для бутана (ОЧИ = 97,35) при Е = 138,26 кДж/моль [8] и различных значениях температуры самовоспламенения (св в диапазоне от = 570 °С до Н = 372 °С

Параметры Температура самовоспламенения, ^, 0С

570 542 535 500 372

Постоянная В в уравнении (2) -25,625 -25,897 -25,967 -26,345 -28,117

Детонационная степень сжатия ( £д ) Расчет 9,511 9,023 8,900 8,284 6,035

Опыт (по ОЧИ=97,35) И 9,5

В ГОСТ на определение октанового числа бутана, н-бутан и изобутан учитываются совместно и октановое число бутана берется их средним значением 97,35.

Как следует из сравнения опытных и расчетных значений £ (табл. 6 - 9), хорошее

согласование расчетных и опытных (по ОЧИ) значений £ для всех алканов С1 - С4 обеспечивается при = Хдв. Значения 1СВ и £д, определенные из этого равенства (по 1дв) соответствуют значениям £ на границе стабильной (100%-ной) и нестабильной детонации. Данный результат вполне объясним, если соотнести его со способом фиксации опытных

значений £д по показаниям датчика интенсивности детонации. Таким образом, (при заданных п и тЦ ) в качестве идентификатора расчетных и опытных величин £д следует использовать верхний предел температуры самовоспламенения , известный для данного алкана из независимых опытов или расчетов [4]). Дальнейшие расчеты для всех алканов (табл. 10) выполнялись при = . Поскольку индивидуальные значения Е достоверно известны не для всех углеводородов ПНГ, то представляет практический интерес сравнение расчетных значений £д углеводородных газов С\ - С4 при средних и индивидуальных

значениях Е. Результаты такого сравнения представлены в табл. 10. Средняя величина Е алканов С1 - С4 принята значением Е = 40 ккал/моль(167,6кДж/моль) и Е = 29,6 ккал/моль (124,024 кДж/моль).

Таблица 10

Результаты расчетного определения детонационной степени сжатия (£ д) при средних и при индивидуальных [8] значениях энергии активации углеводородов С1 - С4

Параметры Газ

Метан СН4 Этан С2Н6 Пропан С3Н8 Бутан С 4Н10

^С В , С 800 694 588 570

Средняя Е = 167,6 кДж/моль

Постоянная В в уравнении (2) -25,638 -26,460 -27,511 -27,718

Степень сжатия £д (расчетная) 15,899 13,605 11,262 10,863

Средняя Е = 124,024 кДж/моль

Постоянная В в уравнении (2) -23,196 -23,750 -24,467 -24,610

Степень сжатия £д (расчетная) 11,968 10,560 9,039 8,772

Индивидуальные Е, кДж/моль

Е, кДж/моль 131,980 196,94 180,160 138,260

Степень сжатия £д (расчетная) 12,727 15,362 11,814 9,511

Опытные значения £д (по ОЧИ)

Степень сжатия £д (опытная) И 12,6 И 15,4 И 11,8 И 9,5

Октановое число (ОЧИ) 107,5 116 105,7 97,35

Из анализа значений £д в табл. 10 для алканов С1 - С4 при начальной температуре смеси +30 °С следует различие в характере изменения расчетных £д в зависимости от принятия Е средними или индивидуальными значениями. Так при средних для всех газов значениях (Е = 167,6 кДж/моль и Е = 124,024 кДж/моль) расчетная величина £д монотонно

убывает с увеличением числа атомов углерода в молекуле алкана, а в случае принятия Е индивидуальными значениями, величина £д имеет явный экстремум для этана.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Полученные результаты позволяют распространить метод [2] на все алканы C1 - C4.

2. Использование опытных данных [8] ИХФ АН РФ по энергии активации «задержки воспламенения» алканов C1 - C4 позволило объяснить немонотонный характер изменения опытных (по ОЧИ) значений £д при увеличении числа атомов углерода в молекуле алкана.

3. Установлено, что для каждого алкана в качестве идентификатора расчетных и опытных величин £д (при заданных n и /Ц ) следует использовать верхний предел

температуры самовоспламенения данного алкана.

4. Результаты расчетного определения £д существенно зависят от используемых значений энергии активации предпламенных реакций. При средних значениях E величина £ монотонно убывает с увеличением числа атомов углерода в молекуле алкана, что

противоречит характеру изменения £д в опытах по определению ОЧИ.

5. При использовании в расчетах индивидуальных значений энергии активации предпламенных реакций и параметра идентификации tCB = t^B, получено хорошее согласование расчетных и опытных (по ОЧИ) значений детонационной степени сжатия для всех алканов C1- C4

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Иванов С. С., Тарасов М. Ю. Требования к подготовке растворенного газа для питания газопоршневых двигателей // Нефтяное хозяйство. 2011. № 1 С. 102-105.

2. Диденко В. Н., Фахразиев И. И., Мерзлякова К. С. Метод расчетного определения границ нестабильной детонации природного газа в газопоршневых установках // Химическая физика и мезоскопия. 2018. Т. 20, № 2. C. 202-210.

3. Семенов Н. Н. Цепные реакции / 2-е изд., испр. и доп. М.: Наука, 1986. 535 с.

4. Диденко В. Н., Фахразиев И. И. Мартынов А. И. Феноменологический метод расчетного определения температуры самовоспламенения смеси углеводородных газов // Химическая физика и мезоскопия. 2019. Т. 21, № 3. C. 386-395.

5. Розловский А. И. Научные основы техники взрывобезопасности при работе с горючими газами и парами. М.: Химия, 1972. 365 с.

6. Соколик А. С. Самовоспламенение, пламя и детонация в газах. М.: Изд-во Академии наук СССР, 1960.

427 с.

7. Burcat A., Scheller K., Lifshitz A. Shock-tube investigation of comparative ignition delay times for C1-C5 alkanes // Combustion and Flame, 1971, vol. 16, no. 1, pp. 29-33.

8. 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. С. 23-34.

9. Октановое число. Распределение октанового числа. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Октановое число (дата обращения 25.12.2019).

10. Гуреев А. А., Азев В. С. Автомобильные бензины. Свойства и применение: Учебное пособие для вузов. М.: Нефть и газ, 1996. 444 с.

11. Спирто-бензиновые топливные смеси. Некоторые составы топливных смесей // Катера и Яхты. 1984, № 107. URL: http://www.barque.ru/shipbuilding/1984/alcohol gasoline fuel mixtures (дата обращения 30.12.2019).

12. Октановое число. Газпром. Информаторий. URL: http://www.gazprominfo.ru/terms/octane-number/ (дата обращения: 14.01.2020).

Calculation Method for Determining Detonation Resistance of C1 - C4 Alkanes. Verification of the Method by Octan Numbers

Didenko V. N., Fakhraziev I. I., Martynov A. I.

Kalashnikov Izhevsk State Technical University, Izhevsk, Russia

SUMMARY. The application of a calculation method for determining the boundaries of natural gas unstable detonation in gas reciprocating plants to determine the detonation resistance of C - C4 alkanes (methane; ethane; propane and

butane) is considered. Detonation is considered as a result of the gas mixture self-ignition during its non-isothermal compression in the cylinder of the gas piston unit. The concept of the upper and lower limits of hydrocarbon ignition temperature gases is used. The boundaries of unstable detonation region are determined by a joint solution of the N.N. Semenov equation relating gas temperature and pressure during self-ignition to the equation of gas temperature change during polytropic compression. As a source of experimental data on the value of an individual alkane detonation compression ratio, its octane number is used according to the research method (RON). The identifier of the calculated and experimental values of the detonation compression ratio is the upper limit of the alkane self-ignition temperature. The data of the Institute of Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences on the activation energy of the ignition delay of C - C4 alkanes are used and the nonmonotonic nature of the change in the experimental (in the RON) values of the detonation compression ratio with increasing number of carbon atoms in the alkane molecule is explained. Good agreement has been obtained between the calculated and experimental (in terms of RON) values of the detonation compression ratio, which makes it possible to extend the method developed by the authors for calculating the boundaries of natural gas unstable detonation in gas piston units to all Ci - C4 alkanes (methane, ethane, propane, and butane).

KEYWORDS: associated petroleum gas, gas piston unit, detonation, self-ignition temperature, activation energy, compression ratio, verification, octane number.

REFERENCES

1. Ivanov S. S., Tarasov M. Yu. Trebovaniya k podgotovke rastvorennogo gaza dlya pitaniya gazoporshnevykh dvigateley [Requirements for the associated gas treatment for gas-cylinder engines supply]. Neftyanoe khozyaystvo [Oil industry], 2011, no. i. pp. 102-105.

2. Didenko V. N., Fakhraziev I. I., Merzlyakova K. S. Metod raschetnogo opredeleniya granits nestabil'noy detonatsii prirodnogo gaza v gazoporshnevykh ustanovkakh [Method of calculating definition of borders of unstable detonation of natural gas in gas-standing installations]. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya [Chemical Physics and Mesoscopy], 2018, vol. 20, no. 2, pp. 202-210.

3. Semenov N. N. Tsepnye reaktsii [Chain reactions]. 2-e izd., ispr. i dop. Moscow: Nauka Publ., 1986. 535 p.

4. Didenko V. N., Fakhraziev I. I. Martynov A. I. Fenomenologicheskiy metod raschetnogo opredeleniya temperatury samovosplameneniya smesi uglevodorodnykh gazov [Phenomenological method of determining the auto-ignition temperature of hydrocarbon gases mixtures]. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya [Chemical Physics and Mesoscopy], 2019, vol. 21, no. 3, pp. 386-395.

5. Rozlovskiy A. I. Nauchnye osnovy tekhniki vzryvobezopasnosti pri rabote s goryuchimi gazami i parami [Scientific principles of explosion safety technology for working with combustible gases and vapors]. Moscow: Khimiya Publ., 1972. 365 p.

6. Sokolik A. S. Samovosplamenenie, plamya i detonatsiya v gazakh [Self-ignition, flame and detonation in gases]. Moscow: Akademii nauk SSSR Publ., 1960. 427 p.

7. Burcat A., Scheller K., Lifshitz A. Shock-tube investigation of comparative ignition delay times for C1-C5 alkanes. Combustion and Flame, 1971, vol. 16, no. 1, pp. 29-33. https://doi.org/10.1016/S0010-2180(71)80007-X

8. Nikitin A. V., Troshin K. Ya., Belyaev A. A., Arutyunov A. V., Kiryushin A. A., Arutyunov V. S. Gazomotornoe toplivo iz poputnogo neftyanogo gaza. Selektivnyy oksikreking tyazhelykh komponentov PNG [Gas motor fuel from associated petroleum gas. selective oxycracking of heavier components of APG]. Neftegazokhimiya [Petrochemicals], 2018, no. 3, pp. 23-34. https://doi.org/10.24411/2310-8266-2018-10301

9. Oktanovoe chislo. Raspredelenie oktanovogo chisla [Octane rating. Effects]. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Octane rating (accessed December 25, 2019).

10. Gureev A. A., Azev V. S. Avtomobil'nye benziny. Svoystva i primenenie: Uchebnoe posobie dlya vuzov [Car gasoline. Properties and application: Textbook for universities.]. Moscow: Neft' i gaz Publ., 1996. 444 p.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

11. Spirto-benzinovye toplivnye smesi. Nekotorye sostavy toplivnyh smesej [Alcohol-gasoline fuel mixtures. Some compositions of fuel mixtures]. Katera i Yakhty [Boats and Yachts], 1984, no. 107. URL: http://www.barque.ru/shipbuilding/1984/alcohol gasoline fuel mixtures (accessed December 25, 2019).

12. Oktanovoe chislo. Gazprom Informatorij [Octane number. Gazprom Informatorium]. URL: http://www.gazprominfo.ru/terms/octane-number/ (accessed January 14, 2020).

Диденко Валерий Николаевич, доктор технических наук, профессор, ИжГТУ имени М. Т. Калашникова, e-mail: rsg07-9624@udm.net

Фахразиев Ильшат Индусович, ассистент, ИжГТУ имени М. Т. Калашникова Мартынов Александр Игоревич, магистрант ИжГТУ имени М.Т.Калашникова

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.