Топ-10 горючих газов — характеристики, LEL/UEL, SDS

Говоря о горючих газах, мы имеем в виду природные газы (например, метан), горючие чистые вещества (например, водород), а также продукты испарения легковоспламеняющихся и летучих веществ или жидкостей (например, ацетон).

При работе с горючими и взрывоопасными газами крайне важно знать рабочие пределы этих веществ. Поэтому всегда необходимо читать прилагаемые паспорта безопасности (Safety Data Sheets, SDS) на продукты, с которыми вы работаете, чтобы понимать риски.

В этой статье мы рассматриваем характеристики следующих горючих газов: аммиак, ацетилен, бутан, угарный газ (монооксид углерода), водород, метан, пропан, этан, этилен, силан и трифторид хлора.

Официальные определения газов и паров

По определению, согласно Глобально согласованной системе классификации и маркировки химических веществ (GHS): горючий газ — это газ, имеющий диапазон воспламеняемости при стандартных условиях (STP: 20℃ и 101,3 кПа). Эти условия считаются нормальными.

• Термин “газы” относится к веществам, которые находятся в газообразном состоянии при нормальных атмосферных условиях. Примеры: водород или метан.
• Термин “пары” относится к газообразной фазе над веществом, которое при нормальных атмосферных условиях является жидкостью, но выделяет пары, способные входить в диапазон воспламеняемости при этих условиях.

Инертные газы, окислители и горючие газы

Газы обычно делят на три группы:

• Окислители
• Инертные газы
• Горючие газы

Инертное вещество просто не вступает в реакцию с другими веществами — например, благородные газы: гелий, аргон, криптон, неон и радон. Ещё один хорошо известный инертный газ — углекислый газ (CO₂).

Кислород не является горючим, как и бром в газообразном состоянии, но оба являются окислителями и поддерживают интенсивное горение. Бром — единственный жидкий неметаллический элемент — становится газом лишь при 58℃, что обычно не происходит на поверхности Земли, где максимальная зарегистрированная температура составила 56,7℃ в Долине Смерти в 1913 году.

Понимая роль окислителей и инертных газов, перейдём к главной теме: горючим газам.

Пределы воспламеняемости — когда горючий газ загорается?

Что такое LEL и UEL?

Когда горючий газ смешивается с кислородом в правильных пропорциях и встречает источник зажигания, это может привести к пожару или взрыву.

Многие потребительские электронные устройства способны создавать электрические дуги, поэтому они могут становиться источниками зажигания. Именно поэтому операторы в опасных зонах должны использовать специализированное оборудование, например нашу искробезопасную камеру.

Нижний предел взрываемости (LEL) и верхний предел взрываемости (UEL) — ровно то, что следует из названия: ниже LEL или выше UEL газ, который вообще-то способен гореть, не образует взрывоопасной смеси. Например, у водорода очень широкий диапазон: он образует взрывоопасную атмосферу, когда его концентрация в воздухе превышает 4% и остаётся ниже 76%.

Â

Пределы воспламеняемости vs. пределы взрываемости

Нижний предел воспламеняемости конкретного горючего газа определяет минимальную концентрацию газа в смеси с воздухом, необходимую для образования воспламеняемой смеси. То есть только когда горючий газ смешан с кислородом в правильных пропорциях, он может загореться и вызвать пожар. Однако важно понимать: наличие смеси “газ + воздух” ещё не означает, что горение обязательно произойдёт.

Для многих веществ пределы воспламеняемости и пределы взрываемости совпадают — поэтому эти термины часто используют как взаимозаменяемые.

Исходя из этого, люди часто спрашивают, как более 60% пассажиров выжили при падении с высоты 200 футов (61 метр) и катастрофе дирижабля «Гинденбург» (1937), наполненного водородом. Проще говоря: утечка газа загорелась по мере подъёма вверх, где водород смешивался с воздухом над пассажирами, унося значительную часть тепла вверх.

Да, шёлковый и прорезиненный материал оболочки тоже горел, но сам газ был слишком “богатым”, чтобы именно взорваться — он горел на границе контакта с воздухом. Если бы произошёл взрыв, а не просто горение, выживших бы не было.

[Table] LEL & UEL For Various Combustible Gases

Разумеется, концентрации, при которых достигаются опасные уровни, различаются для разных газов. Концентрации ниже LEL слишком “бедные”, чтобы взорваться; концентрации выше UEL слишком “богатые”. Рассмотрим некоторые наиболее распространённые газы:

Ключевые факты о наиболее заметных горючих газах

Ammonia (NH3)

Аммиак — горючий газ, который в основном используют для производства удобрений. Также его применяют как промышленный хладагент благодаря низкой стоимости и высокой эффективности; он на 3–20% эффективнее альтернатив, то есть требует меньше электроэнергии для получения того же охлаждения. Поэтому он подходит для крупных объектов: ледовых арен, пищевых производств и хранения, а также систем кондиционирования большой мощности.

Этот горючий газ коррозионно-активен и токсичен для человека при больших выбросах. Его сильный и характерный запах позволяет быстро обнаруживать утечки, минимизируя потери хладагента и затраты на пополнение.

Acetylene (C2H2)

Из-за высокой взрывоопасности ацетилен нельзя безопасно сжимать выше 15 psi (1 атмосферы). Поэтому его хранят и перевозят в баллонах при более высоких давлениях — в растворённом виде в ацетоне, который стабилизирует газ.

Чтобы ацетилен не отделялся от ацетона и не образовывал концентрированный газ, баллоны содержат пористый материал. Важно держать баллон вертикально, чтобы ацетон не попал в редуктор — это может вызвать проблемы безопасности и качества.

Butane (C4H10) – Cooking Fuel

Бутан — дешёвый, бесцветный и широко доступный горючий газ. Его голубое пламя удобно для переносного нагрева, например при готовке. Он достаточно безопасен для этих задач: даёт нужное тепло, но при этом имеет сравнительно небольшой энергетический “выход”. В холоде бутан испаряется хуже, поэтому это один из самых известных горючих газов.

Изобутан, напротив, обычно не используют как кулинарное топливо — он чаще применяется как хладагент. При этом изобутан также чрезвычайно горюч. Бутан и изобутан имеют по четыре атома углерода, но различаются строением: у бутана цепочка прямая, у изобутана — разветвлённая.

Carbon Monoxide (CO)

CO — токсичный побочный продукт неполного сгорания нефтехимических веществ. Он горюч и может быть взрывоопасен при концентрациях 12,5–74% в воздухе. Токсичность CO связана с тем, что он связывается с гемоглобином эритроцитов, мешая переносить кислород и затрудняя вывод самого CO из организма.

Воздействие уровней всего 0,03% или 300 ppm может быть смертельным — это намного ниже концентрации, требуемой для взрыва.

Hydrogen (H2)

Самые распространённые вещества во Вселенной — водород (способный поддерживать ядерные реакции) и гелий (если только тёмная материя не окажется реальностью): примерно 73% и 25% всей барионной материи (состоящей из протонов и нейтронов). На все остальные вещества приходится оставшиеся 2%, включая 116 химических элементов периодической таблицы.

В такой перспективе проще понять: звёзды огромны, планеты малы. Солнце в основном состоит из водорода и гелия и имеет диаметр около 1,4 млн км. Водород “кормит” ядерные реакции, благодаря которым Солнце светит. Земля — всего около 12 000 км в диаметре (менее 1% ширины Солнца) и при этом самая плотная из планет нашей Солнечной системы.

Плюс водорода в том, что его легко получать, и он горит “чисто”, образуя лишь воду и тепло. Это один из немногих горючих газов без углеродного следа (если не учитывать затраты на производство).

Methane (CH4) – Natural Gas

Природный газ содержит небольшие количества этана, бутана, пентана, пропана и даже гелия, но основная доля — метан. Все “-аны” не имеют запаха, поэтому для безопасности их одорируют резко заметными веществами, такими как этилмеркаптан или метилмеркаптан, чтобы утечки легко обнаруживались. Именно это придаёт природному газу характерный “запах тухлых яиц”.

Propane (C3H8)

12 000 человек были вынуждены покинуть дома на месяцы, а иногда и годы, пока жильё восстанавливали после взрыва пропанового депо во время незаконной перекачки топлива “из грузовика в грузовик”.

Последующий пожар был вызван BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion — взрыв расширяющихся паров кипящей жидкости), когда соединения и заземление отказали. Компанию признали виновной в недостаточных мерах безопасности, а её бизнес был закрыт государством. Удивительно, но погибло всего два человека.

Пропан удобен для мобильного топлива: от автомобилей и автобусов до погрузчиков, а также как источник энергии в сельской местности. Причина — его легко сжижать при обычных давлениях и температурах, и он сохраняет способность испаряться даже при низких температурах окружающей среды (в отличие от бутана).

Ethane (C2H6)

Этот горючий газ на многих месторождениях отделяют от сырой нефти, затем обрабатывают криогенно, чтобы этан сконденсировался в жидкость, а метан (и другие газы) остались в газовой фазе. Далее смесь дополнительно перегоняют, удаляя пропан и другие компоненты, пока не останется этан.

Основное применение этана — производство этилена для пластиковой промышленности; также этан подвергают паровому крекингу для получения этилена. Однако экспериментальные попытки производить поливинилхлорид (PVC) показывают перспективы значительной экономии. Кроме того, благодаря большому объёму поставок, уксусную кислоту можно недорого производить в Саудовской Аравии. Некоторые компании разрабатывают двигатели, способные переключаться между обычным дизелем и этановым топливом.

Также этан используют как сверхбыстрый криогенный охладитель для заморозки образцов для электронного микроскопа, содержащих воду. Вода обычно расширяется при замерзании, разрушая клеточные стенки и образуя “блочные” кристаллы, которые отражают электронные пучки. Этан охлаждает достаточно быстро, чтобы “проскочить” эту проблему, делая образцы намного более пригодными.

Ethylene (C2H4)

Более 50% производимого этилена используется для изготовления пластиков (например, полиэтилена). Этот горючий газ окисляют для получения ПАВ, которые помогают моющим средствам удалять грязь и масла с поверхностей (кожа рук, одежда). Также это ключевой компонент для получения этанола (спирта) вне процессов брожения и перегонки.

Окисленный этилен можно превращать в этиленгликоль для автомобильного антифриза посредством гидролиза. Традиционное производство PVC идёт через оксихлорирование, как и производство перхлорэтилена (жидкость для химчистки), и ряда других веществ.

Этилен образуется в природе, но также является важным фактором “созревания” плодов: запускает рост ветвей, побегов и корней, а также сигнализирует листьям, когда опадать. При этом производить его часто проще, чем собирать из природных источников.

В результате открытия 2021 года был выявлен новый фермент (methylthio-alkane reductase), который выделяет этилен, “отбирая” серу при дефиците кислорода. Это может привести к появлению дешёвого биологического источника этилена для производства пластиков, снижая зависимость от нефтяного сырья и ископаемого топлива.

Silane (Silicane) (SiH4)

Этот пирофорный (и токсичный) газ используют для осаждения чистого кремния в производстве электронных полупроводников — он относительно легко “распадается” из-за слабых связей с водородом. Но пирофорность означает самовоспламенение при контакте с воздухом. Опасность “встроена” в само вещество, поэтому оно требует особо осторожного обращения.

Японские производители солнечных элементов придумали, как снизить риск, смешивая силан с водородом. В результате их элементы стали ещё стабильнее — приятный “бонус” более продуманного обращения.

Chlorine Trifluoride (ClF3) – The Most Flammable Gas?

Хотя ClF3 сам по себе не является горючим, он состоит из двух крайне реакционноспособных элементов — хлора и фтора — которым “не очень хочется” быть связанными вместе. Это можно представить как “супер-кислород”: он поддерживает окисление в ужасающих масштабах и способен заставить практически всё, чего касается, вспыхивать. Добавьте его в воду — и получите хлор, плавиковую кислоту и колоссальное выделение тепла. При контакте с биологическими материалами (например, кожей) он вызывает бурное воспламенение, но даже песок или бетон могут “гореть” достаточно легко.

Он настолько коррозионно-активен, что хранить его можно только в меди, никеле или сплавах медь-никель (“Monel”). Эти металлы безопасны, потому что реагируют с образованием защитного фторсодержащего слоя, который предохраняет металл от дальнейшего взаимодействия. В газообразной форме ClF3 вызывает раздражение носа и дыхательных путей, воспаление лёгких, отёк (жидкость в лёгких) — воздействие является серьёзной медицинской экстренной ситуацией.

Примеры взрывоопасных газовых атмосфер

Как объяснялось ранее, для пожара или взрыва нужны три элемента: топливо, кислород и источник зажигания. Источником зажигания может быть искрящее электрооборудование или горячая поверхность с высокой температурой.

Рассмотрим реальные сценарии, чтобы понять, как обычно возникают пожары и взрывы.

Methane – House-hold Explosions

Утечки метана — постоянная опасность. Этот газ легче воздуха, поэтому не накапливается внизу. Однако метан, будучи продуктом бактериальной активности в канализационных системах, может накапливаться под землёй, создавая серьёзный риск взрыва.

Spray Painting Facilities – Industrial Explosions

Производства, где используются растворители, должны соблюдать строгие протоколы безопасности. Например, на участках распылительной окраски часто применяют водяные завесы, которые улавливают аэрозоль и направляют его в зону переработки. Также в некоторых процессах металлические детали заряжают отрицательно, а распылители краски — положительно, что повышает эффективность нанесения.

Другие потенциальные точки утечек:

• При заполнении бочек — критическая точка для контроля утечек и профилактики.
• На фланцах трубопроводных систем, где важна целостность уплотнений.
• Вокруг смотровых стёкол оборудования, которые могут быть уязвимы при неправильном монтаже или обслуживании.

Нефтегазовая отрасль, работающая с широким спектром горючих летучих веществ, требует максимальной осторожности. Многие операции там выполняются в закрытых системах, чтобы побочные продукты улавливались для дальнейшей переработки (крекинг, перегонка) либо использовались для генерации энергии или как дополнительное сырьё.

Горючие газы и паспорта безопасности (SDS)

Крайне важно внимательно изучать SDS (Safety Data Sheets) для всех горючих газов, с которыми вы работаете, чтобы предотвратить пожары, взрывы и другие опасности. Практически во всех случаях закон требует ознакомления с SDS до начала работы с горючим газом.

Это особенно важно для новых продуктов: их свойства могут существенно отличаться от тех, к которым вы привыкли. SDS на конкретный газ обычно можно найти на сайте производителя или поставщика, а также на сайте NIH, который относится к Министерству здравоохранения и социальных служб США.”

Итог

В заключение: понимание свойств горючих газов критически важно для предотвращения опасных ситуаций. Эти газы — от бытовых веществ вроде жидкости для снятия лака до ключевых промышленных топлив — широко применяются в разных сферах.

У каждого газа, будь то аммиак, бутан или любой другой, есть свои особенности и риски. Строгое соблюдение требований SDS — ключевой элемент снижения рисков и предотвращения аварий.

Оставаясь информированными и действуя осторожно, мы можем безопасно использовать эти газы — как в быту, так и в профессиональной среде.