Какие газы входят в природный газ. Природный газ. Состав, свойства, опасности. Россия - газовый гигант

Природные газы – это газы, содержащиеся в недрах Земли, а также газы земной атмосферы. Они частично растворены в подземных и наземных водах и нефтях, сорбированы углями и некоторыми глинистыми породами. Природные газы выделяются из недр Земли при вулканической деятельности по тектоническим трещинам, связанным с газоносными пластами, выносятся минеральными источниками. Их можно подразделить на газы биохимические, вулканические, метаморфические, воздушного и химического происхождения, газы радиоактивных и термоядерных процессов.

Биохимические газы – продукты жизнедеятельности бактерий. Они возникают при превращениях органических веществ, восстановлении сульфатов или других минеральных солей. В результате таких процессов могут образовываться СН 4 , С 2 Н 6 , Н 2 , Н 2 S, СО 2 , N 2 .

Вулканические газы выделяются из недр Земли при извержениях. Они растворены в расплавленной магме, а также образуются в процессе действия паров воды при высоких температурах на вещества магмы и контактных с магмой пород.

Метаморфические газы образуются при превращениях ископаемых углей и других горных пород под действием теплоты и давления; содержат СН 4 , СО 2 , Н 2 , различные углеводороды, Н 2 S, СО и др.

Воздушные газы – газы атмосферы и газы, находящиеся в недрах Земли. Сухой атмосферный воздух у поверхности Земли состоит из N 2 (78,09 об. %), O 2 (20,95 об. %), а также небольших количеств Ar, CO 2 , Ne, He, Kr, H 2 , N 2 O. Важным источником газов атмосферы служат вулканические извержения, процессы «дыхания Земли» (микрогазовые выделения), радиоактивный распад и др. Наиболее легкие газы (например гелий) не накапливаются в атмосфере. и уходят в мировое пространство. Промышленная деятельность человека также оказывает влияние на состав атмосферы. Газы, находящиеся в недрах Земли, состоят из N 2 и инертных газов; свободный кислород в них отсутствует.

Газы химического происхождения возни 3 кают при химическом взаимодействии между газообразными веществами, водными растворами и горными породами как при нормальных условиях, так и при повышенных температурах и давлениях, наблюдающихся на разных глубинах земной коры. При этом могут образовываться Н 2 , СО, СО 2 , H 2 S, N 2 , а также СН 4 и другие углеводороды.

В результате радиоактивных процессов и термоядерных реакций образуются гелий, аргон, ксенон и другие газы.

К природным газам относятся также горючие газы, скопляющиеся в породах-коллекторах в виде самостоятельных газовых залежей или же сопутствующие нефтяным залежам, и горючие газы, заключенные в угольных пластах.

Происхождение природных горючих газов обусловлено биохимическим разложением органического вещества и дальнейшим метаморфизмом последнего под воздействием геохимических факторов. Кроме того, горючие газы образуются при взаимодействии паров воды с карбидами металлов, а также СО и Н 2 .

Наибольшее значение имеет природный газ из газоносных пластов – одно из основных горючих ископаемых, занимающее ключевые позиции в топливно-энергетических балансах многих государств, важное сырье для химической промышленности. Более чем на 90% он состоит из углеводородов, главным образом метана СН 4 . Содержит и более тяжелые углеводороды – этан, пропан, бутан, а также меркаптаны и сероводород (обычно эти примеси вредны), азот и углекислый газ (они в принципе бесполезны, но и не вредны), пары воды, полезные примеси гелия и других инертных газов.

В ископаемом природном газе содержатся углеводороды с низкой молекулярной массой. Он имеет приблизительно такой состав (по объему): 80–98% метана, 2–3% его ближайших гомологов – этана, пропана, бутана и небольшое количество примесей – сероводорода, азота, благородных газов, оксида углерода (IV) и водяного пара. В табл. 8.4 показан примерный состав газовых залежей разных месторождений.

Основным газом самостоятельных газовых залежей и угольных пластов является метан. В газах, сопутствующих нефти, кроме метана, содержатся значительные количества его гомологов.

Теплота сгорания сухого природного газа 33,52–35,61 МДж/м 3 (8000–8500 ккал/м 3 ). В табл. 8.5 приведены плотность и теплота сгорания газов, которые входят в состав газообразного топлива.

По способу добычи природные горючие газы разделяются на собственно природные газы, добываемые из чисто газовых месторождений, практически не содержащих нефти; попутные газы, растворенные в нефти и добываемые вместе с нею, и газы газоконденсатных месторождений, находящиеся в пластах под давлением и содержащие (в результате так называемого «обратного» испарения) керосиновые, а иногда и соляровые фракции нефти. Собственно природные газы и газы газоконденсатных месторождений выходят на поверхность Земли под значительным давлением (50–100 aт); попутные газы выделяются из нефти в сепараторах под небольшим избыточным давлением либо при разрежении. Природные и попутные газы в основном состоят из алканов, незначительного количества цикланов и ароматических углеводородов, небольших количеств азота и аргона, а также содержат следы гелия и водорода. Кроме того, иногда в газах содержатся Н 2 S, меркаптаны и СО 2 . По составу природные горючие газы иногда разделяют на сухие и жирные. К жирным относятся газы, содержащие 50–100 (и больше) г/м 3 углеводородов от С 3 и выше. Собственно природные газы обычно относятся к сухим газам, попутные и газоконденсатные – к жирным.

Почти все природные горючие газы совсем не имеют запаха или имеют весьма слабый запах, по которому их сложно распознать. Вследствие этого трудно своевременно обнаружить присутствие газа в помещениях и принять меры по предотвращению накопления газа, избежав пожаров, взрывов и отравлений.

Для того, чтобы можно было своевременно обнаружить газ, не имеющий собственного специфического запаха, ему искусственно придают запах, т.е. одоризируют. Вещества, применяемые для искусственной одоризации газа, называются одорантами, а аппараты, в которых происходит одоризация, – одоризаторами.

Таблица 8.4 Состав газовых залежей разных месторождений, об. %

Месторождение	СН 4 На кампусе Сан-Карлоса Университета Сан-Паулу исследователь Марсело Зайат разработал метод преобразования сточных вод из пива, безалкогольных напитков, сахарной и алкогольной промышленности в газообразный водород. Водород выделяется на первом этапе анаэробного процесса. Затем мы разбалансировали процесс обогащения микроорганизмов, которые делают газ, - говорит он. Идея заключается в создании очистных сооружений и, в будущем, очистных сооружений. Природный газ и городской газ. Термин городской газ был заброшен более 40 лет. Городским газом был газ, который раньше распространялся городскими сетями в крупных городских центрах. Городской газ также назывался осветительным газом, поскольку он поставлял уличные фонари, был изготовлен на газовых заводах путем перегонки угля или путем термического крекинга нефтепродуктов. Городской газ содержал монооксид углерода, газ, который является очень токсичным и загрязняющим. Городской газ заменен природным газом, который является коммерческим названием для метанового газа.	С 2 Н 6	С 3 Н 8	С 4 Н 10	N 2 +CO 2 Транспортировка и хранение природного газа Природный газ - это ископаемое топливо, встречающаяся в природе смесь газообразных углеводородов. Природный газ является вторым наиболее широко используемым источником энергии в мире после нефти, и его использование развивается во всем мире. Природный газ транспортируется под землей по трубопроводам и на море судами СПГ. Затем он циркулирует под высоким давлением в транспортной сети. После снижения давления его вводят в распределительную сеть. Именно эта последняя сеть предоставляет электроэнергию частным лицам, профессионалам и многим промышленникам.
Шебелинско е (Харьковска я обл.)	92,50	2,78 Распределительная сеть природного газа Только крупные промышленные компании могут поставляться напрямую сетью высокого давления. Каковы города и каков список муниципалитетов, связанных с газовой сетью? Природный газ состоит в основном из метана, бесцветного и без запаха углеводородов. Из всех ископаемых энергетических агентов он обладает самым низким содержанием углерода и самым высоким водородом. Отложения природного газа, которые мы знаем сегодня, являются результатом разложения и трансформации в ходе миллионов лет органического растения и животных.	0,65	0,56	3,51
Дашавско е (Львовска я обл.) Этот процесс проходит под землей на большой глубине и требует особой среды. Из-за их низкой плотности большая часть образованных таким образом углеводородов вышла из своей основной породы, чтобы перейти на поверхность земного шара. В присутствии водонепроницаемых слоев, преодолевающих подходящие геологические образования, называемые антиклиналами, эта миграция была остановлена. Углеводороды затем накапливаются в проницаемых пластах коллектора, которые составляют газовые месторождения, которые в настоящее время эксплуатируются с использованием обычных методов бурения.	97,80	0,50	0,20	0,10 Однако некоторые из исходных материалов слишком слабы, чтобы позволить углеводородам сбежать, В этом случае мы говорим о сланцах, эксплуатация которых методом гидравлического разрыва является особенно обременительной. В настоящее время метан все еще производится, но это биогаз, полученный ферментацией возобновляемого сырья. В газообразной форме природный газ и биогаз транспортируются по трубопроводам, тогда как для сжиженного газа используются танкеры и танкеры СПГ. В области энергетики газ в основном используется для обогрева квартир, офисов и мастерских, для подачи энергии процесса в промышленность и ремесла, а также для производства электроэнергии. химической промышленности, в частности для производства синтетических материалов.	1,40
Хрестищенское	93,50	3,30	0,80	0,30	2,00
Котелевское	87,40	5,50	2,40	0,80	3,30
У ренгойско е (сеноман)	98,80	0,07			1,10

Применяемые для одоризации газа вещества должны отвечать ряду требований, основные из которых следующие:

запах одоранта должен быть резким и специфическим, то есть отличаться от иных запахов жилых и других помещений;

одоранты и продукты их сгорания должны быть физиологически безвредными и не действовать на газопроводы, приборы и обстановку помещений;

одорант должен быть недефицитным.

В качестве одорантов наибольшее распространение получили органические сернистые соединения (меркаптаны, сульфиды и дисульфиды), применяемые как в виде индивидуальных химических веществ (например этилмеркаптан), так и в виде технических промышленных продуктов, содержащих указанные сернистые органические соединения (колодорант, пенталарм, каптан и др.).

Норма удельного расхода применяемого одоранта зависит как от его природы, так и от состава и свойств одорируемого газа, а также от климатических условий.

Характерной особенностью состава нефтяных попутных газов является наличие в них, кроме метана, также этана, пропана, бутанов и паров более тяжелых углеводородов. Во многих из них присутствуют сероводород и негорючие компоненты: азот, углекислый газ, а также редкие газы – Не, Аr. Последние содержатся в количествах, редко представляющих промышленный интерес. В газах месторождений Апшеронского полуострова, грозненских, сахалинских, Небит-дага их около 10 – 3 %. Значительные количества Не находятся в нефтяных попутных газах некоторых месторождений США: Харлей (штат Юта) – 7,16%; Клитсайд (штат Техас) – до 2%.

Нефть и газ скапливаются в таких участках земной коры («ловушках»), где физические и геологические условия благоприятствуют их длительному сохранению.

Таблица 8.5. Характеристика газов, которые входят в состав газообразного топлива

Г а з	Обозначение	Плотность, кг/м 3	Т еплот а сгорания
			МДж/м 3	ккал/м 3
Водород	H 2	0,090	10,80	2579
Азо т элементарный	N 2	1,251
Азо т воздуха ( с примесь ю аргона)	N 2	1,257
Кислород	О 2	1,428
Окис ь углерода		1,250	12,65	3018
У глекислота	CO 2	1,964
Сернисты й газ	SO 2	2,858
Сероводород	H 2 S	1,520	23,40	5585
Метан	CH 4	0,716	35,85	8555
Этан	C 2 H 6	1,342	63,80	15226
Пропан	C 3 H 8	1,967	91,30	21795
Бутан	C 4 H 10	2,593	118,74	28338
Пентан	C 5 H 12	3,218	146,20	34890
Этилен	C 2 H 4	1,251	59,10	14107
Пропилен	C 3 H 6	1,877	86,07	20541
Бутилен	C 4 H 8	2,503	113,60	27111
Бензол	C 6 H 6	3,485	141,50	33528

Любой газ обладает способностью в той или иной степени растворяться в жидкости. На количество растворенного газа влияют его свойства, природа жидкости и внешние условия (давление, температура).

Образовавшиеся одновременно с нефтью и залегающие вместе с ней углеводородные газы находятся в растворенном виде, образуя нефтегазовые пласты. Так как температура в залежи нефти изменяется мало, то количество растворенных в нефти газов зависит в основном от их свойств и давления в пласте.

Растворимость газообразных углеводородов в нефти повышается с увеличением молекулярной массы газа. Различная растворимость углеводородных газов приводит к тому, что в естественных условиях, когда нефть и газ заключены в одном подземном резервуаре, газы объединяются за счет почти полного растворения в нефти при высоких давлениях более тяжелых углеводородов. Поэтому в подземном резервуаре, в котором нефть залегает вместе с газом, часть углеводородных газов (более тяжелых) будет находиться в растворенном виде, а часть (главным образом более легкая: метан, этан) будет располагаться над нефтью, образуя так называемую газовую шапку. При вскрытии пласта путем бурения скважины вначале начнет фонтанировать газ газовой шапки, а затем уже вследствие падения давления будет выделяться газ из раствора (нефти). Сначала появятся газы, обладающие наименьшей растворимостью, а при значительном снижении давления начнут выделяться газы с максимальной растворимостью.

Некоторая часть этих газов выделяется из нефти только после выхода ее на поверхность. Газовая шапка является составной частью нефтяной залежи, которая эксплуатируется с учетом максимального использования пластовой энергии газа (его давления) для фонтанной добычи нефти. Иными словами, газовые шапки газонефтяных месторождений не являются самостоятельными объектами добычи газа.

Количество газа в кубических метрах, приходящееся на 1 т добываемой нефти, называют газовым фактором. Газовый фактор для различных месторождений неодинаков и зависит от природы месторождения, режима его эксплуатации и может изменяться от 1–2 м 3 до нескольких тысяч м 3 на тонну добываемой нефти. Обычно газа содержится 200–400 м 3 в 1 т нефти. Состав нефтяных попутных газов зависит от природы нефти, в которой они заключены, а также от принятой схемы отделения газа от нефти при выходе их из скважины. Состав попутных газов некоторых нефтегазовых месторождений показан в табл. 8.6.

Состав нефтяных попутных газов, выделяющихся из нефти в процессе ее добычи, значительно отличается от состава свободных газов, добываемых из газоносных пластов того же месторождения. Влиянием растворимости тяжелых углеводородов могут быть объяснены часто наблюдаемые расхождения в составе образцов газов, получаемых из одной и той же нефтяной скважины. Состав газов сильно зависит oт условий отбора пробы, давления, под которым находится газ в скважине, соотношения в пробе свободного гaзa из залежи и газа, выделившегося из нефти при ее подъеме в скважине. В связи с этим содержание и состав тяжелых углеводородов в газах, отобранных на одной и той же площади, показывают значительные колебания. Это относится и к таким хорошо растворимым газам, как H 2 S и СО 2 .

Большая часть нефтяных попутных газов относится к так называемым «жирным» газам, содержащим, кроме метана, тяжелые углеводороды (пропан, бутан и т. д.) в количестве 50 г/м 3 и выше. Газы, состоящие преимущественно из метана и содержащие до 50 г/м 3 тяжелых углеводородов, называют «сухими», или «тощими». Это в основном газы чисто газовых месторождений; содержание метана в них может составлять 90–98%. При переработке жирные газы прежде всего подвергаются так называемому «отбензиниванию» (удалению бензина), в результате которого из них выделяются углеводороды, входящие в состав бензина. Полученный при данном процессе бензин называется газовым. После отбензинивания нефтяные попутные газы состоят преимущественно из метана, а также небольших количеств этана, npопана и бутана.

Нефтяные попутные газы используют в качестве топлива и химического сырья. Энергетическое использование нефтяных, попутных газов связано с их высокой теплотворной способностью, которая колеблется от 9300 до 14000 ккал на 1 м 3 углеводородной части газа. При электрокрекинге из метана образуется ацетилен; при конверсии метана перегретым водяным паром или СО 2 в присутствии катализаторов – смесь СО и Н 2 , применяющаяся во многих органических синтезах. Этан и пропан нефтяных попутных газов могут служить источником получения ацетилена, бутилена, ацетальдегида, других кислородсодержащих соединений. Бутан может быть использован для получения дивинила, бутиловых спиртов, метилэтилкетона и других соединений.

Таблица 8.6. Состав попутных газов, об. %

Месторождение	Метан	Этан	Пропан	Бутаны	Высшие углеводо- роды	Другие газы: N 2 ,CО 2 , H 2 S
Т уймазинское	41,9	20,0	17,3
Ромашкинское	37,0	20,0	18,5			11,6
Бугур у сланское	72,5
Г розненское	30,8		21,5	20,4	19,8
Сураханское	89,7	0,16	0,13	0,28	1,26

Газы нефтепереработки – газы, выделяющиеся при перегонке нефти или образующиеся при крекинге, пиролизе, коксовании, деструктивной гидрогенезации и других процессах ее переработки. При перегонке нефти состав углеводородов не изменяется, происходит лишь процесс термического разделения ее на отдельные фракции: бензиновую, керосиновую, газойлевую и т. д. Соотношение различных углеводородов в газах прямой перегонки нефти сильно зависит от природы взятого сырья.

Газы нефтепереработки содержат от 12 до 51% непредельных углеводородов. В газах жидкофазного крекинга содержание метана снижается до 40–50%, в газах парофазного крекинга – до 30% и в газах каталитического крекинга – до 10%. Газы каталитического и термического жидкофазного крекинга по общему содержанию предельных углеводородов близки между собой, но резко отличаются по составу компонентов. Количество непредельных газов этих двух процессов практически одинаково, по составу компонентов они близки.

Газы угольных пластов извлекаются при разработке угольных месторождений с целью предотвращения их выделения в горные выработки. В последние годы становится все более очевидной объективная необходимость извлечения и использования метана угольных месторождений в качестве энергоносителя для промышленных и коммунальных нужд.

Основными источниками производства сжиженных углеводородных газов являются попутные газы, газы стабилизации нефти, жирные природные газы газоконденсатных месторождений и газы нефтепереработки.

Количество сжиженных газов, полученных из одной тонны нефти, зависит от технологической схемы нефтепереработки.

В практике сжиженными углеводородными газами называют углеводороды, которые в чистом виде или в виде смесей при небольшом повышении давления и температуре окружающей среды переходят в жидкое состояние. К таким углеводородам относятся пропан С 3 Н 8 , бутан С 4 Н 10 (изобутан и н-бутан), пропилен С 3 Н 6 , бутилен С 4 Н 8 . Иногда газы называют «жидкими».

Пропан СН 3 СН 2 СН 3 – это бесцветный, горючий, не имеющий запаха газ с молекулярным весом 44,068. Температура плавления пропана составляет 187,69°С, температура кипения – 42,07°С, температура воспламенения – 465°С; пределы взрываемости в смеси с воздухом 2,1 – 9,5 об. %, теплота сгорания газа до жидкой воды и СО 2 – 120,34 ккал/кг (25°С); Δ Н° 293 – 24,820 ккал/моль (25°С), теплоемкость С р о – 17,57 кал/град·моль. Пропан содержится в природных газах, в попутных газах нефтедобычи и нефтепереработки, например в газах каталитического крекинга, в коксовых газах, газах синтеза углеводородов из СО и Н 2 по Фишеру-Тропшу. Из промышленных газов пропан выделяют ректификацией под давлением, низкотемпературной абсорбцией в растворителях под давлением, адсорбцией активным углем, молекулярными ситами.

Пропан нашел применение в качестве растворителя для депарафинизации и деасфальтирования нефтепродуктов, в процессах полимеризации виниловых эфиров и для экстракции жиров. Пропан применяют также для получения сажи; совместно с кислородом для резки металла. В смеси с бутаном в баллонах пропан широко используется как бытовой газ и как бездымное горючее для автомобилей.

Бутаны – газообразные насыщенные углеводороды С 4 Н 10 , без цвета и запаха, молекулярный вес 58,52. Известны 2 изомера: н бутан СН 3 (СН 2 )СН 3 и изобутан (СН 3 ) 2 СНСН 3 . Бутаны содержатся в нефтяных газах, в природном газе и газах нефтепереработки.

Теплота плавления н-бутана – (–138,4°С), а изобутана – (–159,6°С). Теплота испарения нбутана – 5035 ккал/молъ (25°С); а теплота сгорания – 635,05 ккал/моль (р = const, 25°С).

В последнее время стали сжижать метан, этан и этилен. Их сжижение, хранение и транспортировка осуществляются обычно под давлением, близким к атмосферному, но при отрицательных температурах (от – 161 до – 90°С).

Переход сжиженных углеводородных газов в газообразное или жидкое состояние зависит от давления, температуры, объема и состава. Сжиженный пропан может быть использован в температурном интервале от –35 до +45°С, а бутан в условиях с естественным испарением не может применяться при температуре ниже 0°С.

При работе со сжиженными нефтяными газами надо учитывать следующее:

пары сжиженного газа тяжелее воздуха;

смесь паров сжиженных углеводородных газов с воздухом взрывоопасна. Пределы взрываемости для пропана: нижний – 2%, верхний – 9,5%, для бутана: нижний – 1,8% и верхний – 8,5%. Если содержание паров пропана или бутана в воздухе выше верхнего предела, то при поднесении открытого пламени газовоздушная смесь загорается, газ

сгорает и, подходя к верхнему пределу, взрывается;

при хранении сжиженных углеводородных газов в открытых сосудах газ испаряется, образуя с воздухом взрывоопасную смесь даже при условии, что температура воздуха несколько ниже температуры кипения жидкости;

водяные пары в газовоздушной смеси снижают возможность ее зажигания;

давление насыщенных паров сжиженного газа значительно выше давления паров бензина;

при условии отбора паров сжиженного газа из емкости температура снижается, уменьшается также давление паров в ней; ускоренный отбор жидкости не снижает давление в емкости;

при повышении наружной температуры жидкость значительно расширяется, поэтому емкости хранилищ, баллонов не следует заполнять полностью. Необходимо обязательно контролировать, чтобы степень наполнения не превысила норму;

при контакте со сжиженными газами во время их откачки или закачки в сосуды вследствие ускоренной абсорбции тепла жидкостью при ее испарении возможно обморожение рук или других частей тела.

Быстрый рост производства и потребления сжиженных газов обусловлен их свойствами. При сравнительно небольшом давлении они переходят в жидкое состояние, что обуславливает экономичность их транспортировки. Их можно транспортировать в железнодорожных и автоцистернах, в танкерах, в баллонах. При больших объемах перевозки иногда оказывается выгоднее транспортировать их по трубопроводам. В жидком состоянии пропан уменьшает свой объем в 290 раз, бутан – в 222 раза. Высокая эффективность сгорания сжиженных газов определяется теплотой сгорания компонентов (высшая теплота сгорания пропана – 100 МДж/м 3 , бутана – 134 МДж/м 3 ) и чистотой пламени сгорания. По сравнению с природным газом сжиженные газы имеют теплоту сгорания почти в 3 раза большую, а по сравнению с искусственным газом – в 6 раз большую. КПД бытовых приборов, работающих на сжиженном газе, значительно выше, чем КПД приборов, работающих на твердом и жидком топливе. Отсутствие серы в сжиженных газах обуславливает резкое снижение содержания вредных примесей в воздухе при сгорании газа и улучшает условия труда обслуживающего персонала.

В настоящее время газ является одним из основных видов топлива и химического сырья для ряда важнейших отраслей промышленности. Применение газа приводит к улучшению качества выпускаемой продукции, росту производительности труда, снижению себестоимости, повышению культуры производства, облегчению условий труда. Большие выгоды и удобства от использования газа на бытовые нужды получает население. За последние годы резко увеличилось применение сжиженных углеводородных газов для отопления бытовых и коммунальных помещений, сушки, резки и сварки металлов, в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, автомобилей, тракторов, автопогрузчиков и легковых автомашин. Огромное значение имеет использование газов в сельском хозяйстве для сушки зерна, табака, травы и др.

Введение 2

Состав и физические свойства природного газа 3

Химический состав 3

Физические свойства 3

Введение

Приро́дный газ - смесь газов, образовавшаяся в недрах земли при анаэробном разложении органических веществ. Природный газ относится к полезным ископаемым, одно из важнейших горючих ископаемых, занимающее ключевые позиции в топливно-энергетических балансах многих государств. Природный газ является важным сырьем для химической промышленности. В пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится в газообразном состоянии - в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений, либо в растворённом состоянии в нефти или воде.

Энергетическая и химическая ценность природного газа определяется содержанием в нём углеводородов. Очень часто в месторождениях он сопутствует нефти. Разница в составе природного и попутного нефтяного газа имеется. В последнем, как правило, больше сравнительно тяжёлых углеводородов, которые обязательно отделяются, прежде чем использовать газ.

Состав и физические свойства природного газа

Химический состав

Природные углеводородные газы представляют собой смесь предельных углеводородов вида СnН2n+2. Основную часть природного газа составляет метан CH4 - до 98 %.

В состав природного газа могут также входить более тяжёлые углеводороды - гомологи метана: - этан (C2H6), - пропан (C3H8), - бутан (C4H10), а также другие неуглеводородные вещества: - водород (H2), - сероводород (H2S), - диоксид углерода (СО2), - азот (N2), - гелий (Не)

Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Чтобы можно было определить утечку по запаху, в газ добавляют небольшое количество веществ, имеющих сильный неприятный запах, так называемых одорантов. Чаще всего в качестве одоранта применяется этилмеркаптан.

Физические свойства

Ориентировочные физические характеристики (зависят от состава; при нормальных условиях, если не указано иное):

Плотность:

от 0,68 до 0,85 кг/м³ (сухой газообразный);

400 кг/м³ (жидкий).

Температура кипения при атмосферном давлении: –162°C

Температура самовозгорания: 650 °C;

Взрывоопасные концентрации смеси газа с воздухом от 5 % до 15 % объёмных;

Удельная теплота сгорания: 28-46 МДж/м³ (6,7-11,0 ккал/м³) (то есть 8-12 квт·ч/м³);

Октановое число при использовании в двигателях внутреннего сгорания: 120-130.

Легче воздуха в 1,8 раз, поэтому при утечке не собирается в низинах, а поднимается вверх.

Природные газы подразделяют на следующие группы:

1. Газ, добываемый из чисто газовых месторождений и представляющий собой сухой газ, свободный от тяжелых углеводородов.

2. Газы, добываемые вместе с нефтью (растворенные или попутные газы). Это физические смеси сухого газа, пропанобутановой фракции (жирного газа) и газового бензина.

3. Газы, добываемые из газоконденсатных месторождений - смесь сухого газа и жидкого углеводородного конденсата. Углеводородный конденсат состоит из большого числа тяжелых углеводородов (С5 + высш., С6 + высш. и т.д.), из которых можно выделить бензиновые, лигроиновые, керосиновые, а иногда и более тяжелые масляные фракции.

4. Газы газогидратных залежей.

Компонентный состав и свойства отдельных компонентов природного газа приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные свойства компонентов природных газов в стандартных условиях

Свойство	Обозначение
Молекулярная масса
Объем 1кг газа, м3
Плотность по воздуху
Масса 1м3 газа, кг
Критическое давление, МПа
Критическая температура, К

Во многих случаях состав природных углеводородных газов определяется не полностью, а лишь до бутана (С4Н10) или гексана (С6Н14) включительно, а все остальные компоненты объединяются в остаток (или псевдокомпонент).

Газ, в составе которого тяжелые углеводороды составляют не более 75 г/м3, называют сухим. При содержании тяжелых углеводородов более 150 г/м3 газ называют жирным.

Газовые смеси характеризуются массовыми или молярными концентрациями компонентов. Для характеристики газовой смеси необходимо знать ее среднюю молекулярную массу, среднюю плотность в килограммах на кубический метр или относительную плотность по воздуху.

Молекулярная масса М природного газа:

где М – молекулярная масса i-го компонента; xi – объемное содержание i-го компонента, доли ед.

Для реальных газов обычно М=16 – 20.

Плотность газа ρг рассчитывается по формуле:

где Vм – объем 1 моля газа при стандартных условиях.

Обычно ρг находится в пределах 0,73 – 1,0 кг/м3.

Плотность газа в значительной степени зависит от давления и температуры, и поэтому для практического применения этот показатель неудобен. Чаще пользуются относительной плотностью газа по воздуху ρг.в., равной отношению плотности газа ρг к плотности воздуха ρв, взятой при тех же давлении и температуре:

ρг.в. = ρг / ρв,

Если ρг и ρв определяются при стандартных условиях, то ρв = 1,293 кг/м3 и ρг.в. = ρг / 1,293.

Плотность нефтяных газов колеблется от 0,554 (для метана) до 2,006 (для бутана) и выше.

Вязкость газа характеризует силы взаимодействия между молекулами газа, которые преодолеваются при его движении. Она увеличивается при повышении температуры, давления и содержания углеводородных компонентов. Однако при давлениях выше 3МПа увеличение температуры вызывает понижение вязкости газа.

Вязкость нефтяного газа незначительна и при 0оС составляет 0,000131 пз; вязкость воздуха при 0оС равна 0,000172 пз.

Уравнения состояния газов используются для определения многих физических свойств природных газов. Уравнением состояния называется аналитическая зависимость между параметрами газа, описывающая поведение газа. Такими параметрами являются давление, объем и температура.

Состояние идеальных газов в условиях высоких давления и температуры определяется уравнением Клапейрона - Менделеева:

где р - давление; Vи - объем идеального газа, N- число киломолей газа; R- универсальная газовая постоянная; Т - температура.

Идеальным называется газ, силами взаимодействия между молекулами которого пренебрегают. Реальные углеводородные газы не подчиняются законам идеальных газов. Поэтому уравнение Клапейрона-Менделеева для реальных газов записывается в виде:

где Z - коэффициент сверхсжимаемости реальных газов, зависящий от давления, температуры и состава газа и характеризующий степень отклонения реального газа от закона для идеальных газов.

Коэффициент сверхсжимаемости Z реальных газов - это отношение объемов равного числа молей реального V и идеального Vи газов при одинаковых термобарических условиях (т. е. при одинаковых давлении и температуре):

Значения коэффициентов сверхсжимаемости наиболее надежно могут быть определены на основе лабораторных исследований пластовых проб газов. При отсутствии таких исследований (как это чаще всего бывает на практике) прибегают к расчетному методу оценки Z по графику Г. Брауна (рис.1). Для пользования графиком, необходимо знать, так называемые, приведенные псевдокритическое давление и псевдокритическую температуру.

Критической называется такая температура, выше которой газ не может быть превращен в жидкость ни при каком давлении. Критическим давлением называется давление, соответствующее критической точке перехода газа в жидкое состояние.

С приближением значений давления и температуры к критическим свойства газовой и жидкой фаз становятся одинаковыми, поверхность раздела между ними исчезает и плотности их уравниваются.

С появлением в системе двух и более компонентов в закономерностях фазовых изменений возникают особенности, отличающие их поведение от поведения однокомпонентного газа. Не останавливаясь на подробностях, следует отметить, что критическая температура смеси находится между критическими температурами компонентов, а критическое давление смеси всегда выше, чем критическое давление любого компонента.

Для определения коэффициента сверхсжимаемости Z реальных газов, представляющих собой многокомпонентную смесь, находят средние из значений критических давлений и температур каждого компонента. Эти средние называются псевдокритическим давлением pп.кр. и псевдокритической температурой Тп.кр. Они определяются из соотношений:

природный газ метан состав

где ркр. и Ткр. – критические давления и температура i-го компонента; xi – доля i-го компонента в объеме смеси (в долях единицы).

Приведенные псевдокритические давление и температура, необходимые для пользования графиком Брауна, представляют собой псевдокритические значения, приведенные к конкретным давлению и температуре (к пластовым, стандартным или каким-либо другим условиям):

Рпр. = р/рп.кр.,

Тпр. = Т/Тп.кр.,

где р и Т – конкретные давления и температура, для которых определяется Z.

Коэффициент сверхсжимаемости Z обязательно используется при подсчете запасов газа для правильного определения изменения объема газа при переходе от пластовых условий к поверхностным, при прогнозировании изменения давления в газовой залежи и при решении других задач.

Применение Метан используется как горючее в газовых плитах.Пропан и бутан – в качестве топлива в некоторых автомобилях. Также сжиженным пропаном заполняют зажигалки.Этан в качестве горючего используют редко, основное его применение – получение этилена.Этилен является одним из самых производимых органических веществ в мире. Он является сырьём для получения полиэтилена.Ацетилен используется для создания очень высокой температуры в металлургии (сверка и резка металлов). Ацетилен очень горюч, поэтому в качестве топлива в автомобилях не используется, да и без этого условия его хранения должны строго соблюдаться.Сероводород, несмотря на его токсичность, в малых количествах применяется в т.н. сероводородных ваннах. В них используются некоторые антисептические свойства сероводорода.Основным полезным свойством гелия является его очень маленькая плотность (в 7 раз легче воздуха). Гелием заполняют аэростаты и дирижабли. Водород ещё более лёгок, чем гелий, но в то же время горюч. Большую популярность среди детей имеют воздушные шарики, надуваемые гелием.ТоксичностьУглекислый газ. Даже большие количества углекислого газа никак не влияют на здоровье человека. Однако он препятствует поглощению кислорода при содержании в атмосфере от 3% до 10% по объёму. При такой концентрации начинается удушье и даже смерть.Гелий. Гелий абсолютно нетоксичен при нормальных условиях из-за его инертности. Но при повышенном давлении возникает начальная стадия наркоза, похожая на воздействие веселящего газа.Сероводород. Токсичные свойства этого газа велики. При длительном воздействии на обоняние возникает головокружение, рвота. Также парализуется обонятельный нерв, поэтому возникает иллюзия отсутствия сероводорода, а на самом деле организм его уже просто не ощущает. Отравление сероводородом наступает при концентрации 0,2–0,3 мг/м3, концентрация выше 1 мг/м3 - смертельна.Процесс горенияВсе углеводороды при полном окислении (избыток кислорода) выделяют углекислый газ и воду. Например:CH4 + 3O2 = CO2 + 2H2OПри неполном (недостаток кислорода) - угарный газ и воду:2CH4 + 6O2 = 2CO + 4H2OПри ещё меньшем количестве кислорода выделяется мелкодисперсный углерод (сажа):CH4 + O2 = C + 2H2O.Метан горит голубым пламенем, этан - почти бесцветным, как спирт, пропан и бутан - жёлтым, этилен - светящимся, угарный газ - светло-голубым. Ацетилен - желтоватым, сильно коптит. Если у Вас дома стоит газовая плита и вместо обычного голубого пламени вы видите жёлтое - знайте, это метан разбавляют пропаном.

Заключение

Природный газ широко применяется в качестве горючего в жилых, частных и многоквартирных домах для отопления, подогрева воды и приготовления пищи; как топливо для машин (газобаллонное оборудование автомобиля, газовый двигатель), котельных, ТЭЦ и др. Сейчас он используется в химической промышленности как исходное сырьё для получения различных органических веществ, например, пластмасс.

В экологическом отношении природный газ является самым чистым видом органического топлива. При его сгорании образуется значительно меньшее количество вредных веществ по сравнению с другими видами топлива. Однако сжигание человечеством огромного количества различных видов топлива, в том числе природного газа, за последние полвека привело к увеличению содержания углекислого газа в атмосфере, который является парниковым газом.

Список использованной литературы

1. Коршак А.А., Шаммазов А.М., Основы нефтегазового дела. Изд. «УГНТУ. Уфа. 2005г.

2. Гиматудинов Ш.К., Ширковский А.И. Физика нефтяного и газового пласта. Изд. «Недра». М. 1982г.

Размещено на Allbest.ru