Содержание метана в природном газе. Природный газ. Химический состав. Месторождения

Природный газ - одно из важнейших горючих ископаемых, занимающие ключевые позиции в топливно-энергетических балансах многих государств, важное сырьё для химической промышленности.

Почти на 90% он состоит из углеводородов, главным образом метана СН4. Содержит и более тяжёлые углеводороды-этан, пропан, бутан, а так же 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.

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

Метан, содержашийся в природном газе, представляет немалую ценность для химической промышленности. При неполном сгорание его образуется водород, оксид углерода СО, ацетилен, а от них начинаются разнообразные цепи химических превращений, приводящих к образованию альдегидов, спиртов, ацетона, уксусной кислоты, амиака. . . Природный газ, а не вода, я вляется главным источником промышленного получения водорода. И всё же в основном метан идёт на сжигание. Синтетические возможности других углеводородов, содержащихся в природном газе, более богатые, чем метана. Эти углеводороды превращают прежде всего в этилен и пропилен-важнейшее сырьё для производства пластических масс. Главная ветвь превращения бутана выглядит так: бутан-бутилен-бутадиен-изопрен-синтетические каучуки. К сожалению, бутановая фракция природного газа и составляет в среднем около 1%.

Очень важно и ценно, что природный газ можно транспортировать на значительные расстояния с относительно небольшими затратами - по газопроводам. Первый в СССР газопровод Саратов-Москва был введён в эксплуатацию в 1946 г.

Известный район добычи газа в нашей стране-Западно-Сибирская платформа. В числе газовых месторождений в этом районе - Уренгойское, Медвежье, Заполярное и др.

Часть мирового запаса газа сосредоточена в виде так называемых газовых гидратов состава М*nH2O (где М-молекула газа, а величина n колеблется от 5. 75 до 17) , или клатратов. Внешне они напоминают спрессованый снег. Их месторождения существуют в условия вечной и многолетней мерзлоты и представляют собой потенциальный источник добычи газа методами, сходными с традиционными способами добычи твёрдых горючих ископаемых. Но пока газовые гидраты осложняют работы газодобытчиков Севера - забивают скважины и трубопроводы, уменьшают их пропускную способность. Для борьбы с ними в скважины закачивают некоторые химикаты или сжигают часть газа.

Хранят природный газ в подземных газохранилищах, нередко используя для этого прежние выработки и огромные естественные пещеры. В газгольдерах же (держателях) хранится лишь минимально необходимый запас газа. Газгольдеры предназначены главным образом для того, чтобы с их помощью регулировать суточные неравномерности потребления газа на производстве.

Физико-химические и теплотехнические характеристики природных газов обусловлены различием в составе горючих компонентов и наличием в газе негорючих газообразных компонентов (балластов) и вредных примесей.

К горючим компонентам относят следующие вещества.

Метан СН 4 Содержание метана в природных газах достигает 98%, и его свойства практически полностью определяют свойства природных газов.

В состав метана входит 75% углерода и 25% водорода; 1 м 3 метана имеет массу 0,717 кг. При атмосферном давлении и температуре 111 К метан сжижается и его объем уменьшается в 600 раз. Использование и транспортирование сжиженного газа дает большой экономический эффект, позволяет значительно снизить затраты на сооружение газопроводов и помогает решить проблемы, связанные с резервированием газоснабжения в отдельных районах и созданием запасов сырья для промышленности.

Вследствие содержания в метане 25% водорода (по массе) имеется большое различие между высшей и низшей теплотой сгорания.

Высшая теплота сгорания метана Q B составляет 39820 кДж/м 3 , 9510 ккал/м 3 ; низшая Q H - соответственно 35880 кДж/м 3 , 8570 ккал/м 3 .

Метан обладает сравнительно низкой реакционной способностью, так как на разрыв четырех связей в молекуле метана требуются большие затраты энергии. Кроме метана в горючих газах могут содержаться этан С 2 Н 6 , пропан С 3 Н 8 , бутан С 4 Н 10 . Углеводороды метанового ряда имеют общую формулу С n Н 2n+2 , где n - углеродное число, равное 1 (для метана), 2 (для этана) и 3 (для пропана). Структура молекул этих углеводородов может быть представлена в следующем виде:

Структура молекул углеводородов

С увеличением числа атомов в молекуле тяжелых углеводородов возрастают их плотность и теплота сгорания.

Оксид углерода СО - бесцветный газ без запаха и вкуса; масса 1 м 3 составляет 1,25 кг; теплота сгорания 13250 кДж/м 3 ,3016 ккал/м 3 . В газах, содержащих метан и другие углеводороды, увеличение процентного содержания оксида углерода понижает теплоту сгорания газа. Оксид углерода оказывает на организм человека токсическое воздействие, так как легко вступает в соединение с гемоглобином крови. В таблице ниже показано влияние оксида углерода на организм человека при различных его концентрациях в воздухе.

Водород Н 2 - бесцветный нетоксичный газ без вкуса и запаха, масса 1 м 3 равна 0,09 кг. Он в 14,5 раза легче воздуха, отличается высокой реакционной способностью; водородно-воздушные смеси имеют широкие пределы воспламенения и весьма взрывоопасны.

Физиологическое воздействие оксида углерода СО на организм человека

Теплота сгорания водорода составляет: Q B - 12750 кДж/м 3 , 3040 ккал/м 3 ; Q H - соответственно 10790 кДж/м 3 , 2580 ккал/м 3 . Сгорая в теоретически необходимом количестве воздуха, 1 м 3 водорода образует 2,88 м 3 продуктов горения.

В негорючую часть газообразного топлива входят азот и диоксид углерода.

Азот N 2 - двухатомный бесцветный газ без запаха и вкуса, масса 1 м 3 азота равна 1,25 кг. Атомы азота соединены между собой в молекуле тройной связью, на разрыв этой связи расходуется 170200 ккал/моль. Азот практически не реагирует с кислородом, поэтому при расчетах процесса горения его рассматривают как инертный газ.

Диоксид углерода С0 2 - бесцветный газ, тяжелый и слабореакционный при низких температурах, имеет слегка кисловатый запах и вкус. Концентрация С0 2 в воздухе в пределах 4-5% приводит к сильному раздражению органов дыхания; 10 %-ная концентрация С0 2 в воздухе вызывает сильное отравление. Масса 1 м 3 С0 2 составляет 1,98 кг. Диоксид углерода тяжелее воздуха в 1,53 раза, при температуре -20 °С и давлении 5,8 МПа превращается в жидкость, которую можно перевозить в стальных баллонах.

В горючих газах могут содержаться также сероводород и кислород.

Сероводород H 2 S - тяжелый газ с сильным и неприятным запахом, напоминающим запах тухлых яиц, обладает высокой токсичностью. Масса 1 м 3 сероводорода равна 1,54 кг; является газообразной кислотой и, воздействуя на металлы, образует сульфиды. Поэтому он сильно корродирует газопроводы, особенно при одновременном содержании в нем H 2 S, Н 2 0 и 0 2 . При сжигании газа сероводород образует сернистый газ, вредный для здоровья. Содержание сероводорода не должно превышать 2 г на 100 м 3 газа.

Кислород 0 2 - газ без запаха, цвета и вкуса, масса 1 м 3 кислорода составляет 1,43 кг. Содержание кислорода в газе понижает его теплотворную способность и делает газ взрывоопасным. Поэтому содержание кислорода в газе не должно быть более 1 % по объему.

Все природные газы в большинстве своем не имеют запаха. Чтобы утечки газа были своевременно обнаружены, горючие газы одо- ризируют, то есть придают им специфический запах, по которому их легко обнаружить даже при незначительных концентрациях в воздухе помещений. Наиболее часто в качестве одоранта применяют этилмеркоптан.

Природный газ - смесь газов, образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ.

Природный газ относится к полезным ископаемым. Природный газ 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. При стандартных условиях (101,325 кПа и 20°C) природный газ находится только в газообразном состоянии. Также природный газ может находиться в кристаллическом состоянии в виде естественных газогидратов.

Природные газы подразделяют на три группы:

Газы, добываемые из чисто газовых месторождений, представляют собой сухой газ без тяжелых углеводородов;

Газы, добываемые из нефтяных месторождений вместе с нефтью, представляют собой смесь сухого газа с газообразным бензином и пропан - бутановой фракцией;

Газы, добываемые из конденсатных месторождений, представляют собой смесь сухого газа и конденсата.

Природные газы состоят преимущественно из предельных углеводородов, но в них встречаются также сероводород, азот, углекислота, водяные пары.

Газы, добываемые из чисто газовых месторождений, состоят в основном из метана.

Газ и нефть в толще земли заполняют пустоты пористых пород, и при больших их скоплениях целесообразна промышленная разработка и эксплуатация залежей.

Давление в пласте зависит от глубины его залегания. Практически через каждые 10 м глубины давление в пласте возрастает на 0,1 МПа (1 кгс/см2).

В состав газообразного топлива входят горючая и негорючая части. Чем больше горючая часть топлива, тем больше удельная теплота его сгорания. Различия в физико-химических и теплотехнических характеристиках газового топлива обусловлены разным количеством в составе газа горючих и негорючих газообразных компонентов (балластов), а также вредных примесей.

К горючим компонентам относятся следующие вещества.

Водород Н2 Бесцветный нетоксичный газ без вкуса и запаха, масса 1 м 3 которого равна 0,09 кг. Он в 14,5 раза легче воздуха. Удельная теплота сгорания водорода составляет: QB - 12 750 кДж/м3, 33 850 ккал/кг и 68 260 ккал / моль; Qн - соответственно 10 800 кДж/м3, 28640 ккал/кг и 57 740 ккал / моль и превышает на теплоту, затрачиваемую на испарение воды, образующейся при сгорании водорода; 1 м 3 водорода, сгорая в теоретически необходимом количестве воздуха, образует 2,88 м 3 продуктов горения.

Водородно-воздушные смеси легко воспламенимы в весьма пожаро - и взрывоопасны.

Метан СН4 Бесцветный нетоксичный газ без запаха и вкуса. В состав метана входит 75% углерода и 25% водорода; масса 1 м 3 метана равна 0,717 кг. При атмосферном давлении и температуре -162°С метан сжижается и его объем уменьшается почти в 600 раз. Поэтому сжиженный природный газ является перспективным энергоносителем для многих отраслей народного хозяйства.

Вследствие содержания в метане 25% водорода (по массе) имеется большое различие между его высшей и низшей удельной теплотой сгорания. Высшая удельная теплота сгорания метана Qв составляет 39 820 кДж/м3, 13 200 ккал/кг и 212 860 ккал / моль; низшая - Qн - соответственно 35 880 кДж/м3, 11 957 ккал/кг и 191 820 ккал / моль.

Природные и попутные газы, состоящие в основном из метана, представляют собой не только высококалорийное топливо, но ценное сырье для химической промышленности.

Метан обладает сравнительно низкой реакционной способностью. Это объясняется тем, что на разрыв четырех связей С-Н в молекуле метана требуется большая затрата энергии. Кроме метана в горючих газах могут содержаться этан C2H6, пропан С3Н8, бутан С4Н10 и др.

Углеводороды метанового ряда имеют общую формулу СnН2n+2, где п - углеродное число, равное 1 для метана, 2 для этана и 3 для пропана. С увеличением числа атомов в молекуле тяжелых углеводородов возрастают ее плотность и удельная теплота сгорания.

Оксид углерода СО. Бесцветный газ без запаха и вкуса масса 1 м 3 которого составляет 1,25 кг; удельная теплота сгорания 13 250 кДж/м3, 2413 ккал/кг или 67 590 ккал / моль, Увеличение содержания оксида углерода за счет снижения балласта (CO2 + N2) резко повышает удельную теплоту сгорания и температуру горения низкокалорийных газов. В высококалорийных газах, содержащих метан и другие углеводороды, увеличение процентного содержания оксида углерода понижает удельную теплоту сгорания газа. При этом образуется 2,88 м 3 продуктов горения. Вследствие малого их объема на каждый кубический метр оксида углерода приходится больше теплоты, чем на 1 м 3 продуктов горения углеводородов.

Оксид углерода легко вступает в соединение с гемоглобином крови. При содержании в воздухе 0,04% СО примерно 30% гемоглобина крови вступает в химическое соединение с оксидом углерода, при 0,1% СО - 50%, при 0,4%-более 80%. Оксид углерода относится к высокотоксичным газам, и находиться в помещении, воздух которого содержит 0,2% СО, в течение 1 ч вредно для организма, а при содержании 0,5% СО находиться в помещении даже в течение 5 мин опасно для жизни.

В негорючую часть газообразного топлива входят азот, углекислый газ и кислород.

Азот N2. Бесцветный газ без запаха и вкуса. Плотность азота равна 1,25 г./м3 Атомы азота соединены между собой в молекуле тройной связью N = N, на разрыв которой расходуется 170,2 тыс. ккал / моль теплоты.

Азот практически не реагирует с кислородом, поэтому при расчетах процесса горения его рассматривают как инертный газ. Содержание азота в различных газах колеблется в значительных пределах.

Углекислый газ СО2. Бесцветный газ, тяжелый, малореакционный при низких температурах. Имеет слегка кисловатый запах и вкус. Концентрация СО2 в воздухе в пределах 4-5% приводит к сильному раздражению органов дыхания, а в пределах 10% вызывает сильное отравление.

Плотность СО2 составляет 1,98 г./м3. Углекислый газ тяже лее воздуха в 1,53 раза, при температуре - 20 0С и давления 5,8 МПа (58 кгс/см г) он превращается в жидкость, которую можно перевозить в стальных баллонах. При сильном охлаждении CO2 застывает в белую снегообразную массу. Твердый СО2, или сухой лед, широко используется для хранения скоропортящихся продуктов в других целей.

Кислород О2. Газ без запаха, цвета и вкуса. Плотность его составляет 1,43 г./м3. Присутствие кислорода в газе понижает удельную теплоту сгорания и делает газ взрывоопасным. Поэтому содержание кислорода в газе не должно быть более 1% от объема.

К вредным примесям относятся следующие газы.

Сероводород H2S. Бесцветный газ с сильным запахом, напоминающим запах тухлых яиц, обладает высокой токсичностью. Масса 1 м 3 сероводорода равна 1,54 кг.

Сероводород, воздействуя на металлы, образует сульфиды. Он оказывает сильное корродирующее воздействие на газопроводы, особенно при одновременном присутствии в газе H2S, Н2О и О2. При сжигании сероводород образует сернистый газ, вредный для здоровья и оказывающий коррозионное воздействие на металлические поверхности. Содержание сероводорода в газе не должно превышать 2 г на 100 м 3 газа.

Цианистоводородная (синильная) кислота HCN. Представляет собой бесцветную легкую жидкость с температурой кипения 26 0С. Вследствие такой низкой температуры кипения HCN находится в горючих газах в газообразном состоянии. Синильная кислота очень ядовита, обладает корродирующим воздействием на железо, медь, олово, цинк и их сплавы. Поэтому допускается наличие не более 5 г цианистых соединений (в пересчете на HCN) на каждые 100 м3газа.

Для того чтобы своевременно обнаружить утечку, все горючие газы, направленные в городские газопроводы, подвергают одоризации, т.е. придают им резкий специфический запах, по которому их легко обнаружить даже при незначительных концентрациях в воздухе помещений. Одоризация газов производится с помощью специальных жидкостей, обладающих сильными запахом. Наиболее часто в качестве одноранта применяют этил меркаптан. При этом запах газа должен ощущаться при концентрации его в воздухе не более 1/5 части нижнего предела взрываемости. Практически это означает, что природный газ, имеющий нижний предел взрываемости, равный 5%, должен чувствоваться в воздухе помещений при 1%-ной концентрации. Запах сжиженных газов должен ощущаться при 0,5%-ной концентрации их в объеме помещения.