>

Физические и химические свойства природного газа. Применение газа в промышленности и хозяйстве

Горение природного газа

Природный газ – это полезное ископаемое в газообразном состоянии. Оно используется в очень широких пределах в качестве топлива . Но сам природный газ как таковой не используется как топливо, из него выделяют его составляющие для отдельного использования. Часто является попутным газом при добыче нефти . Природный газ в пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится в газовом состоянии в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений – это свободный газ ; либо в растворённом состоянии в нефти или воде (в пластовых условиях), а в стандартных условиях – только в газовом состоянии. Также природный газ может находиться в виде газогидратов.

Почти на 90% он состоит из углеводородов , главным образом метана (СН 4). 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.

Химический состав

Основную часть природного газа составляет метан (CH 4) - до 98%. В состав природного газа могут также входить более тяжёлые углеводороды - гомологи метана:

  • этан (C 2 H 6),
  • пропан (C 3 H 8),
  • бутан (C 4 H 10),
  • и другие алканы – от С 5 и выше

А также другие неуглеводородные вещества:

  • более тщательный анализ, позволил обнаружить в природном газе и небольшие количества гелия (Не).

Физические свойства

Ориентировочные физические характеристики (зависят от состава):

  • Плотность :
    • от 0,7 до 1,0 кг/м 3 - сухой газообразный, при н. у.
    • 400 кг/м 3 -жидкий.
  • Теплота сгорания одного м 3 природного газа в газообразном состоянии при н.у.: 28-46 МДж, или 6,7-11,0 Мкал.
  • Октановое число при использовании в двигателях внутреннего сгорания: 120-130.
  • Концентрационные границы воспламенения (взрыва) природного газа (метана) находятся в диапазоне от 5 до 15 %. Вне этих границ газовоздушная смесь не способна к распространению пламени. При взрыве давление в замкнутом объеме повышается до 0,8... 1 МПа.
  • Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Чтобы можно было определить утечку по запаху, в газ добавляют небольшое количество одорантов (чаще всего в качестве одоранта применяется этил-меркаптан), имеющих сильный неприятный запах, это - одоранты .
  • Природный газ быстро улетучивается и рассеивается в атмосфере, что важно с точки зрения безопасности.

Запасы природного газа

Карта запасов природного газа в мире

Метан и некоторые другие углеводороды широко распространены в космосе. Метан - третий по распространённости газ вселенной, после водорода и гелия. В виде метанового льда он участвует в строении многих удалённых от солнца планет и астероидов, однако такие скопления, как правило, не относят к залежам природного газа, и они до сих пор не нашли практического применения. Значительное количество углеводородов присутствует в мантии Земли, однако они тоже не представляют интереса.

Огромные залежи природного газа сосредоточены в осадочной оболочке земной коры. Согласно теории биогенного (органического) происхождения нефти они образуются в результате разложения останков живых организмов. Считается, что природный газ образуется в осадочной оболочке при больших температурах и давлениях, чем нефть . С этим согласуется тот факт, что месторождения газа часто расположены глубже, чем месторождения нефти.

Огромными запасами природного газа обладает Россия (Уренгойское месторождение), США, Канада. Из других европейских стран стоит отметить Норвегию, но её запасы невелики. Среди бывших республик Советского Союза большими запасами газа владеет Туркмения, а также Казахстан (Карачаганакское месторождение).

Во второй половине XX века в университете им. И. М. Губкина были открыты природные газогидраты (или гидраты метана). Позже выяснилось, что запасы природного газа в данном состоянии огромны. Они располагаются как под землёй, так и на незначительном углублении под морским дном.

Крупнейшие мировые газодобытчики
Страна 2010 2006
Добыча,
млрд куб.м 		Доля мирового
рынка (%) 		Добыча,
млрд куб.м 		Доля мирового
рынка (%)
Российская Федерация 647 673,46 18
Соединенные Штаты Америки 619 667 18
Канада 158
Иран 152 170 5
Норвегия 110 143 4
Китай 98
Нидерланды 89 77,67 2,1
Индонезия 82 88,1 2,4
Саудовская Аравия 77 85,7 2,3
Алжир 68 171,3 5
Узбекистан 65
Туркменистан 66,2 1,8
Египет 63
Великобритания 60
Малайзия 59 69,9 1,9
Индия 53
ОАЭ 52
Мексика 50
Азербайджан 41 1,1
Остальные страны 1440,17 38,4
Мировая добыча газа 100 3646 100

Добыча и обработка природного газа

Газовые месторождения

Залежь нефти или газа представляет собой скопление углеводородов , которые заполняют поры проницаемых пород. Если скопление велико и его эксплуатации экономически целесообразна, залежь считают промышленной. Залежи, занимающие значительные площади, образуют месторождения.

Осушка газа

Содержание влаги в газе при его транспортировании часто вызывает серьезные эксплуатационные затруднения. При определенных внешних условиях (температуре и давлении) влага может конденсироваться , образовывать ледяные пробки и кристаллогидраты , а в присутствии сероводорода и кислорода вызывать коррозию трубопроводов и оборудования. Во избежание перечисленных затруднений газ осушают, снижая температуру точки росы на 5...7 °С ниже рабочей температуры в газопроводе.

Очистка газа от сероводорода и углекислого газа

В горючих газах используемых для газоснабжения городов, содержание сероводорода не должно превышать 2 г на 100 м 3 газа. Содержание углекислого газа нормы не лимитируют, однако по технико-экономическим соображениям в транспортируемом газе оно не должно превышать 2%.

Одоризация газа

Природный газ не имеет запаха. Поэтому для своевременного выявления утечек газа ему придают запах - газ одорируют. В качестве одоранта применяют этил-меркаптан (С 2 Н 5 SН). По токсичности качественно и количественно он идентичен сероводороду, имеет резкий неприятный запах.

Траспортировка

Основным видом транспорта газа, в настоящее время, является трубопроводный . Газ движется по трубам большого диаметра под давлением 75 атмосфер (7,5 МПа). Продвигаясь по трубопроводу газ, теряет энергию, она тратится на преодоление силы трения как между стенкой трубы и газом, так и между слоями самого газа. Чтобы давление в трубопроводе поддерживалось на заданном уровне, на определённом расстоянии друг от друга необходимо наличие компрессорных станций (КС), которые должны поддерживать давление в трубопроводе на уровне 75 атмосфер. Обслуживание и сооружение трубопровода стоит не малых денег, но, тем не менее, трубопровод является наиболее дешёвым способом транспортировки нефти и газа.

Другим способом транспортировки газа является использование специальных танкеров – газовозов. Это специально оборудованные корабли, для перевозки газа в сжиженном состоянии при определённых условиях. Для транспортировки газа этим способом необходимо кроме самих танкеров провести ряд подготовительных мероприятий для возможности их использования. Нужно протянуть газопровод к берегу моря, построить порт для танкеров, завод для сжижения газа, и сами танкеры. Тем не менее, этот вид транспортировки газа является экономически обоснованным при отдалённости потребителя от мест добычи более 3000 км.

Синтез природного газа

Существуют множество способов получения природного газа из других органических веществ, например отходов сельскохозяйственной деятельности, деревообрабатывающей и пищевой промышленности и т. д.

Человечество знает о существовании природного газа давно. По самым осторожным оценкам, природный газ использовался в Китае для отопления и освещения уже к IV веку до н.э. Для его получения бурили скважины, а трубопроводы делались из бамбука. Кроме того, долгое время яркое пламя, не оставляющее пепла, являлось предметом мистического и религиозного культа для некоторых народов. Например, на Апшеронском полуострове (современная территория Азербайджана) в VII веке был воздвигнут храм огнепоклонников Атешгях, служения в котором проходили вплоть до XIX века.

Само слово «газ» было придумано в начале XVII века фламандским естествоиспытателем Яном Баптистом ван Хельмонтом для обозначения полученного им «мертвого воздуха» (углекислого газа). Хельмонт писал: «Такой пар я назвал газ, потому что он почти не отличается от хаоса древних». Но в данном случае мы имеем дело с одной из форм существования вещества.

Относительно происхождения природного газа среди ученых до сих пор не существует единого мнения. Две основные концепции – биогенная и минеральная – утверждают разные причины образования углеводородных полезных ископаемых в недрах Земли.

  • Минеральная теория . Образование полезных ископаемых в пластах горных пород – часть процесса дегазации Земли. Из-за внутренней динамики Земли углеводороды, находящиеся на больших глубинах, поднимаются в зону наименьшего давления, образуя в результате газовые залежи.
  • Биогенная теория . Живые организмы, погибшие и опустившиеся на дно водоемов, разлагались в безвоздушном пространстве. Опускаясь все глубже из-за геологических движений, остатки разложившейся органики превратились под воздействием термобарических факторов (температуры и давления) в углеводородные полезные ископаемые, в том числе – в природный газ.

Относительно недавно группой ученых из Института проблем нефти и газа РАН под руководством доктора геолого-минералогических наук Азария Баренбаума была разработана новая концепция происхождения нефти и газа . Согласно этой теории, крупные залежи углеводородов могут возникать не за миллионы лет, как ранее считалось, а лишь за десятилетия.

Природный газ может существовать в виде газовых залежей, находящихся в пластах некоторых горных пород, в виде газовых шапок (над нефтью), а также в растворенном или кристаллическом виде. Также природный газ может находиться в виде газогидратов (гидраты природных газов – это газовые гидраты или клатраты – кристаллические соединения, образующиеся при определенных термобарических условиях из воды и газа).

Природный газ имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами топлива и сырья :

  • стоимость добычи природного газа значительно ниже, чем других видов топлива; производительность труда при его добыче выше, чем при добыче нефти и угля;
  • отсутствие в природных газах оксида углерода предотвращает возможность отравления людей при утечках газа;
  • при газовом отоплении городов и населенных пунктов гораздо меньше загрязняется воздушный бассейн;
  • при работе на природном газе обеспечивается возможность автоматизации процессов горения, достигаются высокие КПД;
  • высокие температуры в процессе горения (более 2000°С) и удельная теплота сгорания позволяют эффективно применять природный газ в качестве энергетического и технологического топлива.

Газ - более молодое топливо чем нефть. Эпоха природного газа, по сути, началась с открытия в 1959 г. месторождения Гронинген в Нидерландах и последовавших за этим открытий газовых запасов Великобританией в южном бассейне Северного моря в середине 60-х гг.

По данным МЭА, с сначала 70-х гг. доля газа в мировом энергобалансе выросла с 16 до 21% в 2008 г. По данным ВР Statistical Review of World Energy, данная доля в 2008-2010 гг. в мировом потреблении энергии оказалась еще выше - около 24%. В прогнозном исследовании ВР по развитию Мировой энергетики до 2030 года говорится, что природный газ будет самым быстрорастущим видом топлива в ближайшие 25 лет. При этом эксперты Международного энергетического агентства считают, что доля газа в мировом энергобалансе к 2035 году увеличится с 21% до 25%, газ станет вторым после нефти энергоносителем, сместив на третье место уголь.

Химический состав

Химический состав природного газа достаточно прост. Основную часть этого вида газа составляет метан (CH4) – простейший углеводород (органическое соединение, состоящее из атомов углерода и водорода), его доля превышает 92%.

В зависимости от содержания метана выделяются две основные группы природного газа:

  • Природный газ группы H (Н–газ, т.е. высококалорийный газ) в связи с высоким содержанием метана (от 87% до 99%) является самым высококачественным. Российский природный газ относится к группе Н и отличается высокой теплотворной способностью. Ввиду высокого содержания метана (~ 98%) он является самым высококачественным природным газом мира.
  • Природный газ группы L (L–газ, т.е. низкокалорийный газ) – это природный газ с менее высоким содержанием метана – от 80% до 87%. Если требования по качеству не выполняются (11,1 кВт-ч/куб.м), то часто газ нельзя поставлять непосредственно конечному потребителю без дополнительной переработки.

Помимо метана в состав природного газа могут входить более тяжелые углеводороды, гомологи метана: этан (C2H6), пропан (C3H8), бутан (C4H10) и некоторые неуглеводородные примеси. В то же время важно, что состав природного газа не постоянен и меняется от месторождения к месторождению.

Физические свойства

Ориентировочные физические характеристики (зависят от состава):

  • Плотность: от 0,7 до 1,0 кг/м3 (сухой газообразный, при нормальных условиях) либо 400 кг/м3 (жидкий).
  • Температура возгорания: t = 650°C .
  • Теплота сгорания одного м3 природного газа в газообразном состоянии при н.у.: 28-46 МДж, или 6,7-11,0 Мкал.
  • 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.

Применение

Обладая такими преимуществами перед другими энергоносителями как, например, экономичность и экологичность, природный газ приобретает все большее значение в промышленности и бытовых хозяйствах.

Природный газ как ископаемый энергоноситель используется главным образом для отопления жилых и промышленных помещений, для приготовления пищи, выработки электроэнергии, а также в промышленно-производственном секторе для выработки тепловой энергии.

В небольшом объеме природный газ используется в качестве моторного топлива. В связи с ростом цен на бензин за последние годы и месяцы возросло количество частного транспорта, переоснащенного на газовые двигатели. Кроме того, осуществляется переоснащение грузовых автомобилей и автобусов для работы на природном газе. Наряду с фактором затрат важным аргументом в пользу природного газа является более низкий уровень выделения в атмосферу вредных веществ.

20 ведущих стран мира по доказанным запасам газа (по итогам 2010 г.)

Страна Запасы

(трлн куб. м)

Доля от общемировых (%)
1 РФ 44,76 23,9
2 Иран 29,61 15,8
3 Катар 25,32 13,5
4 Туркменистан 8,03 4,3
5 Саудовская Аравия 8,01 4,3
6 США 7,71 4,1
7 ОАЭ 6,43 3,4
8 Венесуэла 5,45 2,9
9 Нигерия 5,29 2,8
10 Алжир 4,50 2,4
11 Ирак 3,16 1,7
12 Индонезия 3,06 1,6
13 Австралия 2,92 1,6
14 Китай 2,80 1,5
15 Малазия 2,39 1,3
16 Египет 2,21 1,2
17 Норвегия 2,04 1,1
18 Казахстан 1,84 1
19 Кувейт 1,78 1
20 Канада 1,72 0,9

Источник

20 ведущих стран мира по потреблению газа (по итогам 2010 г.)

Страна Потребление (млрд куб.м) Доля от общемирового (%)
1 США 683,4 21,7
2 РФ 414,1 13
3 Иран 136,9 4,3
4 Китай 109,0 3,4
5 Япония 94,5 3
6 Великобритания 93,8 3
7 Канада 93,8 3
8 Саудовская Аравия 83,9 2,6
9 Германия 81,3 2,6
10 Италия 76,1 2,4
11 Мексика 68,9 2,2
12 Индия 61,9 1,9
13 ОАЭ 60,5 1,9
14 Украина 52,1 1,6
15 Франция 46,9 1,5
16 Узбекистан 45,5 1,4
17 Египет 45,1 1,4
18 Таиланд 45,1 1,4
19 Нидерланды 43,6 1,4
20 Аргентина 43,3 1,4

Источник : BP Statistical Review of World Energy 2011

20 ведущих стран мира по добыче газа (по итогам 2010 г.)

Страна Добыча

(млрд куб.м)

Доля от общемирового (%)
1 США 611 19,3
2 Россия 588,9 18,4
3 Канада 159,8 5
4 Иран 138,5 4,3
5 Катар 116,7 3,6
6 Норвегия 106,4 3,3
7 Китай 96,8 3
8 Саудовская Аравия 83,9 2,6
9 Индонезия 82 2,6
10 Алжир 80,4 2,5
11 Нидерланды 70,5 2,2
12 Малайзия 66,5 2,1
13 Египет 61,3 1,9
14 Узбекистан 59,1 1,8
15 Великобритания 57,1 1,8
16 Мексика 55,3 1,7
17 ОАЭ 51 1,6
18 Индия 50,9 1,6
19 Австралия 50,4 1,6
20 Тринидад и Тобаго 42,4 1,3

Источник : BP Statistical Review of World Energy 2011

Природный газ отлично вступает в химическую реакцию горения. Поэтому чаще всего из него получают энергию - электрическую и тепловую. Но на основе газа можно сделать еще удобрение, топливо, краску и многое другое.

Зеленое топливо

В России около половины поставок газа приходится на энергетические компании и коммунальное хозяйство. Даже если в доме нет газовой плиты или газового водонагревателя, все равно свет и горячая вода, скорее всего, получены с использованием природного газа.
Природный газ - самое чистое среди углеводородных ископаемых топлив. При его сжигании образуются только вода и углекислый газ, в то время как при сжигании нефтепродуктов и угля образуются еще копоть и зола. Кроме того, эмиссия парникового углекислого газа при сжигании природного газа самая низкая, за что он получил название «зеленое топливо». Благодаря своим высоким экологическим характеристикам природный газ занимает доминирующее место в энергетике мегаполисов.

На газе можно ездить

Природный газ может использоваться как моторное топливо. Сжатый (или компримированный) метан стоит в два раза дешевле 76-го бензина, продлевает ресурс двигателя и способен улучшить экологию городов. Двигатель на природном газе соответствует экологическому стандарту Евро-4. Газ можно использовать для обычных автомобилей, сельскохозяйственного, водного, воздушного и железнодорожного транспорта.

Компримированный газ получают на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях (АГНКС) путем сжатия природного газа, поступающего по газопроводу, до 20–25 МПа (200–250 атмосфер).

Еще из природного газа можно производить жидкие моторные топлива по технологии «газ-в-жидкость» (gas-to-liquid, GTL). Поскольку природный газ - достаточно инертный продукт, практически всегда при переработке на первом этапе его превращают в более реакционно-способную парогазовую смесь - так называемый синтез-газ (смесь СО и Н 2).
Далее ее направляют на синтез для получения жидкого топлива. Это может быть так называемая синтетическая нефть, дизельное топливо, а также смазочные масла и парафины.

Впервые жидкие углеводороды из синтез-газа получили немецкие химики Франц Фишер и Ганс Тропш еще в 1923 году. Правда, тогда в качестве источника водорода они использовали уголь. В настоящее время различные варианты метода Фишера-Тропша используются во многих представленных на рынке процессах превращения газа в жидкие углеводороды.

Отбензинивание

Первичная переработка газа происходит на ГПЗ - газоперерабатывающих заводах .
Обычно в природном газе помимо метана содержатся разнообразные примеси, которые необходимо отделить. Это азот, углекислый газ, сероводород, гелий , пары воды.
Поэтому в первую очередь газ на ГПЗ проходит специальную обработку - очистку и осушку. Здесь же газ компримируют до давления, необходимого для переработки. На отбензинивающих установках газ разделяют на нестабильный газовый бензин и отбензиненный газ - продукт, который впоследствии и закачивают в магистральные газопроводы. Этот же уже очищенный газ идет на химических заводы, где из него производят метанол и аммиак.

А нестабильный газовый бензин после выделения из газа подается на газофракционирующие установки, где из этой смеси выделяются легкие углеводороды: этан, пропан, бутан, пентан. Эти продукты тоже становятся сырьем для дальнейшей переработки. Из них в дальнейшем получают, к примеру, полимеры и каучуки. А смесь пропана и бутана сама по себе является готовым продуктом - ее закачивают в баллоны и используют в качестве бытового топлива.

Краска, клей и уксус

По схеме, похожей на процесс Фишера-Тропша, из природного газа получают метанол (CH 3 OH). Он используется в качестве реагента для борьбы с гидратными пробками, которые образуются в трубопроводах при низких температурах. Метанол может стать и сырьем для производства более сложных химических веществ: формальдегида, изоляционных материалов, лаков, красок, клеев, присадок для топлива, уксусной кислоты.

Путем нескольких химических превращений из природного газа получают также минеральные удобрения. На первой стадии это аммиак. Процесс получения аммиака из газа похож на процесс gas-to-liquid, но нужны другие катализаторы, давление и температура.

Аммиак сам по себе является удобрением, а также используется в холодильных установках как хладагент и в качестве сырья для производства азотсодержащих соединений: азотной кислоты, аммиачной селитры, карбамида.

Как получается аммиак

Вначале природный газ очищают от серы, затем он смешивается с подогретым водяным паром и поступает в реактор, где проходит через слои катализатора. Эта стадия называется первичным риформингом, или парогазовой конверсией. Из реактора выходит газовая смесь, состоящая из водорода, метана, углекислого (СО 2) и угарного газов (СО). Далее эта смесь направляется на вторичный риформинг (паровоздушная конверсия), где смешивается с кислородом из воздуха, паром и азотом в необходимом соотношении. На следующем этапе из смеси удаляют СО и СО 2 . После этого смесь водорода и азота поступает собственно на синтез аммиака.

Состоянии в виде естественных газогидратов .

Химический состав

Основную часть природного газа составляет метан (CH 4) - от 70 до 98 %. В состав природного газа могут входить более тяжёлые углеводороды - гомологи метана :

  • этан (C 2 H 6),
  • пропан (C 3 H 8),
  • бутан (C 4 H 10).

Природный газ содержит также другие вещества, не являющиеся углеводородами:

  • гелий (He) и другие инертные газы .

Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Для облегчения возможности определения утечки газа в него в небольшом количестве добавляют одоранты - вещества, имеющие резкий неприятный запах (гнилой капусты, прелого сена, тухлых яиц). Чаще всего в качестве одоранта применяется тиолы (меркаптаны), например, этилмеркаптан (16 г на 1000 м³ природного газа).

Физические свойства

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

Месторождения природного газа

В осадочной оболочке земной коры сосредоточены огромные залежи природного газа. Согласно теории биогенного (органического) происхождения нефти, они образуются в результате разложения останков живых организмов. Считается, что природный газ образуется в осадочной оболочке при бо́льших температурах и давлениях, чем нефть. С этим согласуется тот факт, что месторождения газа часто расположены глубже, чем месторождения нефти .

Огромными запасами природного газа обладают Россия (Уренгойское месторождение), Иран , большинство стран Персидского залива, США , Канада . Из европейских стран стоит отметить Норвегию , Нидерланды . Среди бывших республик Советского Союза большими запасами газа владеют Туркмения , Азербайджан , Узбекистан , а также Казахстан (Карачаганакское месторождение).

Метан и некоторые другие углеводороды широко распространены в космосе . Метан - третий по распространённости газ во Вселенной, после водорода и гелия. В виде метанового льда он участвует в строении многих удалённых от солнца планет и астероидов, однако такие скопления, как правило, не относят к залежам природного газа, и они до сих пор не нашли практического применения. Значительное количество углеводородов присутствует в мантии Земли , однако они тоже не представляют интереса.

Газогидраты

В науке долгое время считалось, что скопления углеводородов с молекулярным весом более 60 пребывают в земной коре в жидком состоянии, а более лёгкие - в газообразном. Однако во второй половине XX века группа сотрудников А. А. Трофимук, Н. В. Черский, Ф. А. Требин, Ю. Ф. Макогон, В. Г. Васильев обнаружили свойство природного газа в определённых термодинамических условиях переходить в земной коре в твёрдое состояние и образовывать газогидратные залежи . Позже выяснилось, что запасы природного газа в этом состоянии огромны.

Газ переходит в твёрдое состояние в земной коре, соединяясь с пластовой водой при гидростатических давлениях до 250 атм и сравнительно низких температурах (до +22 °C ). Газогидратные залежи обладают несравненно более высокой концентрацией газа в единице объёма пористой среды, чем в обычных газовых месторождениях, так как один объём воды при переходе её в гидратное состояние связывает до 220 объёмов газа. Зоны размещения газогидратных залежей сосредоточены главным образом в районах распространения многолетнемёрзлых пород , а также на небольшой глубине под океаническим дном .

Запасы природного газа

Добыча и транспортировка

Добыча

Применение

Природный газ широко применяется в качестве горючего в жилых, частных и многоквартирных домах для отопления, подогрева воды и приготовления пищи; как

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Природный газ – это смесь газов (органической и неорганической природы), образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ. Полезное ископаемое.

Значительная составляющая природного газа – метан (70 — 98%), затем идут этан, пропан и бутан; среди газов неорганической природы в состав природного газа могут входить моно- и диоксид углерода, азот, инертные газы, водород, сероводород. Химический состав природного газа (объемное содержание каждого из газов) может меняться в зависимости от месторождения.

Химические свойства природного газа

Поскольку природный газ представляет собой смесь газов, то невозможно указать, какие химические свойства для него характерны, т.к. для каждого вещества, входящего в его состав характерны свои, особые химические свойства. Однако, можно сказать, что для природного газа характерно горение, причем из всех веществ, входящих в состав природного газа на воздухе сгорают только углеводороды (метан, этан и т.д.) и монооксид углерода. Продукты реакции горения природного газа:

CH 4 + 2O 2 = CO 2 +2H 2 O;

2C 2 H 6 + 7O 2 = 4CO 2 + 6H 2 O;

2C 3 Н 8 + 10O 2 = 6CO 2 + 8H 2 O;

2CO + O 2 = 2CO 2 .

Физические свойства природного газа

Природный газ при нахождении в недра Земли может находится в газообразном состоянии (газовые залежи), в виде газовой «шапки» нефтегазовых месторождений, в растворенном виде в нефти или в воде. Чистый природный газ не обладает запахом и цветом. Температура возгорания природного газа 650С. Природный газ в 1,8 газ легче воздуха.

Получение природного газа

Природный газ добывают из недр Земли с помощью скважин. Газ выходит из недр вследствие того, что в пласте находится под давлением, многократно превышающем атмосферное. Таким образом, движущей силой является разность давлений в пласте и системе сбора.

Применение природного газа

Основное направление использования природного газа — в качестве горючего для отопления жилых домов, подогрева воды и приготовления пищи; в качестве топливо для машин, котельных, ТЭЦ и др. Также, природный газ используют в химической промышленности (сырьё для получения различных органических веществ).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание природный газ одного из месторождений содержит 85% метана, 6% этана, 3% оксида углерода (II), 4,5% углекислого газа, 1,5% азота и инертных газов по объему. Какой объем воздуха потребуется для сжигания 1м 3 этого газа. Объемная доля кислорода в воздухе – 21%.
Решение Сжигание природного газа на воздухе происходит из-за окислительной способности кислорода, входящего в его состав. Среди газов, входящих в состав природного газа реакции горения подвергаются только углеводороды и оксид углерода (II). Запишем уравнения реакций горения этих газов в кислороде.

2CO + O 2 = 2CO 2 (3).

V(CH 4) = 1000×0,85 = 850 л;

V(C 2 H 6) = 1000×0,06 = 60 л;

V(CО) = V gas ×φ (CО)/100%;

V(CО) = 1000×0,03 = 30 л.

По 1 уравнению n(CH 4) : n(O 2) = 1:2, следовательно, n(O 2) = 2× n(CH 4) = 2× 850 /22,4 = 76 моль. Тогда объем кислорода, необходимый для сжигания 850 л метана:

V(O 2) 1 = 76×22,4 = 1702 л.

По 2 уравнению n(C 2 H 6) : n(O 2) = 2:7, следовательно, n(O 2) = 7/2× n(C 2 H 6) = 7/2× 60 /22,4 = 9,4 моль. Тогда объем кислорода, необходимый для сжигания 850 л метана:

V(O 2) 2 = 9,4×22,4 = 210,6 л.

По 3 уравнению n(CО) : n(O 2) = 2:1, следовательно, n(O 2) = 1/2× n(CО) = 1/2× 30 /22,4 = 0,7 моль. Тогда объем кислорода, необходимый для сжигания 850 л метана:

V(O 2) 3 = 0,7×22,4 = 15,7 л.

V sum = V(O 2) 1 + V(O 2) 2 + V(O 2) 3 = 1702 + 210,6 + 15,7 = 1928,3 л.

Т.к. объемная доля кислорода в воздухе 21%, то объем воздуха, необходимый для сжигания природного газа:

V = V(O 2) sum / 0,21 = 1928,3 / 0,21 = 9182 л = 0,9182 м 3 .
Ответ Объем воздуха – 0,9182 м.

ПРИМЕР 2

Задание природный газ одного из месторождений содержит 92% метана, 4% этана, 7% пропана, 2% углекислого газа и 1% азота. Какой объем кислорода потребуется для сжигания 200л этого газа.
Решение Среди газов, входящих в состав природного газа реакции горения в кислороде подвергаются только углеводороды. Запишем уравнения реакций горения этих газов в кислороде.

CH 4 + 2O 2 = CO 2 +2H 2 O (1);

2C 2 H 6 + 7O 2 = 4CO 2 + 6H 2 O (2);

2C 3 Н 8 + 10O 2 = 6CO 2 + 8H 2 O (3).

Найдем объемы сгорающих газов, зная их объемные доли (см. условие задачи):

V(CH 4) = V gas ×φ (CH 4)/100%;

V(CH 4) = 200×0,92 = 184 л;

V(C 2 H 6) = V gas ×φ (C 2 H 6)/100%;

V(C 2 H 6) = 200×0,04 = 8 л;

V(C 3 Н 8) = V gas ×φ (C 3 Н 8)/100%;

V(C 3 Н 8) = 200×0,01 = 2 л.

По 1 уравнению n(CH 4) : n(O 2) = 1:2, следовательно, n(O 2) = 2× n(CH 4) = 2× 184 /22,4 = 16 моль. Тогда объем кислорода, необходимый для сжигания 850 л метана:

V(O 2) 1 = 16×22,4 = 358,4 л.

По 2 уравнению n(C 2 H 6) : n(O 2) = 2:7, следовательно, n(O 2) = 7/2× n(C 2 H 6) = 7/2× 8 /22,4 = 1,25 моль. Тогда объем кислорода, необходимый для сжигания 850 л метана:

V(O 2) 2 = 1,25×22,4 = 28 л.

По 3 уравнению n(C 3 Н 8) : n(O 2) = 2:10, следовательно, n(O 2) = 5× n(C 3 Н 8) = 5× 2 /22,4 = 0,4 моль. Тогда объем кислорода, необходимый для сжигания 850 л метана:

V(O 2) 3 = 0,4×22,4 = 8,96 л.

Суммарный объем кислорода, затраченный на сжигание природного газа составит:

V sum = V(O 2) 1 + V(O 2) 2 + V(O 2) 3 = 358,4 + 28 + 8,96 = 395,36 л.
Ответ Объем кислорода — 395,36 л.