Метан входит в состав природного газа и химический состав и элементы, входящие в состав нефти, газов, битума

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.

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

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

Температура
кипения при атмосферном давлении: –162°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.

Таблица
1. Основные свойства компонентов природных
газов в стандартных условиях

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.

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):

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.

Токсичность
Углекислый
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
горения
Все
углеводороды при полном окислении
(избыток кислорода) выделяют углекислый
газ и воду. Например:
CH4
+ 3O2 = CO2 + 2H2O
При
неполном (недостаток кислорода) — угарный
газ и воду:
2CH4
+ 6O2 = 2CO + 4H2O
При
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.

Горение
— быстропротекающая химическая реакция
соединения горючих компонентов с
кислородом, сопровождающаяся интенсивным
выделением теплоты и резким повышением
температуры продуктов сгорания.

Реакция
горения чистого метана:

CH4 +
2O2 =
CO2 +
2H2O + Выделение тепла

Так
как больший объем составляет метан, то
принято общую формулу природного газа
выражать формулой непосредственно
метана. Так, получается, что химическая
формула природного газа метана -СН4.

Остальные
компоненты имеют следующие эмпирические
формулы в химии:

углекислый
газ — СО2;

Смесь
таких веществ и является природным
газом.

Чаще
всего очистка
природного газа происходит
непосредственно при добыче исходного
сырья. В зависимости от состава и
концентрации примесей выбирают тот или
иной способ очистки. 
В
мировой практике чаще всего
применяют хемосорбционные
способы очистки,
где основными действующими веществами
являются растворы
алкаколамина с водой или бенфилд (карбонат
калия и вода с добавками). Следующими
по популярности являютсякомбинированные
методики,
сочетающие в себе химические и физические
процессы, с присутствием в качестве
действующего агента сульфинола. При
необходимости тонкой
очистки сырья,
применяют твердые адсорбенты и окисление
серы до твердого осадка.

Получение
в лаборатории и промышленности

Помимо
природных мест образования газа,
существует ряд способов получить его
в лабораторных условиях. Однако эти
способы, безусловно, используются только
для небольших порций продукта, так как
экономически осуществлять синтез
природного газа в лаборатории не выгодно.

• Гидролизом
  низкомолекулярного соединения — карбида
  алюминия: AL4C3 + 12H2O = 3CH4 + 4AL(OH)3.
• Из
  ацетата натрия в присутствии щелочи:
  CH3COOH + NaOH = CH4 + Na2CO3.
• Из
  синтез-газа: CO+ 3H2 = CH4 + H2O.
• Из
  простых веществ — водорода и углерода
  — при повышенной температуре и давлении.

Химическая
формула природного газа отражается
формулой метана, поэтому все реакции,
характерные для алканов, характерны и
для данного газа.

Бытовой
газ= Природный газ + Добавки для запаха

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 (гнилой капусты, прелого
сена) (т. н. одорантов). Чаще всего в
качестве одоранта применяется
этилмеркаптан (С2H5SH) (16г на 1000 куб. м.
природного газа).

Типы классификаций реакции.

По
числу веществ и образующихся веществ
По
изменению степени окисления атомов

Без
изменения степени окисления
С
изменением степени окисления

СОЕДИНЕНИЯ
A
+ B = AB
Из
нескольких простых или сложных веществ
образуется одно сложное 
CaO+H2O=Ca(OH)2

PbO+SiO2=PbSiO3
H2+Cl2=2HCl
4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3

РАЗЛОЖЕНИЯ
AB
= A + B 
Из
сложного вещества образуется несколько
простых или сложных веществ
Cu(OH)2=CuO+H2OCaCO3=CaO+CO2
NH4Cl=NH3+HCl
4HNO3=2H2O+4NO2+O2
4KClO3=3KClO4+KCl

ЗАМЕЩЕНИЯ
A
+ BC =AC + B 
Атом
простого вещества замещает один из
атомов сложного
CuSO4+Fe=FeSO4+Cu
2KBr+Cl2=2KCl+Br2

ОБМЕНА
AB
+ CD = AD + CB
Сложные
вещества обмениваются своими составными
частями
AgNO3+KBr=AgBr
NaOH+HCl=NaCl+H2O

Состав природных газов

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 СН4 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 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 QB составляет 39820 кДж/м3, 9510 ккал/м3; низшая QH — соответственно 35880 кДж/м3, 8570 ккал/м3.

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 С2Н6, пропан С3Н8, бутан С4Н10. Углеводороды метанового ряда имеют общую формулу СnН2n+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 м3 составляет 1,25 кг; теплота сгорания 13250 кДж/м3,3016 ккал/м3. 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 Н2 — бесцветный нетоксичный газ без вкуса и запаха, масса 1 м3 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: QB — 12750 кДж/м3, 3040 ккал/м3; QH — соответственно 10790 кДж/м3, 2580 ккал/м3. Сгорая в теоретически необходимом количестве воздуха, 1 м3 водорода образует 2,88 м3 продуктов горения.

В негорючую часть газообразного топлива входят азот и диоксид углерода.

Азот N2 — двухатомный бесцветный газ без запаха и вкуса, масса 1 м3 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 С02 — бесцветный газ, тяжелый и слабореакционный при низких температурах, имеет слегка кисловатый запах и вкус. Концентрация С02 в воздухе в пределах 4-5% приводит к сильному раздражению органов дыхания; 10 %-ная концентрация С02 в воздухе вызывает сильное отравление. Масса 1 м3 С02 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 H2S — тяжелый газ с сильным и неприятным запахом, напоминающим запах тухлых яиц, обладает высокой токсичностью. Масса 1 м3 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 H2S, Н20 и 02. При сжигании газа сероводород образует сернистый газ, вредный для здоровья. Содержание сероводорода не должно превышать 2 г на 100 м3 газа.

Кислород 02 — газ без запаха, цвета и вкуса, масса 1 м3 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, свойства, химический состав, компоненты и составляющие, добыча и применение.

Природный газ – это газообразная смесь, состоящая из метана и более тяжелых углеводородов, азота, диоксида углерода, водяных паров, серосодержащих соединений, инертных газов.

Цена на природный газ

Происхождение природного газа

Химический состав природного газа,

Виды природного газа. Сухой, бедный, тощий, жирный и сырой газы

Компоненты и составляющие природного газа

Физические свойства природного газа

Добыча природного газа

Применение и использование природного газа

Другие виды топлива: , , , , , , , попутный нефтяной газ, , , , ,

Природный газ – это , смесь , образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ.

Природный газ существует в газообразном, твердом или растворённом состоянии. В первом случае – в газообразном состоянии – он широко распространен и содержится в пластах горных пород в недрах Земли в виде газовых залежей (отдельных скоплений, заключенных в «ловушке» между осадочными породами), а также в нефтяных месторождениях в виде газовых шапок. В растворённом состоянии он содержится в нефти и воде. В твердом состоянии он встречается в виде газовых гидратов (т.н. «горючий лёд») – кристаллических соединений природного газа и воды переменного состава. – перспективный источник .

При нормальных условиях (1 атм. и 0 °C) природный газ находится только в газообразном состоянии.

Является самым чистым видом органического топлива. Но для того, чтобы использовать его в качестве топлива из него выделяют его составляющие для отдельного использования.

Природный газ представляет собой легковоспламеняющуюся смесь различных и примесей.

Природный – это газообразная смесь, состоящая из и более тяжелых углеводородов, азота, диоксида углерода, водяных паров, серосодержащих соединений, инертных газов.

Природным он зовется, потому что не является синтетическим. Газ рождается под землей в толще осадочных пород из продуктов разложения органики.

Природный распространен в природе гораздо шире, чем нефть.

Не имеет ни цвета, ни запаха. Легче воздуха в 1,8 раза. Горюч и взрывоопасен. При утечке не собирается в низинах, а поднимается вверх.

Характерный запах газа, используемого в быту, обусловлен одорацией – добавлением в его состав одорантов, то есть неприятно пахнущих веществ. Самый распространенный одорант – этантиол, его можно почувствовать в воздухе при концентрации 1 на 50 000 000 частей воздуха. Именно благодаря одорации можно легко устанавливать утечки газа.

Происхождение природного газа

Существует две теории происхождения природного газа: биогенная (органическая) теория и абиогенная (неорганическая, минеральная) теория.

Впервые биогенную теорию происхождения природного газа в 1759 году высказал М.В. Ломоносов. В далеком геологическом прошлом Земли погибшие живые организмы (растения и животные) опускались на дно водоемов, образуя илистые осадки. В результате различных химических процессов они разлагались в безвоздушном пространстве. Из-за движения земной коры эти остатки опускались все глубже и глубже, где под действием высокой температуры и высокого давления превращались в углеводороды: природный газ и нефть. Низкомолекулярные углеводороды (т.е. собственно природный газ) образовывался при более высоких температурах и давлениях. Высокомолекулярные углеводороды – нефть – при меньших. Углеводороды, проникая в пустоты земной коры, образовывали залежи месторождений нефти и газа. Со временем эти органические отложения и залежи углеводородов уходили глубоко вниз на глубину от одного километра до нескольких километров  – их покрывали слои осадочных пород либо под действием геологических движений земной коры.

Минеральную теорию происхождения природного газа и нефти сформулировал в 1877 году . Он исходил из того, что углеводороды могут образовываться в недрах земли в условиях высоких температур и давлений в результате взаимодействия перегретого пара и расплавленных карбидов тяжелых металлов (в первую очередь железа). В результате химических реакций образуются окислы железа и других , а также  различные углеводороды в газообразном состоянии. При этом вода попадает глубоко в недра Земли по трещинам-разломам в земной коре. Образовавшиеся углеводороды, находясь в газообразном состоянии, в свою очередь по тем же трещинам и разломам поднимаются наверх в зону наименьшего давления, образуя в конечном итоге газовые и нефтяные залежи. Данный процесс, по мнению Д.И. Менделеева и сторонников гипотезы, происходит постоянно. Поэтому, уменьшение запасов углеводородов в виде и газа человечеству не грозит.

Химический состав природного газа

Химический состав добываемого природного газа различается в зависимости от месторождения. В любом случае основным и ценным компонентом является (СН4), содержание которого составляет от 70 до 98 %.

В состав добываемого газа входят как углеводородные компоненты (метан СН4 и его гомологи: С2Н6, С3Н8, С4Н10, С5Н12, С6Н14, гептан С7Н16, октан С8Н18, нонан С9Н20, декан С10Н22 и т.д. вплоть до доказана С22Н46), так и неуглеводородные компоненты (Ar, H2, He, N2, H2S, водяные пары – H2O, CO, CO2 и пр. серосодержащие соединения и инертные газы). Природный газ также содержит следовые количества других компонентов.

Углеводороды, начиная с этана, считаются тяжёлыми. Они образуются только в процессе образования нефти и также называются специфическими «нефтяными» газами. Они  являются обязательным спутником нефтей. Их наличие в отобранных пробах свидетельствует о залежах .

Виды природного газа. Сухой, бедный, тощий, жирный и сырой газы

Качество газа как топлива, как энергоносителя зависит от содержания в нем метана. По содержанию в добываемом газе метана и тяжёлых углеводородов различают сухие (бедные, тощие) и жирные (сырые, богатые) газы.

Сухой, бедный или тощий газ – это природный горючий газ из группы углеводородных, характеризующийся резким преобладанием в его составе метана, сравнительно невысоким содержанием этана и низким – остальных тяжелых . Он более характерен для чисто газовых залежей.

Жирный или сырой газ – природный горючий из группы углеводородных, характеризующийся повышенным содержанием (свыше 15 %) тяжелых углеводородов, начиная от пропана C3H8 и выше. Такой состав газов характерен для газоконденсатных и .

В качестве примера для наглядности ниже в таблице приведен состав сухого и сырого газа.

* В таблице приведен один из примеров. Реальный состав газов в добываемом природном газе из конкретного месторождения может существенно отличаться от приведенного примера.

Поэтому для углеводородного состава газов применяется понятие «коэффициент сухости», которое представляет собой отношение процентного содержания метана СН4 к сумме его гомологов (этану С2Н6 и выше).

Требования ГОСТ к химическому составу природного газа

ГОСТом 30319.1-2015 «Газ природный. Методы расчета физических свойств. Общие положения» установлены следующие требования к химическому составу природного газа, транспортируемого по газотранспортным системам:

Компоненты и составляющие природного газа

Метан (CH4) – это бесцветный газ без запаха. Легче воздуха. Горюч и взрывоопасен. Представляет опасность для здоровья человека.

Этан (C2H6) – бесцветный газ, без запаха и вкуса. Тяжелее воздуха. Горюч и взрывоопасен. Не используется как топливо. Малотоксичен. Представляет опасность для здоровья человека.

Пропан (C3H8) – бесцветный газ, без запаха. Ядовит. В отличие от метана сжижается при комнатной температуре и сравнительно невысоком давлении (12-15 атм), что позволяет его легко хранить и транспортировать.

Бутан (C4H10) – бесцветный газ, со специфическим запахом. Ядовит. Вдвое тяжелее воздуха.

Пентан (С5Н12) имеет три изомера (нормальный пентан, изопентан и неопентан).  Нормальный пентан и изопентан – легколетучие подвижные жидкости с характерным запахом. Неопентан – бесцветный газ с характерным запахом. Горюч и взрывоопасен. Токсичен.

Гексан (С6Н14) – бесцветная жидкость со слабым запахом, напоминающим дихлорэтан. Горюч и взрывоопасен. Токсичен.

Азот (N2) – бесцветный газ, без запаха и вкуса. Весьма инертен. Является основным компонентом воздуха – 78,09 % объёма.

Аргон (Ar) – газ без цвета, вкуса и запаха. Инертен. В 1,3 раза тяжелее воздуха. Не горит. Представляет опасность для здоровья человека.

Водород (H2) – лёгкий бесцветный газ, без вкуса и запаха. В смеси с воздухом или кислородом горюч и взрывоопасен. Легче воздуха.

Гелий (He) – очень лёгкий газ без цвета, вкуса и запаха. Легче воздуха. Инертен, при нормальных условиях не реагирует ни с одним из веществ. Не горит. Представляет опасность для здоровья человека.

Сероводород (H2S) – бесцветный газ со сладковатым вкусом, с характерным неприятным запахом (тухлых яиц, тухлого мяса). Ядовит. Горюч и взрывоопасен. Тяжелее воздуха.

Углекислый газ (CO2) – бесцветный газ, почти без запаха (в больших концентрациях с кисловатым «содовым» запахом). Не горит. Тяжелее воздуха в 1,5 раза. Представляет опасность для здоровья человека.

Внешние признаки
без цвета, запаха и вкуса

Сухой газообразный
от 0,68 до 0,85

Взрывоопасные концентрации смеси газа с воздухом, % объёмных
от 4,4 до 17

Удельная теплота сгорания, МДж/м³
28-46

Октановое число при использовании в двигателях внутреннего сгорания
120-130

Легче воздуха в 1,8 раза. При утечке не собирается в низинах, а поднимается вверх.

Добыча природного газа

Залежи природного газа находятся глубоко в земле, на глубине от одного до нескольких километров. Поэтому, чтобы добыть его необходимо пробурить скважину. Самая глубокая скважина имеет глубину более 6 километров.

В недрах газ находится микроскопических пустотах  – порах, которыми обладают некоторые горные породы. Поры соединены между собой микроскопическими каналами – трещинами. В порах и трещинах газ находится под высоким давлением, которое намного превышает атмосферное. Природный газ движется в порах и трещинах, поступая из пор с высоким давлением в поры с более низким давлением.

При бурении скважины газ вследствие действия физических законов полностью поступает в скважину, стремясь в зону низкого давления. Таким образом, разность давления в месторождении и на поверхности Земли является естественной движущей силой, которая выталкивает газ из недр.

Газ добывают из недр земли с помощью не одной, а нескольких и более скважин. Скважины стараются разместить равномерно по всей территории месторождения для равномерного падения пластового давления в залежи. Иначе возможны перетоки газа между областями месторождения, а также преждевременное обводнение залежи.

Так как добытый газ содержит множество примесей, то его сразу же после добычи очищают на специальном оборудовании, после чего транспортируют потребителю.

Применение и использование природного газа

Природный газ применяется и используется как , а также как сырье в химической промышленности для получения различных вещества, например, пластмасс.

Другие виды топлива

– попутный нефтяной газ,

какой сжиженный природный газ метан вода дома является 4 класс воздух для населения купить содержит формула природный источник тема окружающий мир презентация
сколько сгорание получение компоненты вещества применение составляющие использование масса места теплота давление стоимость м3 температура свойства виды переработка куб сжигание месторождения какой объем плотность добыча расход состав места добычи цена природного газа
цена давление сколько м3 стоимость свойства добыча сгорание использование расход куб запасы производство плотность температура углеводород теплота сгорания объем установки расчет качество сжигание месторождения формула природного газа
газ природный 14 2 2 12018 5
плита под нефть россия гост тариф на сколько стоит компримированный природный газ является какое дома для населения купить страны уголь метан воздух вода перевод газпром баллон значение мира оборудование вещество
газопроводы переработка кг сжижение сеть сигнализаторы какое давление потребление компонент горение виды жиклеры для применение сигнализатор загазованности транспортировка составляющие химические свойства количество поставка характеристика учет природного газа
генератор котлы на природном газе
отопление природным газом

Метан, получение, свойства, химические реакции.

Метан, CH4 – простейший по составу предельный углеводород, органическое вещество класса алканов. В природе содержится в природном газе, добываемом из газовых и газоконденсатных месторождений, в попутном нефтяном газе, в рудничном и болотном газах. Растворен в нефти, в пластовых и поверхностных водах. В твердом состоянии встречается в виде газогидратов.

Метан, формула, газ, характеристики

Физические свойства метана

Химические свойства метана

Получение метана в промышленности и лаборатории

Химические реакции – уравнения получения метана

Применение и использование метана

Метан, формула, газ, характеристики

Метан (лат. methanum) –  простейший по составу предельный углеводород, органическое вещество класса , состоящий из одного атома углерода и четырех атомов водорода.

Химическая формула метана CH4, рациональная формула CH4. Изомеров не имеет.

Метан – в обычных условиях лёгкий бесцветный газ, без вкуса и запаха. Однако в метан, используемый в качестве технического , могут добавляться  одоранты — вещества, имеющие резкий неприятный запах для предупреждения его утечки.

Метан – это основной компонент природного .

В природе содержится в , добываемом из газовых и газоконденсатных месторождений, в попутном нефтяном газе. Для выделения из природного и попутного нефтяного газа производят их и газа. Также содержится в рудничном и болотном газах (отсюда произошли другие названия метана – болотный или рудничный газ), .

В анаэробных условиях (в болотах, переувлажнённых почвах, на дне прудов и стоячих , где он образуется при разложении растительных остатков без , в кишечнике жвачных животных, биореакторах, биогазовых и пр.) образуется биогенно в результате жизнедеятельности некоторых микроорганизмов.

В растворенном виде содержится в нефти, в пластовых и поверхностных водах. При нефти метан выделяют отдельно для дальнейшего использования.

Помимо газообразного состояния в природе встречается еще и в твердом состоянии на дне морей, океанов и в зоне вечной мерзлоты в виде метаногидратов (гидратов природного газа), именуемых «горючий лёд».

Также содержится в , и (сжиженном природном газе).

Пожаро- и взрывоопасен.

Почти не растворяется в воде и других полярных растворителях. Зато растворяется в некоторых неполярных органических веществах (метанол, ацетон, бензол, тетрахлорметан, диэтиловый эфир и другие).

Метан по токсикологической характеристике относится к веществам 4-го класса опасности (малоопасным веществам) по ГОСТ 12.1.007.

Физические свойства метана

* при температуре выше критической температуры невозможно сконденсировать ни при каком давлении.

Химические свойства метана

Метан трудно вступает в химические реакции. В обычных условиях не реагирует с концентрированными кислотами, расплавленными и концентрированными щелочами, щелочными , галогенами (кроме фтора), перманганатом калия и дихроматом калия в кислой среде.

Химические свойства метана аналогичны свойствам других представителей ряда алканов. Поэтому для него характерны следующие химические реакции:

Образующийся в результате реакции может быть использован для последующих синтезов метанола, углеводородов, уксусной кислоты, ацетальдегида и других продуктов.

Реакция носит цепной характер. Молекула брома или йода под действием распадается на радикалы, затем они атакуют молекулы метана, отрывая у них водорода, в результате этого образуется свободный метил  CH3·, который сталкиваются с молекулами брома (йода), разрушая их и образуя новые радикалы или :

Галогенирование — это одна из реакций замещения. В первую очередь галогенируется наименее гидрированый атом углерода (третичный атом, затем вторичный, первичные атомы галогенируются в последнюю очередь). Галогенирование метана проходит поэтапно – за один этап замещается не более одного атома водорода.

Галогенирование будет происходить и далее пока, не будут замещены все атомы .

См. нитрование .

При избытке кислорода:

Горит голубоватым пламенем.

При нехватке кислорода вместо (СО2) получается оксид углерода (СО), при еще меньшем количестве кислорода выделяется мелкодисперсный (сажа в различном виде, в т.ч. в виде , и пр.) либо их смесь.

В реакциях каталитического окисления метана могут образовываться спирты, альдегиды, карбоновые кислоты.

Получение метана в промышленности и в лаборатории. Химические реакции – уравнения получения метана

Так как метан в большом количестве встречается в природе. Например,  содержится в природном газе, попутном нефтяном газе и выделяется при крекинге , его, как правило, не получают . Его выделяют при очистке и сепарации из , ПНГ и при перегонке. Кроме того, его получают из метаногидратов (гидратов природного газа), в процессе эксплуатации и пр.

Метан в промышленных и лабораторных условиях получается в результате следующих химических реакций:

Применение и использование метана

– как топливо для автомобилей, судов, газовых плит, печей, паяльных ламп, зажигалок и пр. бытовых приборов;

– как сырье в химической промышленности для проведения реакций органического синтеза.

Основным углеводородным компонентом природного газа является метан (СН4), представляющий собой наиболее устойчивое из всех нефтяных углеводородов соединение. В различных, но всегда небольших количествах в природном газе часто присутствуют также другие парафиновые углеводороды, такие, как этан (С2Н6), пропан (С3Н8), бутан (С4Н10), пентан (С5Н12) и гексан (С6Н14), а в некоторых случаях даже гептан (С7Н16), октан (С8Н18) и нонан (С9Н20). Свободный водород в природном газе встречается очень редко, за исключением некоторых областей развития вулканизма и соляных копей в Германии, геохимики СССР установили более широкое распространение водорода в природных газах. Иногда в очень незначительном количестве в природном газе содержатся окись углерода и непредельные углеводороды.

При температурах и давлениях, свойственных нефтяным природным резервуарам, метан не переходит в жидкое состояние и поэтому всегда представлен в виде газа; при более высоких давлениях он может растворяться в жидких УВ. Критические температуры других входящих в состав природного газа углеводородов таковы, что последние в обычных условиях нефтяных и газовых природных резервуаров могут существовать как в жидкой, так и в газообразной фазе. Общее содержание углерода в типичном природном газе составляет около 35 фунт/тыс. куб. фут. Около ⅓ этого количества может быть извлечено в виде газовой сажи, состоящей из чрезвычайно мелких частиц, углерода диаметром от 10 до 150 мк, которая образуется при сгорании газа в условиях ограниченного доступа воздуха. Многие крупные месторождения газа можно узнать по видимым еще издалека огромным тучам черного дыма, поднимающегося над сажевыми заводами. Плотность природного газа колеблется от величины плотности метана, равной 0,554 (относительно воздуха) до величины плотности некоторых жирных газов, превышающей плотность воздуха. В большинстве случаев плотность природного газа колеблется в пределах 0,65-0,90 (плотность воздуха = 1,0). Анализы газа из некоторых крупных газовых залежей сведены в табл. 1.

Классификация природного газа

Природный газ при выходе из скважины классифицируется в полевых условиях как сухой, тощий или жирный в зависимости от количества содержащихся в нем газолиновых паров. Сухой газ содержит их менее 0,1 галлона на1000 куб. футов, а жирный ‑0,3 галлонаи более на 1000 куб. футов. Остаточным газом называется природный газ, из которого удалены газолиновые пары. Газ, извлекаемый на поверхность из нефтяной скважины, называется попутным газом. Для отличия газов с относительно низким или высоким содержанием сероводорода используются соответственно термины «пресный газ» и «кислый газ». Природный газ промышленного назначения, перекачиваемый по трубопроводам, характеризуется теплотворной способностью, изменяющейся в пределах от 900 до 1200 британских тепловых единиц, и в основном имеет следующий состав:

Таблица 1. Средний состав различных товарных природных газов

Химический состав нефти и газа

Нефть и природный газ состоят главным образом из углерода и водорода. В качестве примесей в них присутствуют кислород, сера, азот и некоторые другие элементы. Из этих же элементов состоит весь органический мир (таблица 1).

Химический состав органических веществ

Как видно из таблицы нефть по своему элементарному составу близка к другим полезным ископаемым органического происхождения. Это предполагает единый источник их образования. Содержание углерода в нефтях колеблется в пределах 79,5-87,5%, в газах – от 42 до 78%. Водород содержится в нефтях в количестве 11-14%, в газах – 14-24%. Отношение углерода к водороду колеблется в нефтях в пределах 6-8, в газах – 3-4,3. В газах некоторых месторождений содержится свободный водород, азот, углекислый газ. Сера в нефтях присутствует в свободном, либо в связанном состоянии. Связанная сера находится в виде сероводорода, либо входит в состав высокомолекулярных органических соединений. Содержание ее в нефтях иногда достигает 7-8%.

Кислород в нефтях присутствует в виде кислородных соединений нафтеновых кислот, фенолов и смолистых веществ, в газах встречается главным образом в виде углекислого газа. Содержание углекислого газа в природных газах изменяется от нуля до 100%. Содержание азота в нефтях не превышает 1%. Основная масса его находится в смолах. В газах азот находится в свободном виде, в них его содержание колеблется в широких пределах – от нуля до почти чисто азотных газов.

Количество гелия в газах обычно не более 1-2% (редко до 10%), аргона – менее 1%, лишь иногда достигает 2%.

В золе нефтей обнаружено много других элементов в небольших количествах: кремний, алюминий, железо, кальций, магний, ванадий, никель, медь, стронций, барий, марганец, хром, кобальт и др.

Изотопы в нефти

Нефти различаются по содержанию изотопов углерода, водорода, кислорода, серы и азота. Известно, что ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Масса протона близка к массе атома водорода, заряд его равен заряду электрона, но противоположен по знаку. Количество протонов в ядре равно количеству электронов в атоме. Нейтрон электрически нейтрален, масса его несколько больше массы протона. Атомы элемента, имеющие одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов, называются изотопами. Углерод имеет три изотопа: с массовыми числами 12, 13, 14 – 12С, 13С, 14С,  из них последний радиоактивный. Он ассимилируется живыми организмами из атмосферы. Водород имеет три изотопа: 1Н – протий, 2Н – дейтерий, 3Н – тритий, из них тритий радиоактивный. Кислород имеет три изотопа: 16О, 17О, 18О. Сера имеет четыре изотопа: 32S, 33S, 34S, 36S. Азот имеет два стабильных изотопа: 14N, 15N. Наибольшее содержание в нефтях имеют легкие изотопы С, О, S, N, а из изотопов водорода – дейтерий.

Химический (молекулярный) состав нефтей и природных газов

Основными компонентами газа газовых месторождений являются метан и его гомологи: этан, пропан, бутан, пентан, гексан. Общая их формула СnH2n+2. Среди гомологов метана обычно преобладает этан, затем пропан. Газ, богатый этаном, пропаном, бутаном, пентаном называется жирным. Неуглеводородные компоненты газа представлены обычно азотом и углекислым газом, примесью сероводорода. В незначительных количествах присутствуют благородные газы – гелий и аргон. Содержание азота в газах достигает до 50%, углекислого газа — до 100%, сероводорода – до 6%, гелия – до 10%, аргона – до 2%.

Нефть представляет собой смесь трех основных групп углеводородов: метановых (парафиновых, алкановых), нафтеновых (циклановых), ароматических (ареновых)

Метановые углеводороды

Метановые углеводороды — полностью насыщенные соединения, не способные к реакциям присоединения. Общая их формула СnH2n+2. Они могут иметь нормальное строение в виде неразветвленных цепей или изостроение в виде разветвленных цепей.

Нормальное строение: CH3-CH2-CH2-CH3

Изостроение:               CH3-CH-CH3

Простейшие члены содержащие в молекуле от одного до пяти атомов углерода при нормальной температуре являются газами. К газам относятся: CH4 — метан, C2H6 – этан, C3H8 – пропан, C4H10 – бутан, C5H12 – пентан. Углеводороды, содержащие от 6 до 20 атомов углерода в молекуле, являются  жидкими. Высокомолекулярные алканы имеют твердое состояние, называются парафинами.

Нафтеновые углеводороды

Нафтеновые углеводороды – непредельные, циклические*соединения, углеводородные цепи которых замкнуты в пяти и шестичленные кольца. Общая их формула СnH2n. Содержание водорода в них меньше, чем в метановых углеводородах.

СН2                                   СН2                                    СН2              СН2                    СН2

СН2            СН2   СН2                    СН2     СН2                    СН             СН             СН2

½                 ½       ½                 ½       ½                 ½                 ½                 ½

СН2            СН2     СН2                    СН2   СН2              СН                      СН                      СН2

СН2                     СН2            СН2                    СН2

В нафтеновой группе могут быть одно, два или более колец. К ним могут присоединяться цепочки метанового строения – алкильные группы. Особенностью нафтеновых углеводородов и их производных является способность к изомеризации, т.е. к образованию разветвленных цепей. Под влиянием каталитических процессов системы из шестичленных циклов легко переходит в пятичленные. В легких фракциях нафтеновых нефтей преобладают производные циклогегсана, в более тяжелых – полициклические углеводороды. Углеводородные соединения, в молекулах которых присутствует более 20 атомов углерода представляют собой твердые вещества – битумы.

Ароматические углеводороды

Ароматические углеводороды имеют общую формулу СnH2n-6. Основой их строения являются бензольные кольца. Эти соединения обладают повышенной неустойчивостью и химической активностью по сравнению с метановыми и нафтеновыми углеводородами, высокой растворяющей способностью. Такие свойства обусловлены наличием в ядре двойных связей, одна из которых может стать свободной и присоединить другие молекулы. Моноциклические арены – премущественно гомологи бензола с недлинными боковыми цепями.

СН                                          СН2            СН2

СН             СН                       СН2            С                СН

½½              ½                          ½                 ½½              ½

Среди полициклических ароматических углеводородов преобладают нафталин и его гомологи. Это уже не нефть, а битумы, с высоким молекулярным весом.

В нефтях и газах содержатся соединения, в молекулах которых помимо углеводородных радикалов входят атомы серы, азота и кислорода. Содержание метановых углеводородов в нефтях различных типов составляет 25 — 70%, нафтеновых – 15 — 75%, ароматических — до 35%.

По Дж.Ханту (1987) в «типичной» нефти, имеющей плотность 850 кг/м3 содержание метановых углеводородов составляет 25%, нафтеновых – 50%, ароматических – 17%, смол и асфальтенов –  8%.