Какие углеводороды содержатся в природным газе
1. Какие углеводороды содержатся в природном газе?
Основной углеводород природного газа — метан. Кроме того, в природном газе присутствуют этан, пропан и бутаны.
2. Можно ли привести химическую формулу нефти?
Нефть — сложная смесь различных органических соединений, по этой причине нет химической формулы нефти.
3. Перечислите основные фракции, образующиеся при перегонке нефти.
Фракции нефти:
- газ;
- бензин;
- керосин;
- дизельное топливо;
- мазут.
4. Укажите основные экологические проблемы, возникающие при использовании бензиновых двигателей.
Проблемы:
- а) токсичность бензина;
- б) токсичные свойства отработанных газов двигателей;
- в) большой объём углекислого газа в выхлопных газах.
5. Как вы понимаете термин «парниковый эффект»?
В результате деятельности человека в атмосфере земли появляется избыточное количество углекислого газа, метана и галогеналканов, что приводит к созданию как бэ слоя, зонтика, который служит в качестве экрана и создаёт эффект парника. Это приводит к небольшому повышению температуры планеты, что, в свою очередь, вызывает таяния льдов на полюсах земли, повышению уровня океанов и подтоплению некоторых стран.
6. Объясните значение экологического контроля работы бензиновых двигателей.
Каждый двигатель имеет определённые допуски процентного содержания токсичного $CO$ в выхлопных газах (0.5-1.5%), содержание которого в неисправных двигателях может достигать 10 и более процентов. Контроль процентного содержания угарного газа чрезвычайно важен для поддержания частоты воздуха городов.
7. Почему нельзя собирать ягоды, грибы и пасти скот вдоль автомобильных дорог?
Для улучшения качества бензиновых фракций ранее добавляли ядовитый тетраэтилсинец, поэтому при работе бензиновых двигателей вдоль дорог на траве и деревьях осело значительное количество ядовитого свинца. По этой причине нельзя собирать ягоды, грибы и пасти скот вдоль автомобильных дорог.
8. Приведите уравнение сгорания алкана $mathrm{C_7H_{16}}$ в избытке кислорода.
$$mathrm{C_7H_{16}} + nmathrm{O_2 = 7CO_2 + 8H_2O} + (n-11)mathrm{O2}$$
при $n > 11.$
Источник
Природный газ – полезное ископаемое, представляющее собой смесь газообразных углеводородов природного происхождения, состоящую главным образом из метана и примесей других алканов. Иногда в составе также присутствует некоторое количество углекислого газа, азота, сероводорода и гелия.
Вследствие своего состава природный газ представляет собой чрезвычайно ценное сырье, из которого выделяют отдельные компоненты или более простые смеси.
Месторождения природного газа
В природе газ может находиться в следующих формах:
- Газовые залежи в пластах некоторых горных пород. Залежи газообразных углеводородов как правило сосредоточены на глубине от 1000 м. Вопреки распространенному мнению, газ в таких залежах находится не в объемных пустотах, а преимущественно в мелких трещинах, микроскопических порах и каналах горных пород, например, песчаника. В составе такого газа преобладают низшие алканы: метан и этан. Крупнейшие запасы природного газа сосредоточены в России (Уренгойское месторождение), большинстве стран Персидского залива, США и Канаде.
- Газовые шапки над нефтью и растворенный в нефти газ. Такие газообразные скопления называют Попутный нефтяной газ (ПНГ). В отличие «традиционного» природного газа, ПНГ в своем составе помимо метана и этана содержит значительное количество пропана, бутана и других более тяжелых углеводородов.
- Газогидратные залежи. Газовые гидраты – это кристаллические соединения, которые образованы путем растворения газообразных углевоородов в пластовой воде при определенных термодинамических условиях – высоких давлениях и относительно низких температурах. 1 объем воды при переходе в гидратное состояние связывает до 220 объемов газа. Такая форма накопления природного газа была открыта во второй половине 20-го века. Газогидратные залежи находятся преимущественно в районах распространения многолетней мерзлоты, а также на относительно небольшой глубине под океанических дном.
Доказано, что большое количество углеводородов находится в мантии Земли, но в настоящее время, ввиду технической недоступности, они не представляют практического интереса.
Помимо залежей газа в недрах планеты, необходимо упомянуть, что углеводороды встречаются и в космосе. В частности, метан является третьим по распространенности газом во Вселенной после водорода и гелия. В форме метанового льда он входит в структуру планет и других космических тел. Однако такие образования не относят к залежам природного газа и при настоящем уровне развития технологий не могут быть извлечены.
Химический состав природного газа
Пространственная модель молекулы метана
Основным компонентом природного газа является метан (CH4) – его содержание варьируется в диапазоне 70 – 98%. Кроме него в состав могут входить более тяжелые насыщенные углеводороды – гомологи метана:
- этан
- пропан
- бутан
Помимо углеводородной составляющей, природный газ может содержать неорганические газообразные соединения:
- водород
- сероводород
- углекислый газ
- азот
- инертные газы (преимущественно гелий)
Физические свойства природного газа
Вследствие своего состава природный газ горюч. Чистый газ горит голубым пламенем, поэтому его иногда называют «голубым топливом». Примеси же могут окрашивать пламя в различные цвета. Также пламя начинает желтить при недостатке кислорода, что приводит к неполному сгоранию газа и образованию копоти и угарного газа.
Смесь с воздухом в диапазоне концентраций от 4,4 до 17% взрывоопасна. Поэтому важно контролировать содержание газа в окружающей атмосфере, а также вовремя принимать соответствующие меры в случае его утечки.
Природный газ бесцветен и не имеет запаха, за исключением случаев повышенного содержания в его составе сероводорода. В связи с этим, для облегчения обнаружения утечек газа, к нему в небольших концентрациях добавляют специальные одоранты – вещества с резким неприятным запахом. В качестве одорантов преимущественно используются серосодержащие соединения, например, тиолы (меркаптаны). Стандартная концентрация таких добавок составляет 16 г на 1000 м3. Однако человек способен уловить присутствие одного из самых распространенных одорантов – этилмеркаптана, даже при его концентрации в воздухе 2*10-6 % по объему.
Физические свойства природного газа зависят от его компонентного состава, однако в большинстве случаев основные параметры укладываются в диапазоны, приведенные в таблице ниже.
| ©PetroDigest.ru | ||
|---|---|---|
| Плотность | 0,65…0,85 кг/м³ (сухой газообразный); 400…500 кг/м³ (сжиженный) | |
| Температура самовоспламенения | Около 650 °C | |
| Удельная теплота сгорания: | 28…46 МДж/м³ (6,7…11,0 Мкал/м³ или 8…12 кВт·ч/м³) | |
Добыча природного газа
Методы добычи газообразных углеводородов схожи с добычей нефти – газ извлекают из недр с помощью скважин. Для того, чтобы пластовое давление залежи падало постепенно, скважины размещают равномерно по всей территории месторождения. Такой метод также препятствует возникновению перетоков газа между областями месторождения и преждевременному обводнению залежи.
Более подробнов статье: Добыча природного газа.
Согласно отчету BP в 2017 год мировая добыча природного газа составила 3680 млрд м3. Лидером по добыче стала США – 734,5 млрд м3, или 20% от общего мирового показателя. Россия заняла вторую строчку с 635,6 млрд м3.
Происхождение
Существует две теории происхождения природного газа: минеральная и биогенная.
По минеральной теории, углеводороды образуются в результате химической реакции глубоко в недрах нашей планеты из неорганических соединений под действием высоких давлений и температур. Далее вследствие внутренней динамики Земли, углеводороды поднимается в зону наименьшего давления, образуя залежи полезных ископаемых, в том числе газа.
Согласно биогенной теории, природный газ образовался в недрах Земли в результате анаэробного разложения органических веществ растительного и животного происхождения под действием высоких температур и давлений.
Несмотря на продолжающиеся споры относительно происхождения углеводородов, в научном сообществе выигрывает биогенная теория.
Транспортировка
Подготовка газа к транспортировке
Несмотря на то, что на некоторых месторождениях газ отличается исключительно качественным составом, в общем случае природный газ – это не готовый продукт. Помимо целевого содержания компонентов (при этом целевые компоненты могут различаться в зависимости от конечного пользователя), в газе содержаться примеси, которые затрудняют транспортировку и являются нежелательными при применении.
Например, пары воды могут конденсироваться и скапливаться в различных местах трубопровода, чаще всего, изгибах, мешая таким образом продвижению газа. Сероводород – сильный коррозионный агент, пагубно влияющий на трубопроводы, сопоуствуеющее оборудование и емкости для хранения.
В связи с этим, перед отправкой в магистральный нефтепровод или на нефтехимический завод газ проходит процедуру подготовки на газоперерабатывающем заводе (ГПЗ).
Первый этап подготовки – очистка от нежелательных примесей и осушка. После этого газ компримируют – сжимают до давления, необходимого для переработки. Традиционно природный газ сжимают до давления 200 — 250 бар, что приводит к уменьшению занимаемого объема в 200 — 250 раз.
Далее идет этап отбензинивания: на специальных установках газ разделяют на нестабильный газовый бензин и отбензиненный газ. Именно отбензиненный газ направляется в магистральные газопроводы и на нефтехимические производства.
Нестабильный газовый бензин подается на газофракционирующие установки, где из него выделяют легкий углеводороды: этан, пропан, бутан, пентан. Данные вещества также являются ценным сырьем, в частности для производства полимеров. А смесь бутана и пропана – уже готовый продукт, используемый, в частности, в качестве бытового топлива.
Газопровод
Основным видом транспортировки природного газа является его прокачка по трубопроводу.
Стандартный диаметр трубы магистрального газопровода составляет 1,42 м. Газ в трубопроводе прокачивается под давлением 75 атм. По мере продвижения по трубе, газ, за счет преодоления сил трения, постепенно теряет энергию, которая рассеивается в виде тепла. В связи с этим, через определенные промежутки на газопроводе сооружаются специальные компрессорные станции подкачки. На них газ дожимается до необходимого давления и охлаждается.
Для доставки непосредственно до потребителя от магистрального газопровода отводят трубы меньшего диаметра — газораспределительные сети.
Газопровод
Транспортировка СПГ
Что делать с труднодоступными районами, находящимися вдали от основных магистральных газопроводов? В такие районы газ транспортируется в сжиженном состоянии (сжиженный природный газ, СПГ) в специальных криогенных емкостях по морю, и по суше.
По морю сжиженный газ перевозится на газовозах (СПГ-танкерах), судах оборудованных изотермическими емкостями.
СПГ перевозят также и сухопутным транспортом, как железнодорожным, так и автомобильными. Для этого используются специальных цистерны с двойными стенками, способными поддерживать необходимую температуру определенное время.
Применение природного газа
Главным образом природный газ используется для обеспечения отопления, производства электроэнергии, и для бытовых нужд населения. Например, в России около 50% поставок приходится на энергетические компании и коммунальное хозяйство. Кроме этого, он находит применение в качестве топлива для транспортных средств, сырья при производстве пластмасс и других органических веществ.
Более подробно: Что делают из природного газа?
Экология
Природный газ является самым чистым среди углеводородных ископаемых топлив. В идеале, при его сгорании образуется только вода и углекислый газ, в то время как сгорание нефтепродуктов сопровождается образованием копоти и золы.
Конечно, сами по себе выбросы большого количества углекислого газа в атмосферу не безопасны. По мнению некоторых ученых, они могут привести к возникновению парникового эффекта, и как следствие, – к существенному потеплению климата. Однако стоит отметить, что и в этом отношении природный газ выигрывает – эмиссия CO2 при его сжигании существенно ниже, чем у нефтяного топлива.
Источник
До Великой Отечественной войны промышленные запасы природного
газа были известны в Прикарпатье, на Кавказе, в Заволжье и на Севере (Коми
АССР). Изучение запасов природного газа было связано только с разведкой нефти.
Промышленные запасы природного газа в 1940 г. составляли 15 млрд м3.
Затем месторождения газа были обнаружены на Северном Кавказе, в Закавказье, на
Украине, в Поволжье, Средней Азии, Западной Сибири и на Дальнем Востоке. На 1
января 1976 г. разведанные запасы природного газа составляли 25,8 трлн м3,
из них в европейской части СССР – 4,2 трлн м3 (16,3%), на Востоке –
21,6 трлн м3 (83,7%), в том числе 18,2 трлн м3 (70,5%) –
в Сибири и на Дальнем Востоке, 3,4 трлн м3 (13,2%) – в Средней Азии
и в Казахстане. На 1 января 1980 г. потенциальные запасы природного газа
составляли 80–85 трлн м3, разведанные – 34,3 трлн м3.
Причем запасы увеличились главным образом благодаря открытию месторождений в
восточной части страны – разведанные запасы там были на уровне около
30,1 трлн м3, что составляло 87,8% от общесоюзных.
На сегодняшний день Россия обладает 35% от мировых запасов природного газа, что
составляет более 48 трлн м3. Основные районы залегания природного
газа по России и странам СНГ (месторождения):
•
Западно-сибирская нефтегазоносная провинция:
Уренгойское, Ямбургское, Заполярное, Медвежье, Надымское, Тазовское –
Ямало-Ненецкий АО;
Похромское, Игримское – Березовская газоносная область;
Мельджинское, Лугинецкое, Усть-Сильгинское – Васюганская газоносная область.
• Волго-Уральская нефтегазоносная провинция:
наиболее значительное – Вуктылское, в Тимано-Печорской нефтегазоносной области.
• Средняя Азия и Казахстан:
наиболее значительное в Средней Азии – Газлинское, в Ферганской долине;
Кызылкумское, Байрам-Алийское, Дарвазинское, Ачакское, Шатлыкское.
• Северный Кавказ и Закавказье:
Карадаг, Дуванный – Азербайджан;
Дагестанские Огни – Дагестан;
Северо-Ставропольское, Пелачиадинское – Ставропольский край;
Ленинградское, Майкопское, Старо-Минское, Березанское – Краснодарский край.
Также месторождения природного газа известны на Украине,
Сахалине и Дальнем Востоке. По запасам природного газа выделяется Западная
Сибирь (Уренгойское, Ямбургское, Заполярное, Медвежье). Промышленные запасы
здесь достигают 14 трлн м3. Особо важное значение сейчас приобретают
ямальские газоконденсатные месторождения (Бованенковское, Крузенштернское,
Харасавейское и др.). На их основе идет осуществление проекта «Ямал – Европа». Добыча
природного газа отличается высокой концентрацией и ориентирована на районы с
наиболее крупными и выгодными по эксплуатации месторождениями. Только пять
месторождений – Уренгойское, Ямбургское, Заполярное, Медвежье и Оренбургское –
содержат 1/2 всех промышленных запасов России. Запасы Медвежьего оцениваются в
1,5 трлн м3, а Уренгойского – в 5 трлн м3. Следующая
особенность заключается в динамичности размещения мест добычи природного газа,
что объясняется быстрым расширением границ выявленных ресурсов, а также
сравнительной легкостью и дешевизной вовлечения их в разработку. За короткий
срок главные центры по добыче природного газа переместились из Поволжья на
Украину, Северный Кавказ. Дальнейшие территориальные сдвиги вызваны освоением
месторождений Западной Сибири, Средней Азии, Урала и Севера.
|
Добыча природного газа |
После
распада СССР в России происходило падение объема добычи природного газа. Спад
наблюдался в основном в Северном экономическом районе (8 млрд м3
в 1990 г. и 4 млрд м3 в 1994 г.), на Урале (43 млрд м3
и 35 млрд м3), в Западно-Сибирском экономическом районе
(576 и
555 млрд м3) и в Северо-Кавказском (6 и 4 млрд м3).
Добыча природного газа оставалась на прежнем уровне в Поволжском
(6 млрд м3) и в Дальневосточном экономических районах. В
конце 1994 г. наблюдалась тенденция к росту уровня добычи. Из республик бывшего
СССР Российская Федерация дает больше всего газа, на втором месте – Туркмения
(более 1/10), далее идут Узбекистан и Украина. Особое значение приобретает
добыча природного газа на шельфе Мирового океана. В 1987 г. на морских
месторождениях было добыто 12,2 млрд м3, или около 2% газа, добытого
в стране. Добыча попутного газа в том же году составила 41,9 млрд м3.
Для многих районов одним из резервов газообразного топлива служит газификация
угля и сланцев. Подземная газификация угля осуществляется в Донбассе
(Лисичанск), Кузбассе (Киселевск) и Подмосковном бассейне (Тула).
Природный
газ был и остается важным продуктом экспорта в российской внешней
торговле. Основные центры переработки природного газа расположены на Урале
(Оренбург, Шкапово, Альметьевск), в Западной Сибири (Нижневартовск, Сургут), в
Поволжье (Саратов), на Северном Кавказе (Грозный) и в других газоносных
провинциях.
Можно отметить, что комбинаты газопереработки тяготеют к источникам
сырья – месторождениям и крупным газопроводам. Важнейшее использование
природного газа – в качестве топлива. Последнее время идет тенденция к
увеличению доли природного газа в топливном балансе страны. Как газообразное топливо природный
газ имеет большие преимущества не только перед твёрдым и жидким топливом, но и
перед другими видами газообразного топлива ( доменным, коксовым газом), так как
теплота сгорания его значительно выше. Метан – основная составная часть этого газа. Кроме
метана, в природном газе присутствуют ближайшие гомологи его – этан, пропан,
бутан. Чем выше молекулярная масса углеводорода, тем обычно меньше его
содержится в природном газе.
Состав природного газа
разных месторождений различен.
Средний
состав природного газа:
CH4 | C2H6 | C3H8 | C4H10 | C5H12 | N2 и др. | |
Природный (% | 80-98 | 0,5-4,0 | 0,2-1,5 | 0,1-1,0 | 0-1,0 | 2-13 |
|
Состав природного газа и вещества, получаемые на его |
Наиболее ценится природный газ с высоким содержанием
метана – это ставропольский (97,8% СН4), саратовский (93,4%),
уренгойский (95,16%).
Запасы природного газа на нашей планете очень велики (примерно 1015 м3).
У нас в России известно более 200 месторождений, они находятся в Западной
Сибири, в Волго-Уральском бассейне, на Северном Кавказе. По запасам природного
газа первое место в мире принадлежит России.
Природный газ является ценнейшим видом топлива. При сгорании газа выделяется
много теплоты, поэтому он служит энергетически эффективным и дешевым топливом в
котельных установках, доменных, мартеновских и стекловаренных печах.
Использование на производстве природного газа дает возможность значительно
повысить производительность труда.
Природный газ – источник сырья для химической отрасли промышленности: получение
ацетилена, этилена, водорода, сажи, различных пластмасс, уксусной кислоты,
красителей, медикаментов и других продуктов.
Попутный нефтяной газ – это газ, существующий вместе с
нефтью, он растворен в нефти и находится над ней, образуя «газовую шапку», под
давлением. На выходе из скважины давление падает, и попутный газ отделяется от
нефти.
Состав попутного
нефтяного газа разных месторождений различен.
Средний
состав газа:
CH4 | C2H6 | C3H8 | C4H10 | C5H12 | N2 и др. | |
Попутный нефтяной (% | ~63 | ~10 | 11 | 2,8 | 2,0 | 9 |
Попутный
нефтяной газ по своему происхождению тоже является природным. Особое название
он получил потому, что находится в залежах вместе с нефтью:
-либо растворен в ней,
-либо находится в свободном состоянии
Попутный
нефтяной газ в основном тоже состоит из метана, но в нем содержится
значительное количество и других углеводородов.
Состав и использование попутного нефтяного газа |
Этот газ в
прошлые времена не использовался, а просто сжигался. В настоящее время его
улавливают и используют как топливо и ценное химическое сырье. Возможности
использования попутных газов даже шире, чем природного газа, т.к. состав их
богаче. В попутных газах содержится меньше метана, чем в природном газе, но в
них значительно больше гомологов метана. Чтобы использовать попутный газ более
рационально, его разделяют на смеси более узкого состава. После разделения
получают газовый бензин, пропан и бутан, сухой газ.
I | II | III | |
Углеводороды | CH4, C2H6 | C3H8, | C5H12, C6H14 и др. |
Выделяемые | Сухой | Пропан-бутановая | Газовый |
Применение | Сухой | Пропан | Газовый |
Извлекают и
индивидуальные углеводороды – этан, пропан, бутан и другие. Дегидрированием их
получают непредельные углеводороды – этилен, пропилен, бутилен и др.
Коксохимическое производство и проблема получения жидкого топлива
Запасы каменного угля в природе значительно превышают запасы нефти. Поэтому каменный уголь – важнейший вид сырья для химической отрасли промышленности.
В настоящее время в промышленности используется несколько путей переработки каменного угля: сухая перегонка (коксование, полукоксование), гидрирование, неполное сгорание, получение карбида кальция.
|
Сухая перегонка каменного угля и ее продукты |
Сухая перегонка угля используется для получения кокса в металлургии или бытового газа. При коксовании угля получают кокс, каменноугольную смолу, надсмольную воду и газы коксования.
Каменноугольная смола содержит самые разнообразные ароматические и другие органические соединения. Разгонкой при обычном давлении ее разделяют на несколько фракций. Из каменноугольной смолы получают ароматические углеводороды, фенолы и др.
Газы коксования содержат преимущественно метан, этилен, водород и оксид углерода(II). Частично их сжигают, частично перерабатывают.
Гидрирование угля осуществляют при 400–600 °С под давлением водорода до 250 атм в присутствии катализатора – оксидов железа. При этом получается жидкая смесь углеводородов, которые обычно подвергают гидрированию на никеле или других катализаторах. Гидрировать можно низкосортные бурые угли.
|
Использование |
Карбид кальция СаС2 получают из угля (кокса, антрацита) и извести. В дальнейшем его превращают в ацетилен, который используется в химической отрасли промышленности всех стран во все возрастающих масштабах.
Источник