Физико-химические свойства природного газа. Добыча и применение природного газа

Газообразное состояние вещества - самое распространенное по сравнению с другими агрегатными параметрами соединений. Ведь в этом состоянии находятся:

• звезды;
• межзвездное пространство;
• планеты;
• атмосфера;
• космос в целом.

Главные отличительные свойства газов - это слабые межмолекулярные взаимодействия в кристаллической решетке, из-за которых и проявляются все основные характеристики этих веществ. Газов, безусловно, очень много. Однако мы рассмотрим самый важный и третий по распространенности на нашей планете - природный.

Природный газ: состав

Если характеризовать качественный состав природного газа, то сразу нужно выделить компоненты двух групп: органические и неорганические. Поскольку хоть и принято считать, что он состоит из метана, однако это не совсем так.

К органическим составляющим относятся:

• метан - СН₄;
• пропан - С₃Н₈;
• бутан - С₄Н₁₀;
• этан - С₂Н₄;
• более тяжелые углеводороды с количеством атомов углерода больше пяти.

Неорганические компоненты включают в себя следующие соединения:

• водород (в небольших количествах) - Н₂;
• углекислый газ - СО₂;
• гелий - Не;
• азот - N₂;
• сероводород - H₂S.

Каким именно будет состав той или иной смеси, зависит от источника, то есть месторождения. Этими же причинами объясняются и различные физико-химические свойства природного газа. Однако добывается любой из них, и ценность также имеет каждый. Просто какой-то вид применяется как топливо, а насыщенный посторонними примесями слишком жирно используется в химической отрасли для синтезов соединений.

Физико-химические свойства природного газа

Чтобы указать подобные параметры в точности, следует знать, каков именно состав газовой смеси. Ведь если в ней преобладает в основном метан (до 97%), то характеристики можно приводить, ориентируясь именно на него.

Если же неорганических компонентов или тяжелых углеводородов в избытке (до нескольких процентов), тогда физико-химические свойства природного газа резко меняются.

Поэтому можно указать лишь приблизительные граничные показатели по физическим характеристикам.

1. Температура самовозгорания - 650-700⁰С.
2. Октановое число - 120-130.
3. Не имеет цвета, вкуса и запаха.
4. Легче воздуха почти в 2 раза, легко концентрируется в верхних слоях помещения.
5. Плотность в виде обычного состояния (газа) - 0,68-0,85 кг/м³.
6. При стандартных условиях всегда находиться в газообразном агрегатном состоянии.
7. При смешении с воздухом в объемах от 5-15 % является взрывоопасным.
8. Теплота сгорания - около 46 МДж/м³.

Кроме этого, следует отметить и химическую сторону параметров природного газа.

1. Является сильно горючим веществом, способен самовоспламеняться при подаче искры и без нее при определенной температуре.
2. Так как основной компонент - метан, то обладает всеми его химическими свойствами.
3. Вступает в реакции замещения, дегидрирования, пиролиза, подвергается рефракции.
4. Сжимается и сжижается при низких температурах и повышенном давлении.

Очевидно, что подобные физико-химические свойства природного газа определяют широкий спектр его использования в промышленности.

Особое свойство природного газа

Особое свойство рассматриваемого соединения - это способность образовывать газогидратные залежи, то есть находиться в твердом состоянии. Данные структуры представляют собой поглощенные молекулами пластовой воды объемы природного газа в соотношении 1/220. Поэтому подобные залежи являются чрезвычайно богатыми породами. Места их сосредоточения в природе:

• глубинные поддонные слои Мирового океана;
• скопления вечной мерзлоты.

Условия существования - гидродинамическое давление и низкие температуры.

Природные месторождения газа

Если говорить о содержании природного газа в природе, то можно выделить основные места концентрации:

1. Это горная осадочная порода, полезное ископаемое, которое формируется многие тысячелетия анаэробным распадом органики в глубоких слоях земной коры.
2. Растворен в подземных водах.
3. Входит в состав нефти, формируя над ней нефтегазовую шапку.
4. Залегает в виде газогидратов в слоях морского дна и точках крайнего Севера.

Если же обозначать распространение месторождений газа территориально, то лидерами являются следующие страны:

• Россия.
• Страны Персидского залива.
• США.
• Канада.
• Иран.
• Казахстан.
• Азербайджан.
• Узбекистан.
• Норвегия.
• Туркмения.
• Нидерланды.

Добыча в мире составляет ежегодно примерно 3643 млрд м³ в год. Из них только на Россию приходится 673,46 млрд м³.

Температура природного газа, при которой он сгорает, равна 650 ⁰С. То есть это тот показатель, при котором он способен самовоспламеняться. При этом выделяется большее количество тепловой энергии, чем при горении любого другого вида топлива. Естественно, это не могло не отразиться на областях использования данного вещества.

Именно поэтому многие страны, не имеющие природных запасов газа, вынуждены импортировать его из других государств. Транспортировка осуществляется несколькими способами:

• по трубопроводу в газообразном состоянии;
• в цистернах по морскому пути - в жидком виде;
• в железнодорожных вагонах-цистернах - сжиженный.

Каждый из путей имеет свои преимущества и недостатки. В частности, морской и железнодорожный варианты более безопасные, так как химическая активность сжиженного газа в охлажденных баллонах гораздо ниже, чем в газообразном состоянии. По трубопроводу же увеличивается дальность передачи и ее объемы, кроме того, данный способ экономически выгоден.

Метан в составе природного газа

Газ метан является основным сырьевым компонентом в составе природной смеси. Его содержание колеблется в пределах 70-98%. Сам по себе это третий по распространенности на планете газ, который входит в состав нефти, межзвездного пространства, атмосферы других планет.

С точки зрения химии, газ метан - предельный углеводород, относящийся к ряду насыщенных алифатических соединений. Самый первый представитель алканов или парафинов. Химическая активность его невелика, он достаточно спокоен. Способен вступать в реакции:

• замещения;
• полного окисления;
• конверсии.

Горит бесцветным некоптящим пламенем, запаха не имеет.

Виды природного газа

Существует три основных вида рассматриваемого вещества.

1. Сухой природный газ - это такой, в котором метана более 97%. То есть содержание примесей, в том числе других углеводородов, крайне низкое.
2. Тощий газ. Так называют смесь, содержащую незначительное количество тяжелых углеводородов.
3. Жирный природный газ - тот, что богат на тяжелые углеводороды и неорганические компоненты (азот, водород, гелий, аргон, углекислый газ, сероводород).

Такое понятие, как коэффициент сухости газа, позволяет оценить качество сырья, из которого в дальнейшем будет изготовляться продукция. Ведь сам природный газ - это лишь база. Для разных отраслей промышленности нужен свой продукт, поэтому он проходит тщательную обработку и очистку в соответствии с конкретными требованиями.

Качество продукции

Качество природного газа напрямую зависит от состава. Если метан преобладает, то такой продукт будет самым лучшим как источник топлива. Если же больше всего в составе жирных углеводородов, то для химической промышленности такое сырье - наиболее подходящее.

Чтобы поставлять природный газ надлежащего качества, существуют специальные химические заводы, на которых он проходит тщательную очистку и обработку до дальнейшей отправки в конечный пункт. Методы работы будут зависеть от того, для каких целей предназначается продукт.

Так, например, если он будет использоваться для бытовых целей, то в него добавляют специальные вещества-одоранты, в частности меркаптаны. Это делается для того, чтобы газ стал иметь запах, ведь тогда в случае утечки его несложно будет обнаружить. Все меркаптаны имеют резкий неприятный запах.

Использование природного газа

Потребление природного газа осуществляется многими отраслями промышленности и объектами. Например:

• ТЭЦ.
• Котельные.
• Газовые двигатели.
• Химическое производство (изготовление пластмасс и прочих материалов).
• Топливо для машин.
• Обогрев жилых помещений.
• Приготовление пищи.

Поэтому мировая добыча данного сырья так велика, и импорт и экспорт оцениваются в миллиарды долларов.

Экологический аспект

С точки зрения чистоты для природы нет лучшего источника топлива, чем природный газ. Экологические организации полностью одобряют его использование. Однако в последние годы сгорание природного газа приводит к накоплению одного из продуктов реакции - диоксида углерода.

А так как он относится к парниковым газам, то для планеты его скопления очень опасны. Поэтому ведутся множественные работы, разрабатываются проекты по защите экологического состояния планеты от надвигающегося парникового эффекта.