Химические свойства. Природный газ представляет собой естественную смесь газообразных углеводородов, в составе которой преобладает метан (80-97%)

Общая информация

Природный газ представляет собой естественную смесь газообразных углеводородов, в составе которой преобладает метан (80-97%). Образуется в недрах земли при медленном анаэробном (без доступа воздуха) разложении органических веществ.

Природный газ относится к полезным ископаемым. Часто является попутным газом при добыче нефти. Природный газ в пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится в газообразном состоянии - в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений, либо в растворённом состоянии в нефти или воде. Природный газ существует также в виде естественных газогидратов в океанах и зонах вечной мерзлоты материков.

Природные газы состоят преимущественно из предельных углеводородов, но в них встречаются также сероводород, азот, углекислота, водяные пары. Газы, добываемые из чисто газовых месторождений, состоят в основном из метана. Газ и нефть в толще земли заполняют пустоты пористых пород, и при больших их скоплениях целесообразна промышленная разработка и эксплуатация залежей. Давление в пласте зависит от глубины его залегания. Практически через каждые десять метров глубины давление в пласте возрастает на 0,1 МПа (1 кгс/см2).

Природный газ является высокоэффективным энергоносителем и ценным химическим сырьем. Он 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.

Природный газ как промышленное топливо имеет следующие технологические преимущества:

- при сжигании требуется минимальный избыток воздуха;

- содержит наименьшее количество вредных механических и химических примесей, что позволяет обеспечить постоянство процесса горения;

- при сжигании газа можно обеспечить более точную регулировку температурного режима, чем при сжигании других видов топлива, это позволяет экономить топливо; газовые горелки можно располагать в любом месте печи, что позволяет улучшить процессы теплообмена и обеспечить устойчивый температурный режим;

- при использовании газа отсутствуют потери от механического недогорания топлива;

- форма газового пламени сравнительно легко регулируется, что позволяет в случае необходимости быстро обеспечить высокую степень нагрева в нужном месте.

Вместе с тем газовому топливу присущи и некоторые отрицательные свойства. Смеси, состоящие из определенного количества газа и воздуха, являются пожаро- и взрывоопасными. При внесении в такие смеси источника огня или высоконагретого тела происходит их возгорание (взрыв). Горение газообразного топлива возможно только при наличии воздуха, в котором содержится кислород, причем процесс возгорания (взрыва) происходит при определенных соотношениях газа и воздуха.

Теплота реакции горения выделяется мгновенно, продукты сгорания газа нагреваются и, расширяясь, создают в объеме, где они находились, повышенные давления. Резкое возрастание давления при сгорании газа в ограниченном объеме (помещении, топке, газопроводе) обусловливает разрушительный эффект взрыва.

При взрывах газовоздушной смеси в трубах с большим диаметром и длиной могут произойти случаи, когда скорость распространения пламени превзойдет скорость распространения звука. При этом наблюдается повышение давления приблизительно до 8 МПа (80 кгс/см²). Такое взрывное воспламенение называется детонацией. Детонация объясняется возникновением и действием ударных волн в воспламеняющейся среде.

Природные газы не ядовиты, однако при концентрации метана в воздухе, доходящей до 10% и более, возможно удушье вследствие уменьшения количества кислорода в воздухе. Горючие газы представляют значительную пожарную опасность; они сами легко воспламеняются, и их горение может вызвать ожоги или воспламенение других горючих материалов.

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

К вредным примесям относятся следующие газы:

Сероводород (H₂S) - Бесцветный газ с сильным запахом, напоминающим запах тухлых яиц, обладает высокой токсичностью. Масса 1 м³ сероводорода равна 1,54 кг.

Сероводород, воздействуя на металлы, образует сульфиды. Он оказывает сильное корродирующее воздействие на газопроводы, особенно при одновременном присутствии в газе H₂S, Н₂О и О₂. При сжигании сероводород образует сернистый газ, вредный для здоровья и оказывающий коррозионное воздействие на металлические поверхности. Содержание сероводорода в газе не должно превышать 2 г на 100 м³ газа.

Цианистоводородная (синильная) кислота (HCN) - Представляет собой бесцветную легкую жидкость с температурой кипения 26° С. Вследствие такой низкой температуры кипения HCN находится в горючих газах в газообразном состоянии. Синильная кислота очень ядовита, обладает корродирующим воздействием на железо, медь, олово, цинк и их сплавы. Поэтому допускается наличие не более 5 г цианистых соединений (в пересчете на HCN) на каждые 100 м³ газа.

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

Сжиженный природный газ (СПГ) - криогенная жидкость, по химическому составу представляющая собой многокомпонентную смесь углеводородов ряда С¹…С⁸, а также азота N₂ и двуокиси углерода СО₂ с преобладающим содержанием метана - СН₄. Сжиженный природный газ прозрачен, не имеет цвета и запаха.

Физические свойства СПГ зависят от его компонентного состава. Ниже приводятся значения физических свойств СПГ для компонентных составов и избыточных давлений, наиболее часто встречающихся в практике производства и использования СПГ:

Плотность:

Р = 0,5 МПа

p = 392 кг/м3 (97% метана, молекулярная масса - 16,7 кг/кг·моль);

p = 459 кг/м3 (80% метана, молекулярная масса - 20,9 кг/кг·моль);

Р = 0,0 МПа (атмосферное давление)

p = 422 кг/м3 (97% метана, молекулярная масса - 16,7 кг/кг·моль);

p = 495 кг/м3 (80% метана, молекулярная масса - 20,9 кг/кг·моль).

Температура кипения:

Р = 0,5 МПа

Т = -135° С (97% метана, молекулярная масса - 16,7 кг/кг·моль);

Т = -132° С (80% метана, молекулярная масса - 20,9 кг/кг·моль);

Р = 0,0 МПа (атмосферное давление)

Т = -162° С (97% метана, молекулярная масса - 16,7 кг/кг·моль);

Т = -160° С (80% метана, молекулярная масса - 20,9 кг/кг·моль).

Пределы воспламенения СПГ при его газификации - 4…16% (объемных).

Минимальная температура воспламенения смеси воздуха с природным газом - 557 град (830 К).

Низшая теплота сгорания при нормальных условиях - 11500 ккал/кг - 48,15 МДж/кг.

Соотношение объемов - из одного объема жидкого газа получается 600 объемов природного газа.

СПГ обладает наивысшей теплотой сгорания. Этот показатель измеряется в килокалориях на килограмм сжигаемого топлива. Таким образом, использование в качестве топлива СПГ позволяет получать эквивалентное количество тепловой энергии при меньшем количестве сжигаемого топлива.

Также СПГ обладает наивысшим значением КПД котельных установок. Применение в качестве топлива СПГ позволяет добиться коэффициента полезного действия котельных установок равного 92%. Аналогичный КПД возможно получить только при использовании природного газа и пропан-бутана.

Перед использованием природный газ подлежит обработке, позволяющей удалить ненужные компоненты, такие как сернистокислую соль, воду и др. Обработка, как правило, осуществляется на месте добычи. При этом особую сложность представляет удаление серных соединений, поскольку при их сжигании выделяется токсичный сернистый газ (SO₂).

Свойства существующих топливных или сжигаемых газов в значительной степени различаются. Большинство топливных газов являются смесью горючих и негорючих газов, с преобладанием горючих компонентов: углеводородов, водорода и в меньшей степени монооксида углерода.

В качестве газообразного топлива обычно используются природный газ, нефтяной (попутный) газ и остаточные газы технических процессов, например, коксовый газ, доменный газ, газ, получаемый в генераторе с отсасыванием и др.

Считается, что месторождения углеводородов (нефти, природного газа) возникли в результате разложения останков живых организмов. В последние годы, однако, все большую популярность завоевывает теория абиогенного происхождения углеводородов. Спор между специалистами может быть разрешен благодаря работе, выполненной в Институте геологии и минералогии СО РАН. Ученые разработали методику, позволяющую определить источник углерода, вошедшего в состав природного газа.

Сама возможность абиогенного синтеза была давно доказана. Оставалось выяснить, влияет ли происхождение природного газа на его состав. Решение этой задачи предложили сотрудники Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН и Института физики высоких давлений им. Л.Ф.Верещагина РАН. В экспериментах, выполненных при поддержке фонда INTAS, ученые помещали ампулы, заполненные реагентами (источник углерода, железо и вода) в камеру высокого давления, содержимое сжимали и затем нагревали до значений давления и температуры, соответствующих условиям верхней мантии Земли. В качестве биогенного источника углерода использовали известняк (карбонат кальция), в качестве абиогенного – графит. После необходимой выдержки давление снижали, ампулы охлаждали, вынимали из камеры и анализировали содержимое.

Во всех вариантах опыта ученые получили смесь углеводородов, соответствующую по составу углеводородной части природного газа. Однако при использовании абиогенного источника, графита, получается так называемый «сухой» газ, в котором преобладает метан. Такой газ встречается в природе – например, в Северо-Ставропольском месторождении. Если в качестве источника углерода выступает известняк, газ получается «жирный», обогащенный более высокомолекулярными углеводородами, главным образом этаном. Газ такого состава также добывают – например, в Вуктыльском месторождении.

Возможно ли, что существуют два равноправных источника углеводородов? Теоретически да, но авторы также показали в своей работе, что на состав газа влияет время охлаждения реакционной смеси. Если охлаждение происходит быстро, газ содержит небольшое количество этана и этилена. При медленном охлаждении в течение четырех часов количество этих компонентов возрастает в десятки раз, и в смеси появляются более высокомолекулярные углеводороды вплоть до бутана и бутилена. Таким образом, газовые смеси различного состава возможно получить и из органического, и из неорганического по происхождению углерода. Хотя полной ясности сегодня нет, дальнейшие эксперименты с использованием разработанной экспериментальной схемы могут приблизить ученых к решению вопроса о происхождении углеводородов.

К горючим компонентам относятся следующие вещества:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Метан (СН₄) - Бесцветный нетоксичный газ без запаха и вкуса. В состав метана входит 75% углерода и 25% водорода; масса 1 м³ метана равна 0,717 кг. При атмосферном давлении и температуре -162° С метан сжижается и его объем уменьшается почти в 600 раз. Поэтому сжиженный природный газ является перспективным энергоносителем для многих отраслей народного хозяйства.

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

Содержание метана в природных газах достигает 98%, поэтому его свойства практически полностью определяют свойства природных газов.

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

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

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

Болотный газ,природный горючий газ, встречающийся в осадочном чехле земной коры в виде свободных скоплений (залежей), в растворенном (в нефти, пластовых и поверхностных водах), рассеянном, сорбированном (породами и органическим веществом) и твердом (газогидратном) состояниях.

— плотность метана по воздуху: 0,555 (20 °С);

— молекулярная масса: 16,04;

— температура плавления: 182 °С;

— температура плавления: 182 °С;

— критическое давление: 4,58 МПа;

— критическая температура: 82,4 °С;

— температура вспышки: 187,8 °С;

— температура самовоспламенения: 537,8 °С.

Метан

a) Химическая формула: CH₄

b) Молярная масса: 16,04 г/моль

c) Плотность: газ (0 °C, 1013 гПа) 0,72 кг/м³;

жидкость (161,6 °C) 0,42 г/см³

d) Термические свойства:

e) Температура плавления: -182,5 °C

f) Температура кипения: -161,6 °C

Химические свойства:

1. Растворимость в воде: 0,35 г/100 мл

Метан (лат. Methanum) — простейший углеводород, бесцветный газ (в нормальных условиях) без запаха, химическая формула — CH₄. Малорастворим в воде, легче воздуха. При использовании в быту, промышленности в метан обычно добавляют одоранты (обычно меркаптаны) со специфическим «запахом газа». Метан нетоксичен и неопасен для здоровья человека. Однако имеются данные, что метан относится к токсическим веществам, действующим на центральную нервную систему. Накапливаясь в закрытом помещении, метан взрывоопасен. Обогащение одорантами делается для того, чтобы человек вовремя заметил утечку газа. На промышленных производствах эту роль выполняют датчики и во многих случаях метан для лабораторий и промышленных производств остается без запаха.

Метан — первый член гомологического ряда насыщенных углеводородов (алканов), наиболее устойчив к химическим воздействиям. Подобно другим алканам вступает в реакции радикального замещения (галогенирования, сульфохлорирования, сульфоокисления, нитрования и др.), но обладает меньшей реакционной способностью. Специфична для метана реакция с парами воды, которая протекает на Ni/Al₂O₃ при 800—900 °C или без катализатора при 1400—1600 °C; образующийся синтез-газ может быть использован для синтеза метанола, углеводородов, уксусной кислоты, ацетальдегида и других продуктов.

Взрывоопасен при концентрации в воздухе от 4,4 % до 17 %. Наиболее взрывоопасная концентрация 9,5 %. Является наркотиком; действие ослабляется ничтожной растворимостью в воде и крови. Класс опасности — четвёртый.

Источники

Основной компонент природных (77—99 %), попутных нефтяных (31—90 %), рудничного и болотного газов (отсюда другие названия метана — болотный или рудничный газ). В анаэробных условиях (в болотах, переувлажнённых почвах, рубце жвачных животных) образуется биогенно. Получается также при коксовании каменного угля, гидрировании угля, гидрогенолизе углеводородов в реакциях каталитического риформинга.

Классификация по происхождению:

абиогенный — образован как результат химических реакций неорганических соединений;

биогенный — образован как результат химической трансформации органического вещества;

бактериальный (микробный) — образован в результате жизнедеятельности бактерий;

термогенный — образован в ходе термохимических процессов.

Предположительно, что на поверхности Титана (спутник Сатурна) в условиях низких температур (180 °C) существуют целые озёра и реки из жидкой метано-этановой смеси.

Получение

1. В лаборатории получают нагреванием натронной извести (смесь гидроксидов натрия и кальция) или безводного гидроксида натрия с ледяной уксусной кислотой.

2. Для этой реакции важно отсутствие воды, поэтому и используется гидроксид натрия, так как он менее гигроскопичен.

3. Возможно получение метана сплавлением ацетата натрия с гидроксидом натрия

4. Также для лабораторного получения метана используют гидролиз карбида алюминия или некоторых металлорганических соединений (например, метилмагнийбромида).

Химические свойства

Горит в воздухе голубоватым пламенем, при этом выделяется энергия около 39 МДж на 1 м³. С воздухом образует взрывоопасные смеси при объёмных концентрациях от 5 до 15 процентов. Точка замерзания 184⁰С (при нормальном давлении).

Вступает с галогенами в реакции замещения, которые проходят по свободно радикальному механизму.

Окисляется до муравьиной кислоты при 150—200 °C и давлении 30—90атм.

Поиск по сайту: