Реферат
Природный газ. Состав, свойства и химические соединения
Выполнил
студент группы ГР-11 ____________ Левчук Е.В.
Гомель 2012 г
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.
Соединения включения
Метан образует соединения включения — газовые гидраты, широко распространенные в природе.
Применение метана
1. Топливо.
2. Сырьё в органическом синтезе.
Физиологическое действие
Метан является самым физиологически безвредным газом в гомологическом ряду парафиновых углеводородов. Физиологическое действие метан не оказывает и не ядовит (из-за малой растворимости метана в воде и плазме крови и присущей парафинам химической инертности). Погибнуть человеку в воздухе, с высокой концентрацией метана можно только от недостатка кислорода в воздухе для дыхания при очень высоких концентрациях метана. Так, при содержании в воздухе 25—30 % метана появляются первые признаки асфиксии (учащение пульса, увеличение объёма дыхания, нарушение координации тонких мышечных движений и т. д.). Более высокие концентрации метана в воздухе вызывают у человека кислородное голодание — головную боль, одышку, — симптомы, сходные с горной болезнью.
Так как метан легче воздуха, он не скапливается в проветриваемых подземных сооружениях. Поэтому весьма редки случаи гибели людей от вдыхания смеси метана с воздухом, от асфиксии.
Первая помощь при тяжелой асфиксии: удаление пострадавшего из вредной атмосферы. При отсутствии дыхания немедленно (до прихода врача) искусственное дыхание изо рта в рот. При отсутствии пульса — непрямой массаж сердца.