Сегодня известно множество разнообразных газов. Какие-то из них человек получает лабораторными способами, из химических веществ, какие-то формируются сами в результате реакций в качестве побочных продуктов. А какие газы рождаются в природе? К основным таким газам естественного, природного происхождения относятся четыре:
- природный газ, формула которого СН 4 ;
- азот, N 2 ;
- водород, Н 2 ;
- углекислый газ, СО 2 .
Конечно, существуют и некоторые другие - кислород, сероводород, аммиак, монооксид углерода. Однако перечисленные выше являются практически значимыми для людей и используются ими в разных целях, в том числе как топливо.
Что такое природный газ?
Природным называется такой газ, который дает нам природа. То есть тот, содержание которого в недрах Земли гораздо выше и больше, чем то его количество, что получают в промышленности в результате химических реакций.
Общепринято называть природным газом метан, однако это не совсем так. Если рассмотреть состав такого газа по фракциям, то можно увидеть следующий его компонентный состав:
- метан (до 96%);
- этан;
- пропан;
- бутан;
- водород;
- углекислый газ;
- азот;
- сероводород (малые, следовые количества).
Таким образом, выходит, что природный газ - это смесь нескольких
Природный газ: формула
С химической точки зрения природный газ представляет собой смесь углеводородов линейного простого строения - метана, этана, пропана и бутана. Но так как больший объем составляет все же метан, то принято общую формулу природного газа выражать формулой непосредственно метана. Так, получается, что химическая формула природного газа метана -СН 4 .
Остальные компоненты имеют следующие эмпирические формулы в химии:
- этан - С 2 Н 6 ;
- пропан - С 3 Н 8 ;
- бутан - С 4 Н 10 ;
- углекислый газ - СО 2 ;
- азот - N 2 ;
- водород - Н 2 ;
- сероводород - H 2 S.
Смесь таких веществ и является природным газом. Формула основного его соединения метана показывает, что содержание углерода в нем очень мало. Это сказывается на его физических свойствах, например, таких как способность гореть бесцветным, совершенно некоптящим пламенем. В то время как другие представители его предельных углеводородов или алканов) при горении образуют черное коптящее пламя.
Нахождение в природе
В природе данный газ встречается глубоко под землей, под толстыми и плотными пластами осадочных пород. Существует две основные теории происхождения природного газа в природе.
- Теория тектонических движений пород. Сторонники данной теории считают, что углеводороды содержатся в земных недрах всегда и поднимаются в результате тектонических движений и сокращений вверх. Наверху высокое давление и меняющаяся температура превращают их в результате химических реакций в два природных полезных ископаемых - нефть и газ.
- Биогенная теория говорит о другом методе, в результате которого образовался природный газ. Формула его отражает качественный состав - углерод и водород, что говорит о том, что в его образовании принимали участие живые органические существа, тела которых были большей частью построены из этих элементов, как и все живое на нашей планете, существующее до сих пор. С течением времени отмершие останки животных и растений опускались все ниже на дно океана, туда, где не существовало ни кислорода, ни бактерий, способных разложить и переработать эту органическую массу. В результате анаэробного окисления произошел распад биомассы, и за миллионы лет сформировалось два источника полезных ископаемых - нефть и газ. При этом основа и того и другого одинакова - и частично низкомолекулярные вещества. Химическая формула газа и нефти это доказывает. Однако при воздействии разных условий формируются и разные продукты: высокое давление и температура - газ, низкие показатели - нефть.
На сегодняшний день основными месторождениями и запасами газа обладают такие страны, как Россия, США, Канада, Иран, Норвегия и Нидерланды.
По своему агрегатному состоянию природный газ не всегда может содержаться только в состоянии газа. Есть несколько вариантов его конденсации:
- Газ растворен в молекулах нефти.
- Газ растворен в молекулах воды.
- Газ образует твердые газогидраты.
- При обычных условиях - газообразное соединение.
Каждое из этих состояний имеет свое месторождение и является очень ценным для человека.
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.
Лабораторные способы:
- Гидролизом низкомолекулярного соединения - карбида алюминия: AL 4 C 3 + 12H 2 O = 3CH 4 + 4AL(OH) 3.
- Из ацетата натрия в присутствии щелочи: CH 3 COOH + NaOH = CH 4 + Na 2 CO 3.
- Из синтез-газа: CO+ 3H 2 = CH 4 + H 2 O.
- Из простых веществ - водорода и углерода - при повышенной температуре и давлении.
Химическая формула природного газа отражается формулой метана, поэтому все и для данного газа.
В промышленности метан получают добычей из природных месторождений и дальнейшей переработкой по фракциям. Также получаемый газ обязательно нуждается в очистке. Ведь формула природного газа метана показывает только часть тех составляющих, что он содержит. А для использования в быту нужен чистый газ, не содержащий других веществ, кроме метана. Отделяемый этан, пропан, бутан и другие газы также находят широкое применение.
Физические свойства
Формула газа дает представление о том, какими физическими свойствами он должен обладать. Рассмотрим, что же это за характеристики.
- Бесцветное вещество, не имеющее запаха.
- Приблизительная плотность варьируется в пределах 0,7-1 кг/м 3.
- Температура горения 650 0 С.
- Почти в два раза легче воздуха.
- Теплота, выделяемая при сгорании одного кубического метра газа, равна 46 млн Джоулей.
- В повышенных концентрациях (свыше 15%) в воздухе газ очень взрывоопасен.
- При использовании в качестве топлива проявляет октановое число, равное 130.
Чистый газ получают только после прохождения его через специальные очистные станции (установки), которые воздвигаются на месте добычи ископаемого.
Применение
Существует несколько основных областей применения природного газа. Ведь помимо основной его составляющей, формула газа которой СН 4 , используются и все другие компоненты смеси.
1. Бытовая сфера жизни людей. Сюда относится газ для приготовления пищи, отопления жилых зданий, топлива для котельных и так далее. В газ, который используется для приготовления пищи, добавляют специальные вещества, относящиеся к группе меркаптанов. Делается это для того, чтобы в случае протекания трубы или другого упущения газа люди могли почувствовать его запах и принять меры. Смесь бытового газа (а это смесь пропана и бутана) чрезвычайно взрывоопасна в больших концентрациях. Меркаптаны же делают специфическим и неприятным на запах природный газ. Формула их включает такие элементы, как сера и фосфор, что и придает им такую специфику.
2. Химическое производство. В данной сфере одним из главных начальных веществ для многих реакций получения важных соединений является природный газ, формула которого показывает, в каких синтезах он может принимать участие:
- основа при производстве пластмасс, которые являются самым распространенным современным материалом практически для всех сфер промышленности;
- сырье при синтезе этина, цианистого водорода и аммиака. Сами перечисленные продукты в дальнейшем идут на производстве многих синтетических волокон и тканей, удобрений и утеплителей в строительстве;
- каучук, метанол, органические кислоты - образуются из метана и других веществ. Находят применение практически во всех сферах человеческой жизни;
- полиэтилен и многие другие соединения синтетической природы получили благодаря именно метану.
3. Использование в качестве топлива. Причем для любого вида деятельности человека, начиная от заправки соответствующего типа настольных ламп и до работы тепловых электростанций. Данный вид топлива считается экологически правильным и целесообразным на фоне всех альтернативных способов. Однако при сгорании метан образует углекислый газ, как любое другое органическое вещество. А он, как известно, причина парникового эффекта Земли. Поэтому перед людьми стоит задача поиска еще более чистого и качественного источника тепловой энергии.
Пока это все основные источники, которые используют природный газ. Формула его, если брать все комплексные составляющие, показывает, что он практически возобновляемый ресурс, только время для этого нужно очень много. Нашей стране с запасами газа чрезвычайно повезло, ведь такого количество природного ископаемого хватит на много сотен лет не только самой России, но и многим странам мира через экспорт.
Азот
Является составной частью нефтяных и газовых природных месторождений. Кроме того, данный газ занимает большую часть объема в воздухе (78%), а также встречается в виде природных соединений селитр в литосфере.
Как простое вещество практически не используется живыми организмами азот. Формула его имеет вид N 2 , или, с точки зрения химических связей, N≡N. Наличие такой крепкой связи говорит о высокой стабильности и химической инертности молекулы при обычных условиях. Именно это и объясняет возможность существования большого количества этого газа в свободном виде в атмосфере.
В виде простого вещества азот способен фиксироваться особыми организмами - клубеньковыми бактериями. Они затем перерабатывают в более подходящую форму для растений этот газ и таким образом осуществляют минеральное питание корневых растительных систем.
Есть несколько основных соединений, в виде которых существует в природе азот. Формула их следующая:
- оксиды - NO 2, N 2 O, N 2 O 5;
- кислоты - азотистая HNO 2 и азотная HNO 3 (образуются при грозовых разрядах из оксидов в атмосфере воздуха);
- селитры - KNO 3 , NaNO 3 и так далее.
Человеком азот используется не только в но и в жидком состоянии. Он обладает способностью переходить в жидкое состояние при температуре ниже -170 0 С, что позволяет применять его для замораживания растительных и животных тканей, многих материалов. Именно поэтому широкое применение жидкий азот находит в медицине.
Также азот является основой для получения одного из главных своих соединений - аммиака. Производство данного вещества многотоннажно, так как оно очень широко применяется в быту и промышленности (получение каучуков, красителей, пластмасс, синтетических волокон, органических кислот, лакокрасочное производство, взрывчатые вещества и так далее).
Диоксид углерода
Какова формула вещества? Углекислый газ записывается как СО 2 . Связь в молекуле ковалентная слабополярная, двойные прочные химические силы между углеродом и кислородами. Это говорит о стабильности и инертности молекулы при обычных условиях. Данный факт подтверждается свободным существованием углекислого газа в атмосфере Земли.
Это вещество является составной частью природного газа и нефти, а также накапливается в верхних слоях атмосферы планеты, вызывая так называемый парниковый эффект.
Огромное количество углекислого газа формируется при сгорании любого вида органического топлива. Будь то уголь, дрова, газ или другое топливо, полное сгорание приводит к образованию воды и этого вещества.
Отсюда и получается, что накопление его в атмосфере неизбежно. Поэтому важной задачей современного общества является поиск альтернативного, дающего минимум парникового эффекта топлива.
Водород
Еще одно попутное соединение, встречающееся в составе природных полезных ископаемых, - это водород. Газ, формула которого - Н 2 . Самое легкое вещество из всех известных на сегодняшний день.
Благодаря своим особым свойствам занимает в периодической системе два положения - среди щелочных металлов и галогенов. Имея один электрон, способен его как отдавать (металлические свойства, восстановительные), так и принимать (неметаллические свойства, окислительные).
Основная область использования - это экологически чистое топливо, за которым ученые видят будущее. Причины:
- неограниченное количество запасов этого газа;
- образование в результате горения только воды.
Однако полная технология освоения водорода как источника энергии требует доработки еще многих нюансов.
Формулы для расчетов массы, плотности и объема газов
В физике и химии применяются несколько основных способов для расчетов по газам. Так, например, если речь идет об одном из самых основных параметров, таких как масса газа, формула для расчета будет следующей:
m = V*þ, где þ - это плотность вещества, а V - его объем.
Например, если нам нужно рассчитать массу природного газа объемом 1 метр кубический при нормальных условиях, то мы берем стандартное среднее значение его плотности в справочных материалах. Оно будет равно 0,68 кг/м 3 . Теперь, когда мы знаем объем и плотность газа, формула для расчета вполне удовлетворяет требованиям. Тогда:
m (CH 4) = 0,68 кг/м 3 * 1 м 3 = 0,68 кг, так как метры кубические сокращаются.
Формула объема газа, напротив, складывается из показателей массы и плотности. То есть мы можем выразить это значение из приведенной выше конфигурации:
V = m/þ, тогда при стандартных условиях объем 2 кг метана будет равен: 2/0,68 = 2,914 м 3 .
Также в более сложных случаях (когда условия нестандартные) для расчета массы и объема газов используют уравнение Менделеева-Клапейрона, которое имеет вид:
p*V = m/M*R*T, где р - давление газа, V - его объем, m и M - масса и молярная масса соответственно, R - универсальная газовая постоянная, равная 8,314, Т - температура в Кельвинах.
Такая формула объема газа позволяет получать расчеты весьма приближенные к значению идеального газа, который существует чисто гипотетически и используется для абстрактного понятия при решении задач в физике и химии. Также рассчитать объем можно по уравнению Бойля-Мариотта, которое имеет вид:
V=p н *V н *T/p*T н, где значения с индексом н - это значения при нормальных стандартных условиях.
Чтобы расчет был максимально точный и соответствовал действительности, необходимо учитывать такой параметр, как Формула для вычисления этого параметра пока еще вопрос спорный. Принято пользоваться самой обычной простой, которая имеет вид:
þ = m 0 * n, где m 0 - масса молекулы (кг), а n - концентрация, единица измерения - 1/м 3 .
Однако в ряде случаев необходимо использовать другие, более сложные и полные расчеты с несколькими переменными для получения точного и близкого к идеальному результата.
Человечество знает о существовании природного газа давно. По самым осторожным оценкам, природный газ использовался в Китае для отопления и освещения уже к IV веку до н.э. Для его получения бурили скважины, а трубопроводы делались из бамбука. Кроме того, долгое время яркое пламя, не оставляющее пепла, являлось предметом мистического и религиозного культа для некоторых народов. Например, на Апшеронском полуострове (современная территория Азербайджана) в VII веке был воздвигнут храм огнепоклонников Атешгях, служения в котором проходили вплоть до XIX века.
Само слово «газ» было придумано в начале XVII века фламандским естествоиспытателем Яном Баптистом ван Хельмонтом для обозначения полученного им «мертвого воздуха» (углекислого газа). Хельмонт писал: «Такой пар я назвал газ, потому что он почти не отличается от хаоса древних». Но в данном случае мы имеем дело с одной из форм существования вещества.
Относительно происхождения природного газа среди ученых до сих пор не существует единого мнения. Две основные концепции – биогенная и минеральная – утверждают разные причины образования углеводородных полезных ископаемых в недрах Земли.
- Минеральная теория . Образование полезных ископаемых в пластах горных пород – часть процесса дегазации Земли. Из-за внутренней динамики Земли углеводороды, находящиеся на больших глубинах, поднимаются в зону наименьшего давления, образуя в результате газовые залежи.
- Биогенная теория . Живые организмы, погибшие и опустившиеся на дно водоемов, разлагались в безвоздушном пространстве. Опускаясь все глубже из-за геологических движений, остатки разложившейся органики превратились под воздействием термобарических факторов (температуры и давления) в углеводородные полезные ископаемые, в том числе – в природный газ.
Относительно недавно группой ученых из Института проблем нефти и газа РАН под руководством доктора геолого-минералогических наук Азария Баренбаума была разработана новая концепция происхождения нефти и газа . Согласно этой теории, крупные залежи углеводородов могут возникать не за миллионы лет, как ранее считалось, а лишь за десятилетия.
Природный газ может существовать в виде газовых залежей, находящихся в пластах некоторых горных пород, в виде газовых шапок (над нефтью), а также в растворенном или кристаллическом виде. Также природный газ может находиться в виде газогидратов (гидраты природных газов – это газовые гидраты или клатраты – кристаллические соединения, образующиеся при определенных термобарических условиях из воды и газа).
Природный газ 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.
Газ - более молодое топливо чем нефть. Эпоха природного газа, по сути, началась с открытия в 1959 г. месторождения Гронинген в Нидерландах и последовавших за этим открытий газовых запасов Великобританией в южном бассейне Северного моря в середине 60-х гг.
По данным МЭА, с сначала 70-х гг. доля газа в мировом энергобалансе выросла с 16 до 21% в 2008 г. По данным ВР Statistical Review of World Energy, данная доля в 2008-2010 гг. в мировом потреблении энергии оказалась еще выше - около 24%. В прогнозном исследовании ВР по развитию Мировой энергетики до 2030 года говорится, что природный газ будет самым быстрорастущим видом топлива в ближайшие 25 лет. При этом эксперты Международного энергетического агентства считают, что доля газа в мировом энергобалансе к 2035 году увеличится с 21% до 25%, газ станет вторым после нефти энергоносителем, сместив на третье место уголь.
Химический состав природного газа достаточно прост. Основную часть этого вида газа составляет метан (CH4) – простейший углеводород (органическое соединение, состоящее из атомов углерода и водорода), его доля превышает 92%.
В зависимости от содержания метана выделяются две основные группы природного газа:
- Природный газ группы H (Н–газ, т.е. высококалорийный газ) в связи с высоким содержанием метана (от 87% до 99%) является самым высококачественным. Российский природный газ относится к группе Н и отличается высокой теплотворной способностью. Ввиду высокого содержания метана (~ 98%) он является самым высококачественным природным газом мира.
- Природный газ группы L (L–газ, т.е. низкокалорийный газ) – это природный газ с менее высоким содержанием метана – от 80% до 87%. Если требования по качеству не выполняются (11,1 кВт-ч/куб.м), то часто газ нельзя поставлять непосредственно конечному потребителю без дополнительной переработки.
Помимо метана в состав природного газа могут входить более тяжелые углеводороды, гомологи метана: этан (C2H6), пропан (C3H8), бутан (C4H10) и некоторые неуглеводородные примеси. В то же время важно, что состав природного газа не постоянен и меняется от месторождения к месторождению.
Ориентировочные физические характеристики (зависят от состава):
- Плотность: от 0,7 до 1,0 кг/м3 (сухой газообразный, при нормальных условиях) либо 400 кг/м3 (жидкий).
- Температура возгорания: t = 650°C .
- Теплота сгорания одного м3 природного газа в газообразном состоянии при н.у.: 28-46 МДж, или 6,7-11,0 Мкал.
- 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.
Применение
Обладая такими преимуществами перед другими энергоносителями как, например, экономичность и экологичность, природный газ приобретает все большее значение в промышленности и бытовых хозяйствах.
Природный газ как ископаемый энергоноситель используется главным образом для отопления жилых и промышленных помещений, для приготовления пищи, выработки электроэнергии, а также в промышленно-производственном секторе для выработки тепловой энергии.
В небольшом объеме природный газ используется в качестве моторного топлива. В связи с ростом цен на бензин за последние годы и месяцы возросло количество частного транспорта, переоснащенного на газовые двигатели. Кроме того, осуществляется переоснащение грузовых автомобилей и автобусов для работы на природном газе. Наряду с фактором затрат важным аргументом в пользу природного газа является более низкий уровень выделения в атмосферу вредных веществ.
20 ведущих стран мира по доказанным запасам газа (по итогам 2010 г.)
| Страна | Запасы
(трлн куб. м) | Доля от общемировых (%) | |
| 1 | РФ | 44,76 | 23,9 |
| 2 | Иран | 29,61 | 15,8 |
| 3 | Катар | 25,32 | 13,5 |
| 4 | Туркменистан | 8,03 | 4,3 |
| 5 | Саудовская Аравия | 8,01 | 4,3 |
| 6 | США | 7,71 | 4,1 |
| 7 | ОАЭ | 6,43 | 3,4 |
| 8 | Венесуэла | 5,45 | 2,9 |
| 9 | Нигерия | 5,29 | 2,8 |
| 10 | Алжир | 4,50 | 2,4 |
| 11 | Ирак | 3,16 | 1,7 |
| 12 | Индонезия | 3,06 | 1,6 |
| 13 | Австралия | 2,92 | 1,6 |
| 14 | Китай | 2,80 | 1,5 |
| 15 | Малазия | 2,39 | 1,3 |
| 16 | Египет | 2,21 | 1,2 |
| 17 | Норвегия | 2,04 | 1,1 |
| 18 | Казахстан | 1,84 | 1 |
| 19 | Кувейт | 1,78 | 1 |
| 20 | Канада | 1,72 | 0,9 |
Источник
20 ведущих стран мира по потреблению газа (по итогам 2010 г.)
| Страна | Потребление (млрд куб.м) | Доля от общемирового (%) | |
| 1 | США | 683,4 | 21,7 |
| 2 | РФ | 414,1 | 13 |
| 3 | Иран | 136,9 | 4,3 |
| 4 | Китай | 109,0 | 3,4 |
| 5 | Япония | 94,5 | 3 |
| 6 | Великобритания | 93,8 | 3 |
| 7 | Канада | 93,8 | 3 |
| 8 | Саудовская Аравия | 83,9 | 2,6 |
| 9 | Германия | 81,3 | 2,6 |
| 10 | Италия | 76,1 | 2,4 |
| 11 | Мексика | 68,9 | 2,2 |
| 12 | Индия | 61,9 | 1,9 |
| 13 | ОАЭ | 60,5 | 1,9 |
| 14 | Украина | 52,1 | 1,6 |
| 15 | Франция | 46,9 | 1,5 |
| 16 | Узбекистан | 45,5 | 1,4 |
| 17 | Египет | 45,1 | 1,4 |
| 18 | Таиланд | 45,1 | 1,4 |
| 19 | Нидерланды | 43,6 | 1,4 |
| 20 | Аргентина | 43,3 | 1,4 |
Источник : BP Statistical Review of World Energy 2011
20 ведущих стран мира по добыче газа (по итогам 2010 г.)
| Страна | Добыча
(млрд куб.м) | Доля от общемирового (%) | |
| 1 | США | 611 | 19,3 |
| 2 | Россия | 588,9 | 18,4 |
| 3 | Канада | 159,8 | 5 |
| 4 | Иран | 138,5 | 4,3 |
| 5 | Катар | 116,7 | 3,6 |
| 6 | Норвегия | 106,4 | 3,3 |
| 7 | Китай | 96,8 | 3 |
| 8 | Саудовская Аравия | 83,9 | 2,6 |
| 9 | Индонезия | 82 | 2,6 |
| 10 | Алжир | 80,4 | 2,5 |
| 11 | Нидерланды | 70,5 | 2,2 |
| 12 | Малайзия | 66,5 | 2,1 |
| 13 | Египет | 61,3 | 1,9 |
| 14 | Узбекистан | 59,1 | 1,8 |
| 15 | Великобритания | 57,1 | 1,8 |
| 16 | Мексика | 55,3 | 1,7 |
| 17 | ОАЭ | 51 | 1,6 |
| 18 | Индия | 50,9 | 1,6 |
| 19 | Австралия | 50,4 | 1,6 |
| 20 | Тринидад и Тобаго | 42,4 | 1,3 |
Источник : BP Statistical Review of World Energy 2011
Есть смесь метана CH 4 с небольшим количеством азота N 2 и углекислого газа СО 2 - то есть, что он качественно тождественен по составу с газом, выделяющимся из болот .
Энциклопедичный YouTube
1 / 4
✪ Природный газ - Это Интересно
✪ Природный газ. Как это работает?
✪ Природный газ и нефть (загадка происхождения и проблема истощения)
✪ № 53. Органическая химия. Тема 14. Источники углеводородов. Часть 1. Природный газ
Субтитры
Химический состав
Основную часть природного газа составляет метан (CH 4) - от 70 до 98 %. В состав природного газа могут входить более тяжёлые углеводороды - гомологи метана :
- этан (C 2 H 6),
- пропан (C 3 H 8),
- бутан (C 4 H 10).
Природный газ содержит также другие вещества, не являющиеся углеводородами:
- гелий (Не) и другие инертные газы .
Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Для облегчения возможности определения утечки газа в него в небольшом количестве добавляют одоранты - вещества, имеющие резкий неприятный запах (гнилой капусты, прелого сена, тухлых яиц). Чаще всего в качестве одоранта применяется тиолы (меркаптаны), например, этилмеркаптан (16 г на 1000 м³ природного газа).
Физические свойства
Ориентировочные физические характеристики (зависят от состава; при нормальных условиях, если не указано иное):
Месторождения природного газа
В осадочной оболочке земной коры сосредоточены огромные залежи природного газа. Согласно теории биогенного (органического) происхождения нефти, они образуются в результате разложения останков живых организмов. Считается, что природный газ образуется в осадочной оболочке при бо́льших температурах и давлениях, чем нефть. С этим согласуется тот факт, что месторождения газа часто расположены глубже, чем месторождения нефти .
Огромными запасами природного газа обладают Россия (Уренгойское месторождение), Иран , большинство стран Персидского залива, США , Канада . Из европейских стран стоит отметить Норвегию , Нидерланды . Среди бывших республик Советского Союза большими запасами газа владеют Туркмения , Азербайджан , Узбекистан , а также Казахстан (Карачаганакское месторождение).
Метан и некоторые другие углеводороды широко распространены в космосе . Метан - третий по распространённости газ во Вселенной, после водорода и гелия. В виде метанового льда он участвует в строении многих удалённых от солнца планет и астероидов, однако такие скопления, как правило, не относят к залежам природного газа, и они до сих пор не нашли практического применения. Значительное количество углеводородов присутствует в мантии Земли , однако они тоже не представляют интереса.
Газогидраты
В науке долгое время считалось, что скопления углеводородов с молекулярным весом более 60 пребывают в земной коре в жидком состоянии, а более лёгкие - в газообразном. Однако во второй половине XX века группа сотрудников А. А. Трофимук, Н. В. Черский, Ф. А. Требин, Ю. Ф. Макогон, В. Г. Васильев обнаружили свойство природного газа в определённых термодинамических условиях переходить в земной коре в твёрдое состояние и образовывать газогидратные залежи . Позже выяснилось, что запасы природного газа в этом состоянии огромны.
Газ переходит в твёрдое состояние в земной коре, соединяясь с пластовой водой при гидростатических давлениях до 250 атм и сравнительно низких температурах (до +22 °C ). Газогидратные залежи обладают несравненно более высокой концентрацией газа в единице объёма пористой среды, чем в обычных газовых месторождениях, так как один объём воды при переходе её в гидратное состояние связывает до 220 объёмов газа. Зоны размещения газогидратных залежей сосредоточены главным образом в районах распространения многолетнемёрзлых пород , а также на небольшой глубине под океаническим дном .
Запасы природного газа
Добыча и транспортировка
Природный газ находится в земле на глубине от 1000 м до нескольких километров. Сверхглубокой скважиной недалеко от города Новый Уренгой получен приток газа с глубины более 6000 метров. В недрах газ находится в микроскопических пустотах (порах). Поры соединены между собой микроскопическими каналами - трещинами, по этим каналам газ поступает из пор с высоким давлением в поры с более низким давлением до тех пор, пока не окажется в скважине. Движение газа в пласте подчиняется определённым законам .
Газ добывают из недр земли с помощью 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.
Газ выходит из недр вследствие того, что в пласте находится под давлением, многократно превышающем атмосферное . Таким образом, движущей силой является разность давлений в пласте и системе сбора.
Мировая добыча природного газа в 2014 году составляла 3460,6 млрд м 3 . Лидирующее положение в добыче газа занимают Россия и США.
| Страна | 2010 | 2006 | ||
| Добыча, млрд м³ |
Доля мирового рынка (%) |
Добыча, млрд м³ |
Доля мирового рынка (%) |
|
| Россия | 647 | 673,46 | 18 | |
| США | 619 | 667 | 18 | |
| Канада | 158 | |||
| Иран | 152 | 170 | 5 | |
| Норвегия | 110 | 143 | 4 | |
| Китай | 98 | |||
| Нидерланды | 89 | 77,67 | 2,1 | |
| Индонезия | 82 | 88,1 | 2,4 | |
| Саудовская Аравия | 77 | 85,7 | 2,3 | |
| Алжир | 68 | 171,3 | 5 | |
| Узбекистан | 65 | |||
| Туркменистан | 66,2 | 1,8 | ||
| Египет | 63 | |||
| Великобритания | 60 | |||
| Малайзия | 59 | 69,9 | 1,9 | |
| Индия | 53 | |||
| ОАЭ | 52 | |||
| Мексика | 50 | |||
| Азербайджан | 41 | 1,1 | ||
| Остальные страны | 1440,17 | 38,4 | ||
| Мировая добыча газа | 100 | 3646 | 100 | |
Подготовка природного газа к транспортировке
Газ, поступающий из скважин, необходимо подготовить к транспортировке конечному пользователю - химический завод, котельная , ТЭЦ , городские газовые сети. Необходимость подготовки газа вызвана присутствием в нём, кроме целевых компонентов (целевыми для различных потребителей являются разные компоненты), также и примесей, вызывающих затруднения при транспортировке либо применении. Так, пары воды, содержащиеся в газе, при определённых условиях могут образовывать гидраты или, конденсируясь, скапливаться в различных местах (например, изгиб трубопровода), мешая продвижению газа; сероводород вызывает сильную коррозию газового оборудования (трубы, ёмкости теплообменников и т. д.). Помимо подготовки самого газа, необходимо подготовить и трубопровод. Широкое применение здесь находят азотные установки , которые применяются для создания инертной среды в трубопроводе.
Газ подготавливают по различным схемам. Согласно одной из них, в непосредственной близости от месторождения сооружается установка комплексной подготовки газа (УКПГ), на которой производится очистка и осушка газа в абсорбционных колоннах . Такая схема реализована на Уренгойском месторождении . Также целесообразна подготовка газа мембранной технологией.
Для подготовки газа к транспортировке применяются технологические решения с применением мембранного газоразделения, с помощью которого можно выделить тяжёлые углеводороды (C 3 H 8 и выше), азот, углекислый газ, сероводород, а также значительно снизить температуру точки росы по воде и углеводородам перед подачей в ГТС.
Если газ содержит в большом количестве гелий либо сероводород , то газ обрабатывают на газоперерабатывающем заводе, где выделяют серу на установках аминовой очистки и установках Клауса, а гелий - на криогенных гелиевых установках (КГУ). Эта схема реализована, например, на Оренбургском месторождении. Если в газе сероводорода менее 1,5 % об., то также целесообразно рассмотреть мембранную технологию подготовки природного газа, поскольку её применение позволяет снижать капитальные и эксплуатационные затраты в 1,5-5
Транспортировка природного газа
В настоящее время основным видом транспорта является трубопроводный. Газ под давлением 75 атм прокачивается по трубам диаметром до 1,42 м. По мере продвижения газа по трубопроводу он, преодолевая силы трения как между газом и стенкой трубы, так и между слоями газа, теряет потенциальную энергию, которая рассеивается в виде тепла. Поэтому через определённые промежутки необходимо сооружать компрессорные станции (КС), на которых газ обычно дожимается до давления от 55 до 120 атм и затем охлаждается. Сооружение и обслуживание трубопровода весьма дорогостоящи, но тем не менее это наиболее дешёвый с точки зрения начальных вложений и организации способ транспортировки газа на небольшие и средние расстояния.
Кроме трубопроводного транспорта широко используют специальные танкеры - газовозы . Это специальные суда, на которых газ перевозится в сжиженном состоянии в специализированных изотермических емкостях при температуре от −160 до −150 °С.
Для сжижения газ охлаждают при повышенном давлении. При этом степень сжатия достигает 600 раз в зависимости от потребностей. Таким образом, для транспортировки газа этим способом, необходимо протянуть газопровод от месторождения до ближайшего морского побережья, построить на берегу терминал, который значительно дешевле обычного порта, для сжижения газа и закачки его на танкеры, и сами танкеры . Обычная вместимость современных танкеров составляет от 150 000 до 250 000 м³ . Такой метод транспортировки является значительно более экономичным, чем трубопроводный, начиная с расстояний до потребителя сжиженного газа более 2000-3000 км, так как основную стоимость составляет не транспортировка, а погрузочно-разгрузочные работы, но требует более высоких начальных вложений в инфраструктуру, чем трубопроводный. К его достоинствам относится также тот факт, что сжиженный газ куда более безопасен при перевозке и хранении, чем сжатый.
В 2004 г. международные поставки газа по трубопроводам составили 502 млрд м³, сжиженного газа - 178 млрд м³.
Также есть и другие технологии транспортировки газа, например с помощью железнодорожных цистерн.
Разрабатывались также проекты транспортировки газа с использованием
Природным газом называется смесь таких газов, которые образовались в земных недрах при разложении различных органических веществ. Конечно, состав природного газа стоит определять с поправкой на конкретные образцы. Однако у всех природных газов несомненно много общих веществ и химических элементов в строении, а также любой природный газ имеет приблизительно тот же физический состав и свойства, что и другие. Об этом мы с вами и поговорим.
Общие сведения
Природный газ - одно из важнейших полезных ископаемых, активно применяемых в промышленности и в быту. В условиях залегания (или, как говорят газовики, в пластовых условиях) природный газ находится исключительно в газообразном состоянии либо в виде так называемой «газовой шапки» в общих месторождениях нефти и газа, либо в виде газовых залежей (то есть, отдельных скоплений), либо в растворенном виде - в воде или в нефти. Правда, при определенных условиях природный газ может находиться не только в газообразном, но и в твердом состоянии в виде кристаллов.
Химический состав природного газа
Что касается основных веществ, входящих в состав природного газа, то ими являются метан (CH 4), углекислый газ (CO 2) и азот в виде молекул (N 2). Из этих веществ и элементов состоит практически любой природный газ, будь то рудничный или болотный. Что же касается состава природного газа в процентах, то основным веществом, входящим в состав природного газа безусловно является метан. Его доля составляет от 90 до 98% - в зависимости от месторождения газа. Также в состав природного газа входят такие вещества, как бутан, пропан, этан (углеводороды, называемые также гомологами метана, поскольку состоят из одних и тех же химических элементов, различаясь только по количеству атомов углерода и водорода и, соответственно, по структуре молекул). Из неуглеводородных составляющих природного газа отметим, помимо уже описанных азота и диоксида углерода (углекислого газа), водород (H 2), гелий (He) и сероводород (H 2 S).
Физические свойства природного газа
Прежде всего отметим, что природный газ, находящийся в чистом виде, бесцветен и не имеет запаха. Для того, чтобы определить утечку газа, в него в малых количествах добавляются так называемые одоранты или вещества, которые имеют резкий и достаточно неприятных запах: например, тиолы, среди которых ведущее место занимает этилмеркаптан. На 1000 кубометров природного газа добавляется обычно не более 15-16 г этилмеркаптана. Плотность природного газа в газообразном состоянии составляет в среднем 0,75 кг на кубический метр. В кристаллическом состоянии плотность достигает 400 кг на м 3 . Самовозгорается природный газ лишь при очень высокой температуре - около 650 градусов по шкале Цельсия. При определенной концентрации природного газа в воздухе (примерно 5-15%) могут происходить взрывы. Также известна и удельная теплота сгорания природного газа, составляющая в среднем 35 МДж/м? или 9 Мкал/м?. При использовании в различных двигателях внутреннего сгорания октановое число природного газа составляет от 120 до 130. Наконец, природный газ приблизительно в 1,8 раз легче воздуха, поэтому при утечке он поднимается вверх, а не собирается в низинах.
Применение природного газа
Прежде всего, природный газ в современном мире применяется в качестве горючего и топлива. Так, во многих многоквартирных и частных домах люди используют природный газ для приготовления пищи, подогрева воды, отопления. Что же касается другого применения природного газа в виде топлива, то в последнее время он активно используется не только в качестве топлива для различных ТЭЦ и котельных, но и как горючее для топливных систем некоторых автомобилей. Кроме того, современные инженеры и конструкторы наладили даже выпуск транспорта, работающего на природном газе - например, автобусов. В химической промышленности природный газ используется в качестве сырья для изготовления всевозможных веществ - например, различных пластиков и пластмасс. А на заре своей добычи во многих европейских и североамериканских городах природный газ использовался в качестве уличного освещения и применялся он даже в самых первых светофорах.
Природный газ, к которому мы все так привыкли у себя на кухне, является близким родственником нефти. Состоит он по большей части из метана с примесями более тяжелых углеводородов (этана, пропана, бутана). В естественных природных условиях он также часто содержит примеси других газов (гелия, азота, сероводорода, углекислого газа).
Типичный состав природного газа:
Углеводороды :
- Метан – 70-98%
- Этан – 1-10%
- Пропан – до 5%
- Бутан – до 2%
- Пентан – до 1%
- Гексан – до 0,5%
Примеси :
- Азот – до 15%
- Гелий – до 5%
- Углекислый газ – до 1%
- Сероводород – менее 0,1%
Природный газ исключительно широко распространен в недрах земли. Его можно встретить в толще земной коры на глубине от нескольких сантиметров до 8 километров. Также как и нефть, природный газ, в процессе миграции в земной коре, попадает в ловушки (проницаемые пласты ограниченные непроницаемой толщей пород), в результате чего формируются газовые месторождения.
Пять крупнейших газовых месторождений России:
- Уренгойское (газовое)
- Ямбургское (нефтегазоконденсатное)
- Бованенковское (нефтегазоконденсатное)
- Штокмановское (газоконденсатное)
- Ленинградское (газовое)
Природный (углеводородный) газ – частый спутник нефтяных месторождений. Обычно он содержится в нефти в растворенном виде, а в некоторых случаях скапливается в верхней части месторождений, образуя так называемую газовую шапку. В течение длительного времени газ, выделяющийся при добыче нефти, и называемый попутным газом, был нежелательной составляющей процесса добычи. Чаще всего его просто сжигали в факелах.
Только за последние несколько десятков лет человечество научилось достаточно полно использовать все преимущества природного газа. Такая задержка в освоении этого чрезвычайно ценного вида топлива во многом связана с тем, что транспортировка газа и его использование в промышленности и быту требуют достаточно высокого технического и технологического уровня развития. Кроме того, природный газ, смешиваясь с воздухом, образует взрывоопасную смесь, что требует повышенных мер безопасности при его использовании.
Применение газа
Некоторые попытки применения газа предпринимались еще в XIX веке. Светильный газ, как его тогда называли, служил в качестве источника освещения. Разработку газовых месторождений в то время еще не вели, а для освещения использовали газ, добываемый вместе с нефтью. Поэтому такой газ часто называли нефтяным. Таким нефтяным газом, например, долгое время освещалась Казань. Использовали его и для освещения Петербурга и Москвы.
В настоящее время газ играет все более значительную роль в энергетике мира. Спектр его применения очень широк. Он используется в промышленности, в быту, в котельных, ТЭЦ, в качестве моторного топлива для автомашин и как исходное сырье в химической промышленности.
Газ считается относительно чистым видом топлива. При сжигании газа образуется только углекислый газ и вода. При этом выбросы углекислого газа почти в два раза меньше, чем при сжигании угля и в 1,3 раза меньше, чем при сжигании нефти. Не говоря уже о том, что при сжигании нефти и угля остаются еще копоть и зола. Благодаря тому, что из всех ископаемых видов топлива газ является наиболее экологически чистым видом, в энергетике современных мегаполисов он занимает доминирующее положение.
Как добывают газ
Также как и нефть, природный газ добывают при помощи скважин, которые распределяют равномерно по всей площади газового месторождения. Добыча происходит за счет разницы давлений в газоносном пласте и на поверхности. Под действием пластового давления газ выталкивается через скважины на поверхность, где попадет в систему сбора. Далее газ подается на установку комплексной подготовки газа, где его очищают от примесей. Если примесей в добываемом газе незначительное количество, тогда его могут сразу направить на газоперерабатывающий завод, минуя установку комплексной подготовки.
Как транспортируют газ
Транспортировка газа осуществляется преимущественно по трубопроводам. Основные объемы газа транспортируют магистральными газопроводами, где давление газа может достигать 118 атм. Потребителям же газ попадает через распределительные и внутридомовые газопроводы. Сначала газ проходит через газораспределительную станцию, где его давление снижается до 12 атм. Затем по распределительным газопроводам он подается на газорегуляторные пункты, где его давление снова понижают, на этот раз уже до 0,3 атм. После чего по внутридомовым газопроводам газ попадает к нам на кухню.
Вся эта огромная газораспределительная инфраструктура представляет собой поистине масштабную картину. Сотни и сотни тысяч километров газопроводов, опутавших собой практически всю территорию России. Если всю эту паутину газопроводов вытянуть в одну линию, то ее длины хватит, чтобы достать от Земли до Луны и обратно. И это только газотранспортная система России. Если же говорить о всей мировой газотранспортной инфраструктуре, то речь будет идти уже о миллионах километров трубопроводов.
Поскольку природный газ не обладает ни запахом, ни цветом, то для того, чтобы можно было оперативно обнаружить утечки газа, ему искусственно придается неприятный запах. Этот процесс называется одоризацией и происходит на газораспределительных станциях. В качестве одорантов, то есть неприятно пахнущих веществ, обычно используют серосодержащие соединения, например этантиол (EtSH).
Потребление газа носит сезонный характер. Зимой его потребление увеличивается, а летом снижается. Чтобы сгладить сезонные колебания в потреблении газа, вблизи крупных промышленных центров создают подземные хранилища газа (ПХГ). Это могут быть истощившиеся газовые месторождения, приспособленные под хранение газа или искусственно созданные подземные соляные пещеры. Летом излишки транспортируемого газа направляют в ПХГ, а зимой наоборот, возможный недостаток мощностей трубопроводной системы компенсируют отбором газа из хранилищ.
В мировой практике помимо газопроводов природный газ часто транспортируют в сжиженном виде посредством специальных судов – газовозов (метановозов). В сжиженном виде объем природного газа уменьшается в 600 раз, что удобно не только для транспортировки, но и для хранения. Для сжижения газ охлаждают до температуры конденсации (-161,5 °С) в результате чего он превращается в жидкость. В таком охлажденном виде он и транспортируется. Основными производителями сжиженного природного газа являются Катар, Индонезия, Малайзия, Австралия и Нигерия.
Перспективы и тенденции
Благодаря своей экологической чистоте и постоянному совершенствованию техники и технологий, как в добыче, так и в использовании газа, этот вид топлива приобретает все большую популярность. Компания BP, например, прогнозирует опережающий рост спроса на газ по сравнению с другими видами ископаемого топлива.
Рост потребности в газе приводит к поиску новых, часто нетрадиционных, источников газа. Такими источниками могут быть:
- Газ из угольных пластов
- Сланцевый газ
- Газогидраты
♦ Газ из угольных пластов начали добывать только в конце 1980-х годов. Впервые это было сделано в США, где была доказана коммерческая целесообразность такого вида добычи. В России Газпром начал испытывать этот метод с 2003 года, начав пробную добычу метана из угольных пластов в Кузбассе. Добычу газа из угольных пластов осуществляют и в других странах - Австралии, Канаде и Китае.
♦ Сланцевый газ . Сланцевая революция в добыче газа, случившаяся в США в последнее десятилетие, не сходит с первых полос периодической печати. Развитие технологии горизонтального бурения и позволило добывать газ из низкопроницаемых сланцев в объемах окупающих затраты на его извлечение. Феномен бурного развития добычи сланцевого газа в США подстегивает и другие страны к развитию данного направления. Помимо США активные работы по добыче сланцевого газа ведутся в Канаде. Также значительным потенциалом по развитию масштабной добычи сланцевого газа обладает Китай.
♦ Газогидраты . Значительная часть природного газа находится в кристаллическом состоянии в виде так называемых газогидратов (гидратов метана). Крупные запасы газогидратов существуют в океанах и в зонах вечной мерзлоты материков. В настоящее время оцениваемые запасы газа в виде газогидратов превосходят вместе взятые запасы нефти, угля и обычного газа. Разработкой экономически целесообразных технологий по добыче газогидратов усиленно занимаются в Японии, США и некоторых других странах. Особенно этой теме уделяет внимание Япония, лишенная традиционных запасов газа и вынужденная закупать этот вид ресурса по чрезвычайно высоким ценам.
Природный газ в качестве топлива и источника химических элементов имеет большое будущее. В отдаленной перспективе именно его рассматривают в качестве основного вида топлива, который будет использоваться в период перехода мировой энергетики на более чистые возобновляемые ресурсы.