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 10 м глубины давление в пласте возрастает на 0,1 МПа (1 кгс/см2 ).
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 харак теристиках газового топлива обусловлены разным количеством в составе газа горючих и негорючих газообразных компонентов (балластов), а также вредных примесей.
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: QB — 12 750 кДж/м3 , 33 850 ккал/кг и 68 260 ккал/моль; Qн — 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 в весьма пожаро - и взрывоопасны.
· 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 Qв составляет 39 820 кДж/м3 ,
13 200 ккал/кг и 212 860 ккал/моль; низшая — Qн — 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.
· 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 1 ч вредно для организма, а при содержании 0,5 % СО находиться в помещении даже в течение 5 мин 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 тяже лее воздуха в 1,53 раза, при температуре — 20 0С 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 в других целей.
· Кислород О2 . Газ без запаха, цвета и вкуса. Плотность его составляет 1,43 г/м3. Присутствие кислорода в газе пони жает удельную теплоту сгорания и делает газ взрывоопасным. Поэтому содержание кислорода в газе не должно быть более 1 % от объема.
К вредным примесям относятся следующие газы.
· Сероводород H2S . Бесцветный газ с сильным запа хом, 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 тем пературой кипения 26 0С. Вследствие такой низкой температуры кипения HCN находится в горючих газах в газообразном сос тоянии. Синильная кислота очень ядовита, обладает корродиру ющим 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 сильными запахом. Наиболее часто в качестве одноранта 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.
В химическом отношении нефть – сложнейшая смесь углеводородов, подразделяющаяся на две группы – тяжелую и легкую нефть. Легкая нефть содержит примерно на два процента меньше углерода, чем тяжелая, зато соответственно, большее количество водорода и кислорода.
Главную часть нефтей составляют три группы углеводородов – алканы, нафтены и арены.
Кроме углеродной части в нефти имеются асфальто-смолистая составляющая, порфирины, сера и зольная часть.
Асфальто-смолистая часть – темное плотное вещество, которое частично растворяется в бензине. Растворяющуюся часть называют асфальтеном, а нерастворяющуюся, понятно, смолой.
Порфирины – особые органические соединения, имеющие в своем составе азот. Многие ученые полагают, что когда-то они образовались из хлорофилла растений и гемоглобина животных.
Серы в нефти бывает довольно много – до 5%, и она приносит немало хлопот нефтяникам, вызывая коррозию металлов.
И, наконец, зольная часть. Это то, что остается после сжигания нефти. В золе, обычно содержатся соединения железа, никеля, ванадия и некоторых других веществ. Об их использовании мы поговорим в дальнейшем.
К сказанному, пожалуй, можно добавить, что геологический сосед нефти – природный газ – тоже непростое по своему составу вещество. Больше всего – до 95% по объему – в этой смеси метана. Присутствуют также этан, пропан, бутаны и другие алканы – от С5 и выше. Более тщательный анализ позволил обнаружить в природном газе и небольшие количества гелия.
Список литературы:
Сыркин А.М. Основы Химии нефти и газа [Текст]/ А.М.Сыркин, Э. М. Мовсумзаде//2002
Мухаметзянов А.Х. Метрологическое обеспечение методов испытаний и средств контроля состава и свойств нефти и газа и продуктов их переработки/А.Х.Мухаметзянов//1992