Что мы знаем об углеводородах? Ну разве что что-то из школьной программы по химии, да периодически мелькающее в СМИ слово "метан"… Что мы знаем о природном газе, кроме его взрывоопасных свойств? Каково еще применение природного газа, кроме общеизвестных нам приготовления пищи и отопления жилых построек? Что нового происходит в мире энергопотребления и энергетической безопасности?

Основные свойства

Начнем с того, что известная фраза по поводу запаха газа в квартире или на улице не совсем правильна. У который подается нам в квартиры для приготовления пищи или для подогрева воды, нет ни вкуса, ни запаха. То, что мы ощущаем, есть не что иное, как специальная добавка, необходимая для определения утечек газа. Это так называемый одорант, добавляют его на специально оборудованных станциях в следующих пропорциях: 16 мг на одну тысячу кубометров газа.

Основным компонентом природного газа, безусловно, является метан. Его содержание в газовой смеси составляет порядка 89-95%, остальные компоненты - это бутан, пропан, сероводород и так называемые примеси - пыль и негорючие компоненты, кислород и азот. Процент содержания метана зависит от типа месторождения.

Энергия природного газа, выделяемая при сгорании одного кубометра топлива, называется теплотой сгорания. Данная величина является одной из начальных во всех вопросах проектирования газовых объектов, и в разных странах за основу берутся различные значения. В России расчет ведется по низшей теплоте сгорания, в странах Запада, таких как Франция и Великобритания, - по высшей.

Говоря о взрывоопасности природного газа, стоит упомянуть о таких понятиях, как пределы взрываемости и опасная концентрация. Газ взрывается при концентрации его в помещении от 5 до 15 % от объема. Если концентрация ниже, газ не горит, если концентрация более 15%, то газовоздушная смесь горит при дополнительной подаче воздуха. Опасной концентрацией принято называть 1/5 от нижнего предела взрываемости, то есть 1%.

Основы виды и применение природного газа

Бутан и пропан нашли свое применение как топливо для автомобилей (сжиженный газ). Также пропан используется для заправки зажигалок. Этан в качестве топлива применяется крайне редко, поскольку является сырьем для производства полиэтилена. Ацетилен крайне горюч и используется при сварке и резке металлов. Применение природного газа, а если быть точнее - метана, нами уже обговаривалось, он используется как горючее топливо в плитах, колонках и котлах.

Разновидности добываемого природного газа

По типам добываемого газа месторождения делятся на газовые или попутные. Основное различие между ними заключается в проценте содержания углеводородов. В газовых месторождениях содержание метана составляет около 80-90%, в попутных, или, как их принято еще называть, «нефтяных», содержание его не более 50%. Остальные 50% - и отделившаяся от газа нефть. Одним из самых больших минусов газа из попутного месторождения является обязательная его очистка от различных примесей. Получение природного газа бывает также связано с добычей гелия. Подобные месторождения встречаются достаточно редко, гелий считается оптимальным газом для охлаждения ядерных реакторов. Сера, выделяемая из сероводородов, добытых как примесь природного газа, также используется в промышленных целях.

Основным инструментом при добыче природного газа является буровая установка. Это четырехногая вышка высотой около 20-30 метров. К ней подвешивается труба с буром на конце. Труба эта увеличивается по мере увеличения глубины скважины, в процессе бурения в скважину добавляется специальная жидкость, чтобы разрушаемые породы ее не забили.

Осуществляется подача данной жидкости с помощью специальных насосов. Разумеется, стоимость природного газа включает в себя затраты на эксплуатацию и сооружение газодобывающих скважин. От 40 до 60% себестоимости составляют затраты именно на это.

Как к нам приходит газ?

Итак, покинув место добычи, очищенный природный газ поступает на первую компрессорную станцию, или, как ее еще называют, головную. Расположена она чаще всего в непосредственной близости от месторождения. Там с помощью установок газ с высоким давлением поступает в магистральные газопроводы. Для поддержания заданного давления на магистральных газопроводах устанавливаются станции. Поскольку прокладка труб с данной категорией давления внутри городов запрещена, перед каждым крупным городом устанавливается ответвление. Оно уже, в свою очередь, не повышает, а понижает давление. Часть его расходуется крупными потребителями газа - промышленными предприятиями, заводами, котельными. А другая часть поступает в так называемые ГРП - Там давление еще раз понижается. Где применение природного газа нам с вами наиболее знакомо и понятно? Это конфорки плит.

Как давно он с нами?

Активное применение природного газа берет свое начало в середине 19 века, после изобретения газовой горелки. Причем изначальное использование его сейчас для нас не совсем привычно. Сначала применялся он для освещения улиц.

В Советском Союзе до конца 30-х годов прошлого века самостоятельной газовой отрасли не существовало. Месторождения газа открывались случайно, лишь при разведке нефтяных скважин. Активное использование природного газа началось с времен Великой Отечественной войны. Нехватка топлива, в связи с потерей части угольных и нефтяных месторождений, дала мощный толчок развитию газовой отрасли. Уже после окончания войны газовая отрасль активно развивалась и постепенно стала одной из самых энергоэффективных.

Альтернативы нет

Пожалуй, лучшим доказательством преимущества природного газа как наиболее удобного источника энергии являются показатели Москвы. Подключение газа позволило ежедневно экономить один миллион кубов дров, 0,65 миллионов тонн угля, 150 тысяч тонн керосина и почти столько же И все это было заменено 1 млн. куб. м газа. Далее последовала постепенная газификация всей страны и поиск новых месторождений. Позже были найдены огромные запаса газа в Сибири, которые и эксплуатируются по сей день.

Промышленное использование

Использование природного газа не ограничивается только приготовлением пищи - хоть и опосредовано, он применяется для подачи тепла в жилые дома. Большинство крупных городских котельных в Европейской части России используют в качестве основного топлива именно природный газ.

Также все чаще природный газ используют в химической промышленности как сырье для получения различных органических веществ. Все большее количество автомобильных гигантов разрабатывают автомобили на альтернативных видах топлива, в том числе водороде и природном газе.

Только газ тому виной

С точки зрения экологии природный газ можно назвать одним из самых безопасных видов органического топлива. Однако подключение газа во многие сферы жизни человека и последующее сжигание привело к многократному увеличению содержания в атмосфере. Иначе этот процесс носит название "парниковый эффект". И это крайне негативно сказывается на климате нашей планеты. Однако новые технологии и уровень производства в последнее время максимально снижают уровень выбросов в атмосферу. Напомним, газ - один из наиболее безопасных видов топлива.

Состоянии в виде естественных газогидратов .

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 (He) 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

Добыча

Применение

Природный газ широко применяется в качестве горючего в жилых, частных и многоквартирных домах для отопления, подогрева воды и приготовления пищи; как

Смесь углеводородов, предмет религиозного культа, спора ученых и важнейший сырьевой ресурс. Он невидим и не имеет запаха. В России его больше, чем где-либо в мире.

Из чего состоит природный газ

Основу природного газа составляет метан (CH 4) - простейший углеводород (органическое соединение, состоящее из атомов углерода и водорода). Обычно в его состав также входят более тяжелые углеводороды , гомологи метана: этан (C 2 H 6), пропан (C 3 H 8), бутан (C 4 H 10) и некоторые неуглеводородные примеси.

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.

Запах газа

Что интересно, ни один из названных газов не имеет ни цвета, ни запаха. Характерный неприятный запах, с которым в быту сталкивался практически каждый человек, придается газу искусственно и называется одорацией. В качестве одорантов , то есть неприятно пахнущих веществ, обычно используют серосодержащие соединения. Человек может уловить запах одного из самых распространенных одорантов - этантиола - даже если одна часть этого вещества придется на 50 миллионов частей воздуха. Именно благодаря одорации можно легко устанавливать утечки газа.

Этап добавления одоранта
с неприятным запахом.

Природный газ без запаха

Природный газ
с неприятным запахом

Спор ученых

Относительно происхождения природного газа (как, впрочем, и нефти) 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 и нефтяные 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.

Невидимые поры

Довольно распространено ложное представление о том, что газ находится под землей в неких пустотах, из которых легко полностью извлекается. На самом деле газ может находиться внутри горной породы, имеющей пористую структуру настолько мелкую, что человеческим глазом ее увидеть нельзя. Держа в руках кусок песчаника, извлеченного с огромной глубины, достаточно сложно представить, что внутри заключен природный газ.

Поклонение газу

Человечество знает о существовании природного газа давно. И, хотя уже в IV веке до н. э. в Китае его научились использовать для отопления и освещения, 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.

Кстати, недалеко от храма Атешгях в 1859 году была совершена первая в России попытка (довольно кратковременная) использовать природный газ в промышленных целях - на нефтеперегонном заводе в Баку.

Термоламп и первый газ в России

История российской газовой промышленности начинается в 1811 году. Тогда изобретатель Петр Соболевский создал первую установку для получения искусственного газа - термоламп. Выступив с докладом об этом на заседании Всероссийского общества любителей словесности, наук и художеств, по указу Александра I Соболевский был награжден орденом за свое изобретение. А несколькими годами позже, в 1819 году, на Аптекарском острове в Санкт-Петербурге зажглись первые газовые фонари. Таким образом, история газовой промышленности в России началась почти 200 лет назад - в 2011 году у нее был юбилей.

В середине 20-х годов XX века во всем СССР было добыто 227,7 млн кубометров газа. В 2010 году Группой «Газпром» было добыто 508,6 млрд кубометров газа.

Россия занимает первое место в мире по объему запасов природного газа. Доля «Газпрома» в этих запасах составляет около 70%. Таким образом, «Газпром» располагает самыми богатыми в мире запасами природного газа.

С наступлением XX века началось активное развитие российской газовой промышленности: впервые разрабатывались газовые месторождения, утилизировался попутный (нефтяной) газ.

Русская смекалка

Однако до XX века в России природный газ являлся побочным продуктом при добыче нефти и назывался попутным газом. Не существовало даже самих понятий газового или газоконденсатного месторождений. Обнаруживались они случайно, например при бурении артезианских скважин. Однако известен случай, когда во время бурения такой скважины находчивый саратовский купец, увидев вместо воды пламя, построил на этом месте стекольный и кирпичный заводы. Промышленники постепенно начали осознавать, что природный газ может быть крайне полезен.

Инструкция

Природным газом можно заправлять газовые лампы, предназначенные для освещения. Собственно метан применяется как сырье для производства ацетилена, аммиака, метанола и цианистого водорода.

При этом природный газ является сырьевой базой при производстве аммиака. Практически три четверти всего аммиака применяется для производства азотных удобрений.

Цианистый водород, получаемый уже из аммиака, вместе с ацетиленом служит первоначальным сырьем для производства различных синтетических волокон. Из ацетилена можно вырабатывать разные пласты-каты, которые довольно широко в промышленности и в быту. Также при помощи него производится ацетатный шелк.

В химической промышленности метан используется не только для получения различных пластмасс, но также и для производства , органических кислот и спирта. Именно с использованием природного газа стало возможно создавать многие химические вещества, которые не в природе, например, полиэтилен.

Природный газ является одним из лучших видов топлива, которые используются для промышленных и бытовых нужд. Его ценность как горючего также в том, что это минеральное топливо довольно чистое экологически. При его сгорании появляется гораздо меньше вредных веществ, если с другими видами топлива. Именно поэтому природный газ - это один из основных источников энергии во всей человеческой деятельности.

Водород в чистом виде на Земле редко встречается, но он очень распространен в составе соединений: содержится в воде, в растительных и животных организмах, в природных газах. В космосе же это самый распространенный элемент.

Вам понадобится

• Издание по общей химии или учебник по химии 8-9 класс.

Инструкция

Для того чтобы определить водород, необходимо знать некоторые его . Какие-то из них помогут справиться с поставленной задачей в короткий срок, а какие-то требуют нахождения в химической . Необязательно использовать все методы, хватает одного или двух.
Водород - самый легкий из всех . Например, может стоять задача - определить водород, имея в наличии несколько сосудов с неизвестными газами. В этом случае нужно обратить внимание на сосуд - водород должен находиться либо в перевернутом, либо в закрытом (возможно стеклом, которое можно отодвинуть для дальнейшего определения). Иначе водород улетучится. Запаха и цвета этот газ не имеет.

При поджигании водород горит несветящимся пламенем, при этом образуется вода. Хороший способ определения, но весьма опасный, т.к. смесь водорода и кислорода называют гремучим газом из-за ее способности взрываться. Хотя нужно отметить, что при низких температурах данная не пойдет. Только при 300?C начинает образовываться небольшое количество воды, при 500?C происходит возгорание, а при 700?C - взрыв.

Если газ пропустить над накаленным оксидом меди, то медь восстановится - в результате получится красноватый металл. Для проведения этого опыта необходимо соблюдать правила безопасности и, желательно находится в соответствующих (в лаборатории).

Природный газ отлично вступает в химическую реакцию горения. Поэтому чаще всего из него получают энергию - электрическую и тепловую. Но на основе газа можно сделать еще удобрение, топливо, краску и многое другое.

Зеленое топливо

В России около половины поставок газа приходится на энергетические компании и коммунальное хозяйство. Даже если в доме нет газовой плиты или газового водонагревателя, все равно свет и горячая вода, скорее всего, получены с использованием природного газа.
Природный газ - самое чистое среди углеводородных ископаемых топлив. При его сжигании образуются только вода и углекислый газ, в то время как при сжигании нефтепродуктов и угля образуются еще копоть и зола. Кроме того, эмиссия парникового углекислого газа при сжигании природного газа самая низкая, за что он получил название «зеленое топливо». Благодаря своим высоким экологическим характеристикам природный газ занимает доминирующее место в энергетике мегаполисов.

На газе можно ездить

Природный газ может использоваться как моторное топливо. Сжатый (или компримированный) метан стоит в два раза дешевле 76-го бензина, продлевает ресурс двигателя и способен улучшить экологию городов. Двигатель на природном газе соответствует экологическому стандарту Евро-4. Газ можно использовать для обычных автомобилей, сельскохозяйственного, водного, воздушного и железнодорожного транспорта.

Компримированный газ получают на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях (АГНКС) путем сжатия природного газа, поступающего по газопроводу, до 20–25 МПа (200–250 атмосфер).

Еще из природного газа можно производить жидкие моторные топлива по технологии «газ-в-жидкость» (gas-to-liquid, GTL). Поскольку природный газ - достаточно инертный продукт, практически всегда при переработке на первом этапе его превращают в более реакционно-способную парогазовую смесь - так называемый синтез-газ (смесь СО и Н 2).
Далее ее направляют на синтез для получения жидкого топлива. Это может быть так называемая синтетическая нефть, дизельное топливо, а также смазочные масла и парафины.

Впервые жидкие углеводороды из синтез-газа получили немецкие химики Франц Фишер и Ганс Тропш еще в 1923 году. Правда, тогда в качестве источника водорода они использовали уголь. В настоящее время различные варианты метода Фишера-Тропша используются во многих представленных на рынке процессах превращения газа в жидкие углеводороды.

Отбензинивание

Первичная переработка газа происходит на ГПЗ - газоперерабатывающих заводах .
Обычно в природном газе помимо метана содержатся разнообразные примеси, которые необходимо отделить. Это азот, углекислый газ, сероводород, гелий , пары воды.
Поэтому в первую очередь газ на ГПЗ проходит специальную обработку - очистку и осушку. Здесь же газ компримируют до давления, необходимого для переработки. На отбензинивающих установках газ разделяют на нестабильный газовый бензин и отбензиненный газ - продукт, который впоследствии и закачивают в магистральные газопроводы. Этот же уже очищенный газ идет на химических заводы, где из него производят метанол и аммиак.

А нестабильный газовый бензин после выделения из газа подается на газофракционирующие установки, где из этой смеси выделяются легкие углеводороды: этан, пропан, бутан, пентан. Эти продукты тоже становятся сырьем для дальнейшей переработки. Из них в дальнейшем получают, к примеру, полимеры и каучуки. А смесь пропана и бутана сама по себе является готовым продуктом - ее закачивают в баллоны и используют в качестве бытового топлива.

Краска, клей и уксус

По схеме, похожей на процесс Фишера-Тропша, из природного газа получают метанол (CH 3 OH). Он используется в качестве реагента для борьбы с гидратными пробками, которые образуются в трубопроводах при низких температурах. Метанол может стать и сырьем для производства более сложных химических веществ: формальдегида, изоляционных материалов, лаков, красок, клеев, присадок для топлива, уксусной кислоты.

Путем нескольких химических превращений из природного газа получают также минеральные удобрения. На первой стадии это аммиак. Процесс получения аммиака из газа похож на процесс gas-to-liquid, но нужны другие катализаторы, давление и температура.

Аммиак сам по себе является удобрением, а также используется в холодильных установках как хладагент и в качестве сырья для производства азотсодержащих соединений: азотной кислоты, аммиачной селитры, карбамида.

Как получается аммиак

Вначале природный газ очищают от серы, затем он смешивается с подогретым водяным паром и поступает в реактор, где проходит через слои катализатора. Эта стадия называется первичным риформингом, или парогазовой конверсией. Из реактора выходит газовая смесь, состоящая из водорода, метана, углекислого (СО 2) и угарного газов (СО). Далее эта смесь направляется на вторичный риформинг (паровоздушная конверсия), где смешивается с кислородом из воздуха, паром и азотом в необходимом соотношении. На следующем этапе из смеси удаляют СО и СО 2 . После этого смесь водорода и азота поступает собственно на синтез аммиака.