Какие газы полезные свойства

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 16 октября 2017;
проверки требуют 43 правки.

Природный газ — большое скопление газов, образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ.

Природный газ относится к полезным ископаемым. 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. При нормальных условиях (101,325 кПа и 20 °C) природный газ находится только в газообразном состоянии. Также природный газ может находиться в кристаллическом состоянии в виде естественных газогидратов.

Сэр Гемфри Дэви (учёный-химик) ещё в 1813 г. заключил из своих анализов, что рудничный газ есть смесь метана CH4 с небольшим количеством азота N2 и углекислого газа СО2 — то есть, что он качественно тождественен по составу с газом, выделяющимся из болот.

Химический состав[править | править код]

Основную часть природного газа составляет метан (CH4) — от 70 до 98 %. В состав природного газа могут входить более тяжёлые углеводороды — гомологи метана[1]:

этан (C2H6),
пропан (C3H8),
бутан (C4H10),
пентан (C5H12).

Природный газ содержит также другие вещества, не являющиеся углеводородами:

водород (H2),
сероводород (H2S),
углекислый газ (СО2)[1],
азот (N2)[1],
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).

Природный газ считается более экологичным, по сравнению с углем, так как дает меньший выброс СО2 на единицу получаемой энергии[2].

Физические свойства[править | править код]

Ориентировочные физические характеристики (зависят от состава; приведены при нормальных условиях, если не указано иное):

Плотность:
- от 0,68 до 0,85 кг/м³ (сухой газообразный);
- 400 кг/м³ (жидкий).
Температура самовозгорания: 650 °C;
Температуры конденсации-испарения −161,5 °С[3];
Взрывоопасные концентрации смеси газа с воздухом от 4,4 % до 17 % объёмных;
Удельная теплота сгорания: 28—46 МДж/м³ (6,7—11,0 Мкал/м³)[4] (то есть 8-12 кВт·ч/м³);
Октановое число при использовании в двигателях внутреннего сгорания: 120—130.
Легче воздуха в 1,8 раза, поэтому при утечке не собирается в низинах, а поднимается вверх[5].

Месторождения природного газа[править | править код]

Глубокое разведочное бурение на нефть и газ в России, по данным Росстата

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.

Крупнейшими запасами природного газа обладают: Россия (Уренгойское месторождение, Газпром обладает 17 % мировых запасов газа), Иран, большинство стран Персидского залива, США, Канада. Среди европейских стран — Норвегия и 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[править | править код]

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 Московского института нефти и газа 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[6].

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[6].

Добыча и транспортировка[править | править код]

Добыча[править | править код]

Природный газ находится в земле на глубине от 1000 м до нескольких километров (сверхглубокой скважиной недалеко от города Нового Уренгоя 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 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.

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.

Мировая добыча природного газа в 2014 году составляла 3460,6 млрд м³. Лидирующее положение в добыче газа занимают Российская Федерация (в 2005 году объём добычи составил 548 млрд м³) и США (в 2009 году США впервые обогнали Россию не только по объёму добытого газа (624 млрд м³ против 582,3 млрд м³), но и по объёму добычи товарного газа, то есть, идущего на продажу контрагентам; в 2010 году Россия вернула себе лидерство в объёмах добываемого газа, нарастив добычу, США же, напротив, снизили добычу).

Транспортировка природного газа[править | править код]

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.

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, специальные суда, на которых газ перевозится в сжиженном состоянии в специализированных изотермических ёмкостях при температуре от −160 до −150 °С.
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. При этом доля сжиженного газа в общем объеме поставок быстро растет, превысив к 2018 году 40 % (323 млрд м³) и по имеющимся прогнозам увеличится до 60 % к 2040 году.[7]

Есть также и другие технологии транспортировки газа, например с помощью железнодорожных цистерн. Разрабатывались также проекты транспортировки газа с использованием дирижаблей или в газогидратном состоянии, но эти разработки не нашли применения в силу различных причин.

Сжиженный природный газ[править | править код]

С целью транспортировки очищенный от примесей природный газ сжижают, охлаждая его до температуры конденсации −161,5 °С. Полученную жидкость называют сжиженным природным газом (СПГ). Основное преимущество СПГ — занимаемый объем меньше в 600 раз. Перед поставкой потребителю СПГ возвращают в газообразное состояние на регазификационных терминалах[3].

СПГ производится на ожижительных установках. СПГ перевозят в специальных криогенных емкостях[3].

В промышленных целях первый СПГ был получен в 1917 году в США. За ненадобностью технология не совершенствовалась до середины XX века, и только в 1941 году была совершена следующая попытка произвести СПГ. Производство СПГ достигло промышленных масштабов в середине 1960-х годов[3].

В СССР первые установки сжижения природного газа известны с 1946 года.[8] Однако промышленного применения СПГ в СССР не получил. В России первый крупнотоннажный завод СПГ запущен в 2009 году в рамках проекта «Сахалин-2»[3].

Компримированный природный газ[править | править код]

Компримированный (сжатый) природный газ — природный газ, сжатый на компрессорной станции до давления 200—245 кг/см2 для использования в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания. Компримирование газа производится на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях, куда газ поставляется от магистральных трубопроводов. Компримированный природный газ используется на легковых автомобилях, пассажирском и лёгком грузовом транспорте, коммунальной технике[9]

Экология[править | править код]

В экологическом отношении природный газ является самым чистым видом органического топлива. При его сгорании образуется значительно меньшее количество вредных веществ по сравнению с другими видами топлива. Однако сжигание человечеством огромного количества различных видов топлива, в том числе природного газа, за последние полвека привело к увеличению содержания углекислого газа в атмосфере, который является парниковым газом. Некоторые ученые на этом основании делают вывод об опасности возникновения парникового эффекта и как следствие — потепление климата. В связи с этим в 1997 году был подписан Киотский протокол по ограничению парникового эффекта. По состоянию на 26 марта 2009 года Протокол был ратифицирован 181 страной мира (на эти страны совокупно приходится более чем 61 % общемировых выбросов).

Применение[править | править код]

Автобус, работающий на природном газе

Природный газ широко применяется в качестве горючего в жилых, частных и многоквартирных домах для отопления, подогрева воды и приготовления пищи; как топливо для машин (газобаллонное оборудование автомобиля, газовый двигатель), котельных, ТЭЦ, различной техники и др. Сейчас он используется в химической промышленности, как исходное сырьё для получения различных органических веществ, например, пластмасс. Для обнаружения утечек газа без использования специальных приборов в него добавляют в безвредных концентрациях этантиол, обладающий резким характерным запахом.

Газовая плита
Газовый водонагреватель
Газовый котёл

См. также[править | править код]

Месторождение природного газа
Метан угольных пластов
Гидраты природных газов
Болотный газ
Сланцевый газ
Синтетические аналоги природного газа
Сжиженный природный газ
Газпром
Международный газовый союз
Нефть

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

Роддатис, К. Ф. Табл. 2.9. Средний состав природного газа, его теплота сгорания, плотность, объемы воздуха и продуктов сгорания при а=1 : [арх. 4 сентября 2011] // Справочник по котельным установкам малой производительности / К. Ф. Роддатис, А. Н. Полтарецкий. — М. : Энергоатомиздат, 1989. — С. 36−37. — 488 с. : ил. — 64 000 экз. — ББК 31.361. — УДК 621.182 (035.5)(G). — ISBN 5-283-00018-4.
ГОСТ Р 53367-2009 : Газ горючий природный. Определение серосодержащих компонентов хроматографическим методом : Издание официальное : [арх. 5 ноября 2013]. — М. : Стандартинформ, 2010.

Ссылки[править | править код]

ExxonMobil пророчит газу светлое будущее : [арх. 31 июля 2013] // Вокруг газа : электр. журн.. — 2011. — 28 января.
Добыча газа в мире в 2011-м году : [арх. 4 марта 2016] // Вокруг газа : электр. журн.. — 2012. — 28 июня.
Alexey. «Газовые гиганты» : [арх. 19 июня 2008] // Природа.SU : электр. журн.. — 2008. — 7 мая. — Блог.
Что такое сжиженный природный газ. Информаторий. ПАО «Газпром». Дата обращения 5 июня 2019. Архивировано 25 ноября 2011 года.
Что такое природный газ. Информаторий. ПАО «Газпром». Дата обращения 5 июня 2019. Архивировано 25 ноября 2011 года.

Источник

Есть вопросы?

Пожалуйста, задавайте их в нашей группе Вконтакте, чтобы их смогли прочитать другие покупатели.

Оперативный и подробный ответ гарантируем!

В газообразном виде все тела получают особые свойства, а именно: ближе всего они обладают в высшей степени упругостью, т.е. под сильным давлением способны сжиматься до плотности жидкого, а порой даже твёрдого тела; но, уступая давлению, газы вследствие той же упругости сохраняют в соответствующей степени способность отпора, так что, будучи сдавленными или сжатыми, они стремятся расшириться до полного равновесия с атмосферным воздухом. Это стремление, основанное на взаимном отталкивании однородных частиц, до того развито в газах, что если бы на безвоздушную луну метнуть шар, наполненный воздухом, то шар этот, конечно, лопнул бы от силы внутреннего напора, а содержащийся в нем воздух равномерно облек бы всю поверхность луны. Поэтому воздушный шар, дойдя до известной высоты, должен либо остановиться, либо выпустить часть газа, либо лопнуть.

Другая особенность газов заключается в том, что они занимают значительно больше места, чем тот материал, из которого они образовались. Так, например, кубический дюйм пороха превращается в 288 кубических дюймов газа. Если газы образуются медленно и при этом могут постепенно уходить в атмосферу, то сам акт появления их не окажет никакого особого действия: они расплывутся в пространстве. Если же образование этих газов последует очень быстро, но всё-таки на свободе, то получится только вспышка, т.е. мгновенное появление огня, сопровождаемое слабым шумом. Например, если спалить клочок пироксилина на открытой ладони, горсть пороха на камне, кучку бертолетовой соли с магнием или смесь 1 части алюминиевого порошка с 2 частями марганцовокислого калия. В иных случаях даже при таких обстоятельствах получается «хлопок», т.е. порывистый звук, образовавшийся от внезапного и сильного колебания воздушных волн (например, от взрыва щепотки гремучей ртути).

Но если взрывчатый состав помещается в сжатом пространстве и окружен плотной оградой или стеной, то сдавленные газы стремятся расширить свой объём и, напирая изнутри, проявляют давление, пропорциональное их количеству в сравнении с занимаемым ими местом.

Подобное явление больше всего замечается у огнестрельных орудий: в момент своего образования пороховые газы имеют плотность, почти равную плотности заряда, т.е. занимают место, в 288 раз меньшее по природному объёму. Вследствие этого газы напирают на стены, на казенник (заднюю часть орудия) и на дно снаряда (ядра), но, встречая в стенах и казеннике сопротивление, достаточное, чтобы выдержать напор, газы эти со всей силой напирают на ядро или пулю, которые буквально выдуваются или выталкиваются («выбрасываются») в данном направлении.

Огнестрельное орудие времен Гражданской войны в США

Следовательно, сила «взрыва», т.е. мгновенного превращения твёрдого вещества в газообразное или густого газа в менее плотный, зависит, во-первых, от количества газов в сравнении с занимаемым ими местом, а во-вторых, от одновременности их появления, т.е. в данном случае — от быстроты сгорания состава.

Третье — весьма существенное — условие заключается в том, чтобы как можно больше состава сгорало, т.е. как можно меньше получалось бы остатков и дыма.

Но газы обладают ещё одним свойством, играющим крайне важную роль по отношению к взрыву: сила их напора возвышается с температурой, т.е. одно и то же количество газов, находящееся при одинаковых условиях помещения, получает значительно большую силу напора при повышении коэффициента теплоты.

Так, например, порох, хорошо приготовленный и сгорающий почти мгновенно, даёт по объёму всего 288 кратных газа, но вследствие высокого нагревания (Ueberheizung surchauffe) напор этих газов превышает более 2000 раз атмосферное давление. Сухой пироксилин при тех же условиях развивает втрое большую силу.

Давление это можно ещё значительно усилить, ускорив горение и именно посредством примеси какого-нибудь быстро воспламеняющегося тела к составу, горящему более медленно; если, например, порох взорвать посредством небольшого количества нитроглицерина, воспламененного гремучей ртутью, то давление происходит в 4 раза более сильное (т.е. в 8000 атмосфер, вместо 2000); а если посредством гремучей ртути взорвать сухой пироксилин, то давление в сравнении с порохом будет шестикратное (т.е. 12000 атмосфер).

О механической работе пороха будет упомянуто в свое время.

Сила напора, как уже сказано, всецело зависит от степени сжатия газов, но действие этого напора, т.е. направление его силы, находится в связи с быстротой горения веществ: если вещество сгорает постепенно (как, например, порох), то давление больше всего сосредоточивается на том месте окружающей среды, которое представляет наименьшее сопротивление. Порох выбрасывает пулю или бомбу, но разрывает орудие только в особых случаях. Если же горение происходит сразу, безо всякой последовательности, то газы напирают во все стороны.

В первом случае действие называется «метательным» (Schleuderkraft), а во втором — «дробящим» (Brisanz). Метательные вещества употребляются для стрельбы, а дробящие — для взрывов.

Выше было сказано, что газы, высвободившись из тесноты, сообщают наружному воздуху толчок, производящий колебание воздушных волн. От этого колебания получается звук, называемый «ударом», или «шлагом» (детонацией — Schlag, detonation). Его сила («интенсивность») зависит не столько от количества газов, сколько от степени внутреннего напора, так что сильный удар можно произвести сравнительно малыми средствами. Вещества или тела, простые или составные, способные при известных условиях (вследствие развития тепла от зажигания или от удара) быстро разлагаться, превращаясь в то же время почти наполовину (по весу, конечно) в сильно нагретые газы, производят взрыв, а потому и называются «взрывчатыми» (Explosivstoffe); так, например, порох превращается в размере 40 % (по весу) в газы, а остальные 60 % либо образуют твёрдый остаток, либо улетучиваются в виде дыма. При неблагоприятных условиях имеется ещё и третья потеря: слишком быстрое воспламенение выбрасывает значительную часть несгоревшего заряда.

В противоположность к взрывчатым веществам имеются такие смеси и составы, которые не обладают особой способностью быстро превращаться в газы, но зато горят ярким, либо белым, либо цветным пламенем.

Т.к. подобные огни не обнаруживают сильного напора, а горят тихо, без детонации, то их вообще называют пассивными (faules Feuer), а Детонирующие смеси — активными (Treib-feuer); первые употребляются для световых эффектов, вторые — для силовых.

Помимо этого, состав может быть пламенным, искристым или ударным. Ударный производит только шлаг; пламенный даёт лишь пламя, искристый выкидывает раскаленные частицы, не составляющие элемента горения. Такие частицы либо сгорают в воздухе, либо тухнут (охлаждаются) в нём.

Из этих трёх данных образуются сложные огни, т.е. такие, которые обладают двумя или всеми тремя упомянутыми свойствами: и светят, и искрятся, и дают шлаги. Правильная комбинация этих эффектов за- висит от точного знания свойств ингредиентов и от правильного дозирования смесей. Эта-то часть, называемая «пиротехнической химией», и составляет главнейшую суть всего фейерверочного дела, и чем меньше она основана на эмпирике, т.е. на опыте, слепо идущем наобум, ощупью, без сознательного понимания действия и причин, тем работа выйдет лучше и удачнее.

Но до того, чтобы перейти к «синтезу» составов, т.е. к теории образования горючих смесей, необходимо предварительно ознакомиться с материалом, входящим в состав этих смесей; иначе придётся трактовать о неизвестных величинах, а это на практике почти всегда равносильно толчению воды в ступе.

Источник