Природный и попутный нефтяной газы. Каменный уголь

Определения и обозначения

Природный газ — смесь газообразных углеводородов, залегающая в пористых породах земной коры. Обычно в ней преобладает метан, а также присутствуют другие углеводороды и примеси. Газ важен как топливо и химическое сырьё: его сжигают для получения энергии, а компоненты используют для производства веществ.

Попутный нефтяной газ — смесь газов, находящаяся в нефтяных залежах вместе с нефтью. Он может быть растворён в нефти или собран над ней; при добыче нефти газ отделяется. В отличие от природного, попутный газ нередко содержит большую долю более тяжёлых углеводородов, поэтому его состав и свойства нужно учитывать при переработке.

Каменный уголь — твёрдое ископаемое топливо, образовавшееся из древних растительных остатков. Это не чистый углерод, а природное сырьё сложного состава с органическими компонентами и примесями. Уголь сжигают для получения тепла, а также перерабатывают, в частности для использования кокса в металлургии.

Коксование каменного угля — нагревание угля без доступа воздуха, при котором он разлагается с образованием кокса и летучих продуктов. Такой процесс отличается от горения: уголь не окисляют кислородом. Коксование позволяет получить сразу несколько ценных продуктов — твёрдый кокс, коксовый газ и каменноугольную смолу.

Как это устроено

Природный газ формировался в толще земной коры из органического вещества при длительном воздействии давления и температуры. Образовавшиеся углеводороды перемещались через пористые породы, пока не задерживались непроницаемым слоем. Так возникали залежи, из которых газ извлекают через скважины: находясь под землёй под давлением, он поступает на поверхность при бурении и добыче.

Попутный нефтяной газ связан с нефтяной залежью потому, что при её образовании углеводороды оказались в одном подземном резервуаре. Часть газа растворена в нефти, а часть скапливается над ней, где давление позволяет газу занимать отдельное пространство. Когда нефть поднимают к поверхности, давление падает и растворённый газ выделяется; поэтому состав газовой смеси при добыче может меняться.

И природный, и попутный газ содержат метан, но соотношение компонентов у них неодинаково. В попутном газе часто выше доля этана, пропана и бутана — более тяжёлых углеводородов, чем метан. Их сгорание выделяет больше теплоты на одинаковый объём газа, а сами они могут служить сырьём для химических производств. Поэтому перед использованием газ анализируют и при необходимости разделяют на компоненты.

Каменный уголь возник из растительной массы, накапливавшейся в древних болотах. Без достаточного доступа кислорода остатки не разлагались полностью, а со временем под давлением и нагреванием превращались в уголь. В отличие от природного и попутного газа, уголь — твёрдое топливо; его состав включает не только углерод, поэтому при сжигании остаются минеральные вещества и образуются продукты горения.

При коксовании уголь нагревают без доступа воздуха, чтобы он не сгорал, а разлагался. Твёрдый остаток — кокс — богат углеродом и нужен, например, в металлургии для получения чугуна. Выделившиеся летучие вещества разделяют на коксовый газ и каменноугольную смолу: газ используют как топливо, а смола служит источником органических веществ. Таким образом, коксование превращает уголь в несколько видов топлива и химического сырья.

Природный газ, попутный нефтяной газ и каменный уголь

Сравнивайте не только состав, но и агрегатное состояние топлива: от этого зависят способ добычи и переработки. В строках о газах особенно важно учитывать доли компонентов, а не считать все смеси одинаковыми. Для угля отдельно запоминайте продукты коксования и их применение.

Разбор задач

Полное сгорание метана

Условие. Запишите уравнение полного сгорания метана CH₄ и расставьте коэффициенты. При полном сгорании углерод превращается в углекислый газ, а водород — в воду. Коэффициенты должны уравнять число атомов каждого элемента слева и справа.

1. Запишем схему: CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O.
2. В одной молекуле CH₄ четыре атома водорода, поэтому поставим коэффициент 2 перед H₂O.
3. Справа теперь четыре атома кислорода: два в CO₂ и два в 2H₂O. Значит, слева нужны две молекулы O₂.
4. Проверим: углерод — 1 атом с каждой стороны, водород — 4, кислород — 4.

Ответ: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Коэффициенты показывают соотношение количеств веществ, а не изменение формул молекул.

Кислород для смеси попутного газа

Условие. Смесь объёмом V содержит метан с объёмной долей x и этан с долей y. Нужно определить объём кислорода для полного сгорания смеси. Для газов при одинаковых условиях объёмные доли равны долям по количеству вещества.

1. Запишем реакции: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O; C₂H₆ + 3,5O₂ → 2CO₂ + 3H₂O.
2. Объёмы компонентов равны Vx и Vy, если смесь состоит только из этих двух газов и x + y = 1.
3. По уравнениям на один объём метана требуется два объёма кислорода, а на один объём этана — 3,5 объёма.
4. Сложим расходы: V(O₂) = 2Vx + 3,5Vy = V(2x + 3,5y).

Ответ: V(O₂) = V(2x + 3,5y). Если доли заданы в процентах, перед подстановкой каждую нужно разделить на 100.

Углекислый газ из угля

Условие. Масса угля равна m, массовая доля углерода — w. Найдите объём CO₂, образующегося при полном сгорании содержащегося углерода. Остальные компоненты угля в этом расчёте не учитываются, поскольку задача спрашивает именно о продукте сгорания углерода.

1. Находим массу углерода: m(C) = m · w. Процентную долю сначала переводим в десятичную дробь.
2. Находим количество вещества углерода: n(C) = m(C)/12 моль, если масса выражена в граммах.
3. Уравнение реакции C + O₂ → CO₂ показывает, что 1 моль углерода даёт 1 моль CO₂. Поэтому n(CO₂) = n(C).
4. При нормальных условиях умножаем количество вещества на молярный объём: V(CO₂) = n(CO₂) · 22,4 л/моль.

Ответ: V(CO₂) = (m · w/12) · 22,4 л при массе угля в граммах и условиях, для которых молярный объём равен 22,4 л/моль. Если условия другие, используют соответствующий молярный объём газа.

Типичные ошибки

Смешивать состав природного и попутного газа. Ошибка возникает потому, что в обеих смесях обычно есть метан. Но содержание этана, пропана и бутана может различаться, поэтому при решении задач нельзя автоматически считать составы одинаковыми. Проверьте себя: перечислены ли компоненты и указаны ли их доли именно для данной смеси?

Думать, что попутный газ образуется при переработке нефти. Название может навести на мысль о нефтеперерабатывающем заводе, однако этот газ находится вместе с нефтью в земной коре и выделяется при её добыче. Проверьте рассуждение вопросом: газ отделили из добытой нефти или он возник в результате последующей химической переработки?

Путать коксование с горением угля. При горении топливо реагирует с кислородом, а коксование проводят без доступа воздуха, чтобы получить твёрдый кокс и летучие продукты. Путаница появляется из-за нагревания в обоих процессах. Проверка простая: если в описании коксования указан кислород как реагент, процесс назван неверно.

Считать каменный уголь чистым углеродом. Высокая доля углерода не означает, что уголь является одним химически чистым веществом: в нём есть органические компоненты и минеральные примеси. Такое упрощение приводит к неверным расчётам для всей массы угля. Проверьте условие задачи: если дана массовая доля углерода, сначала найдите массу углерода, а не приравнивайте её к массе топлива.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в составе газов и записывать их горение, нужно знать строение и свойства алканов, состав органических веществ и смысл коэффициентов в уравнении реакции. Эти знания помогают считать расход кислорода и количество продуктов. Далее тема связывается с переработкой нефти и угля, органическим синтезом и топливной энергетикой: природные смеси становятся сырьём, а их сжигание влияет на окружающую среду. Поэтому при оценке топлива учитывают не только его пользу, но и продукты горения.

Что запомнить

• Основной компонент природного газа — метан.
• Попутный нефтяной газ добывают вместе с нефтью.
• Состав природного и попутного газов неодинаков.
• Природный газ и каменный уголь служат топливом и химическим сырьём.
• Коксование угля проводят без доступа воздуха.
• При коксовании получают кокс, коксовый газ и каменноугольную смолу.