"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Природный газ — ценное топливо и сырьё для химической промышленности. Его основа — метан, но состав зависит от месторождения и включает этан, пропан, бутан, азот, углекислый газ и другие примеси. Газ добывают, очищают и подготавливают к транспортировке, в том числе сжижают. Нужно различать природный, попутный нефтяной газ, биогаз и синтез-газ, а также знать условия полного и неполного горения и правила безопасности.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Природный газ — смесь газообразных углеводородов, образовавшаяся в недрах Земли и используемая как топливо и химическое сырьё. Обычно его основу составляет метан, но состав бывает разным. Поэтому природный газ рассматривают именно как смесь, а не как индивидуальное вещество.
Попутный нефтяной газ — смесь газов, растворённых в нефти или находящихся над её залежами и выделяющихся при добыче нефти. В нём часто больше этана, пропана и бутана, чем в газе самостоятельных газовых месторождений. Это важное сырьё, которое нельзя просто выпускать в атмосферу или сжигать без использования.
Биогаз — горючая газовая смесь, возникающая при разложении органических веществ без доступа кислорода. Главный горючий компонент биогаза — метан, а значительную долю может составлять углекислый газ. Его получают, например, из отходов сельского хозяйства и используют как местное топливо.
Сжиженный природный газ — природный газ, охлаждённый до жидкого состояния для удобства хранения и перевозки. При сжижении его объём резко уменьшается, хотя основным компонентом остаётся метан. После доставки жидкость испаряют и подают потребителю как газ.
Основным компонентом природного газа является метан, потому что он образуется при разложении органического вещества и достаточно устойчив в условиях подземных залежей. Если месторождение содержит продукты дальнейших превращений углеводородов, в газе возрастает доля этана, пропана и бутана. На состав также влияют температура, давление, состав пород и контакт газа с нефтью или водой.
Газ добывают через скважины: давление залежи выталкивает его на поверхность, а затем оборудование отделяет газ от жидкости и механических частиц. Воду удаляют, чтобы в трубах не образовывались гидраты и не усиливалась коррозия. Сероводород убирают из-за его токсичности и способности вызывать коррозию, а углекислый газ — потому, что он снижает теплоту сгорания и увеличивает расходы на транспортировку.
После очистки смесь могут разделять на фракции, то есть части с близкими температурами кипения. Так получают метан-этановую газовую фракцию и более тяжёлые углеводороды, например пропан и бутан, которые используют отдельно. Для дальнего трубопроводного транспорта газ осушают и сжимают, а для морской перевозки охлаждают до жидкого состояния.
Природный газ, попутный нефтяной газ, биогаз и синтез-газ отличаются не только составом, но и происхождением. Природный и попутный нефтяной газ образуются в природных залежах, биогаз — в результате деятельности микроорганизмов без кислорода, а синтез-газ получают искусственно газификацией сырья. Синтез-газ содержит прежде всего угарный газ CO и водород H₂, поэтому по составу не равен природному газу.
| Газ | Основные компоненты | Происхождение или способ получения | Основные примеси | Применение | Особенности хранения и безопасности |
|---|---|---|---|---|---|
| Природный газ | Метан, этан | Добыча из газовых месторождений | Пропан, бутан, азот, CO₂, H₂S, вода | Топливо, получение водорода, аммиака и органических веществ | Хранят и транспортируют под давлением или в сжиженном виде; утечки взрывоопасны |
| Попутный нефтяной газ | Метан, этан, пропан, бутан | Выделяется при добыче и переработке нефти | Пары нефти, CO₂, H₂S, вода | Топливо, сырьё для получения сжиженных углеводородов и нефтехимических продуктов | Нуждается в сборе и очистке; нельзя допускать выбросов и открытого огня |
| Биогаз | Метан, углекислый газ | Анаэробное разложение органических отходов | H₂S, водяной пар, азот | Местное топливо, производство тепла и электроэнергии | Очищают от H₂S и влаги; хранят в газгольдерах, защищая от воспламенения |
| Сжиженный природный газ | Преимущественно метан | Глубокое охлаждение природного газа | Следы азота и других компонентов | Морская перевозка и снабжение удалённых районов | Нужны криогенные резервуары; опасны холодовые ожоги и быстрое испарение |
| Синтез-газ | CO, H₂ | Газификация угля, биомассы или углеводородов | CO₂, CH₄, N₂, водяной пар | Получение метанола, водорода, жидкого топлива | CO очень токсичен; требуется герметичное оборудование и контроль состава |
Таблица помогает сравнить газы сразу по пяти признакам: составу, происхождению, примесям, назначению и безопасности. При решении задачи сначала находите нужную строку и отделяйте горючие компоненты от негорючих примесей. Не следует переносить особенности одного газа на другой: например, сжиженный природный газ — это охлаждённый метановый газ, а не смесь пропана и бутана.
Определите объём кислорода, необходимый для полного сгорания 12 л метана при одинаковых условиях. Сначала нужно установить стехиометрическое соотношение реагентов, то есть отношение их количеств по уравнению. Затем это соотношение можно применить прямо к объёмам газов.
Ответ: для полного сгорания метана потребуется 24 л кислорода.
При полном сгорании образца природного газа получили 8 л CO₂, причём объёмная доля метана в образце равна 80%. Найдите объём метана в исходном образце, считая остальные компоненты негорючими или не дающими CO₂. Нужно использовать равенство объёмов CH₄ и CO₂ в реакции горения метана.
Ответ: в образце было 8 л метана, а общий объём природного газа составлял 10 л.
Газ содержит 90% метана и 10% этана, а его теплоты сгорания равны соответственно 890 и 1560 кДж на моль. Сравним его с топливом, состоящим из 100% метана. Удобно рассмотреть одинаковое количество вещества смеси, например 1 моль.
Ответ: смесь в условии выгоднее по теплоте сгорания на одинаковое количество вещества, потому что этан выделяет больше теплоты, чем метан. При сравнении реальных топлив дополнительно учитывают их объём, стоимость очистки и доступность.
Считать природный газ чистым метаном. Так делают из-за упрощённых уравнений и школьных задач, где примесями пренебрегают. Проверьте условие: если речь идёт о реальном газе, ищите данные о составе и объёмной доле метана.
Неправильно уравнивать горение углеводородов. Ошибка возникает, когда сначала подбирают кислород, не проверив углерод и водород. После расстановки коэффициентов пересчитайте атомы C, H и O слева и справа.
Путать сжиженный природный и сжиженный нефтяной газ. Названия похожи, но первый в основном состоит из метана и получается охлаждением, а второй обычно содержит пропан и бутан и сжижается давлением. Сверяйте и состав, и способ получения.
Игнорировать опасность утечки. Отсутствие цвета не означает безопасность: газ может образовать с воздухом взрывоопасную смесь, а CO вызывает отравление. При запахе газа не включайте электрические приборы, перекройте подачу, проветрите помещение и вызовите аварийную службу.
До изучения темы нужны строение и номенклатура алканов, понятие состава смесей, уравнивание реакций и расчёты по химическим уравнениям. С органической химией связаны свойства метана, гомологический ряд алканов и превращения углеводородов. Дальше эти знания пригодятся при расчётах теплового эффекта, изучении экологических последствий сжигания топлива и промышленной переработки сырья.
Почему природный газ нельзя считать чистым метаном?
Природный газ образуется в разных геологических условиях, поэтому его состав меняется от месторождения к месторождению. Кроме метана, в нём могут быть этан, пропан, бутан, азот, углекислый газ, сероводород и водяной пар.
Чем природный газ отличается от попутного нефтяного газа?
Природный газ добывают из газовых месторождений, где он является главным полезным компонентом. Попутный нефтяной газ извлекают вместе с нефтью; обычно в нём больше более тяжёлых углеводородов.
Зачем природный газ очищают перед подачей потребителю?
Удаление воды, сероводорода и углекислого газа повышает теплоту сгорания и защищает трубы и оборудование от коррозии. Подготовка также делает состав газа более стабильным и безопасным для транспортировки.
Почему при недостатке кислорода образуется угарный газ?
При нехватке кислорода углерод не успевает полностью окислиться до углекислого газа. Поэтому образуется угарный газ CO, который связывается с гемоглобином крови и препятствует переносу кислорода.
Чем сжиженный природный газ отличается от обычного природного газа?
Обычный природный газ находится в газообразном состоянии, а сжиженный природный газ получают сильным охлаждением примерно до −162 °C. Состав в основном сохраняется, но жидкость занимает гораздо меньший объём и удобнее для перевозки.
10.1. Природный газ и другие горючие газы
