Различают три основных группы природных газов.

 

1. Газы, получаемые из чисто газовых месторождений. Состоят в основном из метана СН₄-98 %.

2. Газы, получаемые из газоконденсатных месторождений. Состоят из сухого газа и примеси конденсата (бензин, лигроин, керосин)

3. Попутные газы, получаемые из скважин нефтяных месторождений вместе с нефтью, состоят из смеси газов и пропан-бутановой фракции.

4. Искусственный газ, получаемый в результате термической обработки.

    

    

    

   Средние составы и характеристики природных газов некоторых месторождений.

    

 

Месторождения	Состав газа(по объему)								Отн-я пл-ть	теплота сгорания низшая при Т=200С
	СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5Н12	СО2	N2	Н2S		кДж/м3
Уренгойское	98,8	0,07	-	-	0,01	0,29	0,8	-	0,561	39055
Тазовское	98,6	0,10	0,03	0,02	0,01	0,20	1,0	-	0,562	33195
Губкинское	98,4	0,13	0,01	0,005	0,01	0,15	1.3	-	0,573	32986
Юбилейное	98,4	0,07	0,01	-	-	0,40	1,1	-	0,563	32902
Оренбургское	92,7	2,20	0,80	0,22	0,15	0,20	1.1	2,6	0,603	34116

 

Состояние любого газа принято характеризовать величинами, которые называются параметрами состояния- плотность, давление, температура.

 

Кроме того, широко используются такие понятия как масса, теплоемкость, работа, теплота, энтальпия. энтропия.

 

Природные газы представляют собой смесь, состоящую из нескольких чистых веществ, химически не взаимодействующих между собой.

 

Состав смеси определяется нахождением массовой или мольной концентрации компонентов, входящих в смесь. Понятие "моль"означает количество вещества в граммах, численно равное его мольной массе, а киломоль- количество вещества в килограммах, тоже численно равное его мольной массе.Так например, киломоль кислорода О₂ равен 32 кг,киломоль метана СН₄-16 кг.

 

Плотность газа- отношение массы газа к объему.кг/м³.

 

Давление- отношение силы,действующей перпендикулярно к поверхности тела , на единицу этой поверхности,сила,приходящаяся на единицу поверхности.

Абсолютное давление равно сумме избыточного и атмосферного(барометрического) давлений.

 

Видео о свойствах природного газа

Природный газ

 

Соотношение между единицами давления газа.

 

Обообозначение ед.	Па	дин/см2	кгс/ м2	кгс/см2 (ат)	бар	мм вод.ст	мм рт.ст.
1 паскаль (Па)	1	10	0,102	102 10-6	10-5	0,102	7,5 10-3
1дин/см2	0,1	1	10,2 10-3	1.02 10-6	10-6	10,2 10-3	750 10-6
1 кгс/см2	9,81	98,1	1	10-4	98,1 10-6	1	73,56 10-3
1 кгс/см2 (ат)	9,81 103	98,1 103	104	1	0,981	104	735,6
1 бар	105	106	10,2 103	1,02	1	10,2 103	750
1 мм вод ст.	9,81	98,1	1	10-4	98,1 10-6	1	73,56 10-3
1 мм рт.ст.	133,3	133,3	13,6	1,36 10-3	1,333 10-3	13,6	1

 

Температура является параметром, определяющим состояние газа, степень его нагретости. При измерении температуры газа используются две температурные шкалы: шкала Цельсия и шкала Кельвина.

 

Температура, до которой нужно охладить газ, чтобы содержащиеся в нем водяные пары достигли состояния насыщения называется точкой росы этого газа при данном давлении.

 

Работа- это произведение силы, действующей в направлении движения, на путь перемещения газа.    

 

Массовым расходом газа называется масса газа. проходящая через поперечное сечение трубы в единицу времени кг/сек

 

Объемным расходом газа называется количество газа в единице объема, проходящего через сечение газопровода в единицу времени.м³/сек.

 

Абсолютная влажность – количество водяных паров, содержащихся в единице объема газа. г/м³.

 Относительная влажность газа – это отношение абсолютной влажности к максимально возможной при данном давлении и при данной температуре.

 

Относительная влажность насыщенного газа равна 1.При насыщении газа водяным паром (относительная влажность равна 1) из него начнут выпадать капли воды. Температура, до которой нужно охладить газ, чтобы содержащиеся в нем водяной пар достиг состояния насыщения,называется точкой росы.

 

Содержание влаги в газе можно определить весовым методом, основанном на пропускании замеряемого объема газа через через поглотители влаги.Ввиду того, что влагосодержание газа зависит от температуры и давления. анализы на влажность должны проводиться непосредственно в том месте, где необходимо знание влажности газа (например,на узлах замера газа,на пониженных участках газопровода.

 

Зная абсолютную влажность газа,можно определить точку росы при данном давлении в газопроводе.

  

В зависимости от содержания влаги в газе и при определенном давлении и температуре в газопроводе на поверхности контакта газ-вода образуются гидраты неустойчивые соединения углеводородов с водой в виде белых кристаллов, внешне похожих на снег или лед.

 

Гидраты образуют только следующие углеводородные газы: метан, этан, пропан, изо-бутан, н-бутан. Для этих газов существует критическая температура гидратообразования  максимальная температура, выше которой никаким повышением давления нельзя вызвать образование гидратов. Для метана она равна 21,5 ⁰С, этана 14,5⁰С, пропана 5,5⁰С.

 

Основные факторы, определяющие образование гидратовприродных газов –состав газа, его давление и температура, полное насыщение газа парами воды. Факторы, влияющие на скорость образования гидратов-наличие скоплений воды в пониженных частях газопровода и паров воды в газовом потоке,турбулентность и охлаждение газового потока. Для выявления условий образования гидратов используют кривые равновестного состояния гидратов.

 

Слева от этих кривых находится область существования гидратов,а справа –область их отсутствия. Зная состав транспортируемого газа (его относительную плотность), давление и температуру в газопроводе, по кривым определяют условия образования гидратов, а по содержанию влаги в газе возможность образования гидратов в данных условиях. Это дает возможность предотвратить образование гидратов при транспорте газа.

 

Физические характеристики компонентов.

 

Компонент состава газа	Мольная масса	Плотность кг/м3	Плотность по отношению к воздуху		Температура сжижения,0С
Метан СН4	16,04	0,72	0,55		-161,5
Этан С2Н6	30,07	1,36	1,05		-89
Пропан С3Н8	44,09	2,02	1,55		-42
Бутан С4Н10	58,12	2,70	2,08		-1
Пентан С5Н12	72,15	3,22	2,50		+36

 

Критические параметры некоторых веществ.

 

 

Газ	Критическая t 0 С	Критическое Р МПа
Метан СН4	-82,1	4,649
Этан С2Н6	32,1	4,954
Пропан С3Н8	95,6	4,404
Бутан С4Н10	152,8	225
Пентан С5Н12	196,6	232
Углекислый газ СО2	31,1	468
Сероводород Н2S	100,4	-
Азот N2	147,1	311
Воздух	140,7	310

 

Теплота сгорания газа - это количество теплоты,выделяемое при полном сгорании единицы объема газа.

 

Различают высшую и низшую теплоту сгорания.

 

Высшая теплота сгорания - количество теплоты, которая выделиться при полном сгорании единицы объема газа, с учетом конденсации водяных паров, образующихся при окислении водорода.

 

Низшей теплотой сгорания называется количество теплоты, которое выделится при полном сгорании единицы объема газа без учета теплоты, которая выделяется при конденсации водяных паров.

 

В расчетах обычно используют понятие низшей теплоты сгорания топлива в силу того, что отходящие продукты сгорания имеют относительно высокую температуру, значительно выше, чем температура точки росы, при которой и происходит конденсация водяных паров, содержащихся в продуктах питания.

 

Компонент смеси	Метан	Этан	Пропан	Бутан
Низшая теплота сгорания,кДж/м3	35880	64450	92940	118680

 

Пределы взрываемости  газов в смеси с воздухом.

 

Газ	нижний %	верхний %
Метан	5	15
Природный газ	5	15
пропан	2	9,5

 

 

Критическим давлением называется такое давление, при котором и выше которого никаким повышением температуры жидкость уже не может быть превращена в пар.

 

Критической температурой называется такая температура, при которой и выше которой ни прикаком повышении давления нельзя сконденсировать пар, т.е. минимальная температура, при которой не происходит процесс образования гидратов в газе, называется критической температурой гидратообразования. Для метана она равна 21,5⁰С, этана –14,5⁰С,

 

пропана –   5,5⁰С

 

Температура, до которой нужно охладить газ, чтобы содержащиеся в нем водяные пары достигли состояния насыщения называется точкой росы этого газа при данном Р.

 

Влажный газ называется насыщенным, когда он содержит максимально возможное количество пара при данной Т и Р.

 

При определенной влажности газа, Р и Т в газопроводе могут образоваться кристаллогидраты – соединение углеводородов с водой.

 

(СН₄ 6Н₂О, СН₄ 7 Н₂О)

 

Минимальная Т, при которой не происходит процесс образования гидратов в газе, называется критической температурой гидратообразования.

 

Для СН₄  21.5⁰С , С₂Н₆  -14,5⁰С, С₃Н₈ -5,5⁰С.

 

Во избежание образования гидратов газ осушают до точки росы температура которой должна быть ниже Т газа в газопроводах на 6 - 7⁰С.

 

Гидраты в газопроводе образуются в тех случаях, когда точка росы транспортируемого равна, или выше рабочей температуры газа.

 

Зная состав, влажность транспортируемого газа, изменение Ти Р в газопроводе, можно заранее определить возможные зоны образования гидратов и наметить мероприятия по их предотвращению.

 

После прохождения газа через задвижки. регулирующие клапана происходит его резкое расширение. Этот процесс называется дросселированием. При транспортировке газа по газопроводам процесс дросселирования влечет за собой резкое падение давления и понижение Т газа. Этот процесс называется положительным эффектом Джоуля-Томсона. При снижении Р на1кгс/см² снижается Т на 0,4⁰С.

 

1 киломоль любого газа при нормальных условиях Т=0⁰С и Р атмосферном занимает V=22,4 л.

 

Относительная плотность любого газа Р=М/22,4 (плотность воздуха при нормальных условиях), кгс/см2.

 

Р_СН4=12+4/22,4=0,71

 

Газы из чисто газовых месторождений состоят в основном из метана. В этих газах содержится также углекислый газ и азот. Содержание углекислого газа в большинстве случаев не превышает 6-7%,а азота –10%. Однако встречаются месторождения, газы которых содержат углекислого газа 35% и более (углеводородно-углекислые газы), а азота-45% и более (углеводородно-азотные газы). Содержание сероводорода в природных газах редко превышает 5-6%. В газе Оренбургского месторождения содержится до 4,5 сероводорода и до 1,5% углекислого газа, в газе группы Астраханских месторождений-до 23 и 20% соответственно.

 

Процесс сгорания метана в воздухе протекает по уравнению.

 

СН₄+2О₂+7,52N₂=СО₂+2Н₂О+7,52N₂

 

В результате сгорания образуется 10,52м³ продуктов горения.

 

Опасные свойства углеводородных газов требуют принятия мер предосторожности, с одной стороны, для предохранения работников от удушья и отравления, с другой – для предупреждения взрывов и пожаров.

 

Чистые метан и этан неядовиты, но при недостатке кислорода в воздухе вызывают удушье. Первые признаки недомогания обнаруживаются, когда содержание метана в воздухе достигает примерно 25-30%

 

Первые признаки отравления парообразными углеводородами, содержащимися в естественном газе, недомогание и головокружение, вслед за этим наступает как бы опъянение, сопровождаемое смехом, часто галлюцинациями и потерей сознания, если пострадавшего не удалить из вредной атмосферы.

 

Из газовых компонентов природных газов особенно токсичен сероводород. Сероводород бесцветный газ,тяжелее воздуха, сероводород скапливается в низких местах. Сероводород- сильный яд нервно-паралитического действия, вызывающий смерть от удушья, а иногда и от паралича сердца. Предельно допустимая концентрация сероводорода в воздухе рабочей зоны 10 мг/м³

 

Углекислый газ бесцветный, практически без запаха. Плотность по отношению к воздуху 1,57.

 

При содержании в воздухе 4-5% углекислого газа заметно его действие на человека: появляются ощущения раздражения слизистых оболочек дыхательных путей, кашель, раздражение глаз, повышение кровяного давления, головокружение.  При 20% - наступает смерть через несколько секунд от остановки дыхания.

 

Для возникновения взрыва необязательно, чтобы все помещения было заполнено газом.  Взрыв возможен и при скоплении газа в определенном участке помещения.  Сила взрыва максимальна, когда содержание воздуха в смеси приближается к количеству, теоретически необходимому для полного сгорания.  Сила взрыва тем больше, чем больше давление газовоздушной смеси.

 

Температура воспламенения – минимальная температура,до которой необходимо нагреть смесь газа с кислородом (газа с воздухом), чтобы начался процесс горения. Горение газа-процесс соединенияего горючих составляющих с кислородом, сопровождающийся выделением теплоты, количество которой должно быть достаточно для покрытия потерь теплоты в окружающую среду и нагрева частиц газа и воздуха до температуры воспламенения. Если это условие выполняется, то горение будет устойчивым. Температура воспламенения зависит от состава газа, концентрации газа и кислорода, их смешения, формы и размеров топочного пространства, давления в топке и др.

Различают нижний и верхний пределы воспламеняемости. Нижний предел воспламеняемости соответствует минимальному содержанию горючего газа в смеси, при котором газовоздушная смесь еще остается горючей, а высший предел воспламеняемости, максимальному содержанию горючего газа в смеси. Существование верхнего и нижнего пределов воспламеняемости объясняется тепловыми потерями при горении. С уменьшением содержания горючего газа в смеси все больше увеличивается расход теплоты на нагрев негорючей части смеси, скорость распространения пламени все время уменьшается и, наконец наступает момент, когда горение прекращается. С увеличением содержания горючего газа в смеси наступает такой момент, когда происходит неполное сгорание горючих компонентов из-за недостатка кислорода воздуха. При этом расход теплоты на нагрев негорючих компонентов будет все время увеличиваться, скорость распространения пламени уменьшится, и наконец, наступит момент, когда горение прекратится.

 

Газовоздушная смесь, в которой содержание газа находится между нижним и верхним пределами воспламеняемости, является взрывоопасной. Чем шире диапазон пределов воспламеняемости (взрываемости),тем более взрывоопасен газ. Взрыв газовоздушной смеси процесс очень быстрого(практически мгновенного) горения, приводящий к образованию продуктов горения с высокой температурой и значительным давлением. Расчетное избыточное давление при взрыве природного газа 0,75 Мпа, пропана и бутана 0,86 Мпа, водорода 0,74 Мпа, ацетилена 1,03 Мпа.

 

При определенных условиях взрыв может принять вибрационный и даже детонационный характер, при котором скорость распространения пламени превышает 2000 м/с, а давление будет в 2-3 раза больше давления, возникающего при тепловом взрыве.

 

Знание температур воспламенения и пределов взрываемости газов позволяет обеспечить безопасную эксплуатацию и безопасное проведение ремонтных работ на объектах транспорта газа. Необходимо учитывать, что при повышении давления газовоздушной смеси пределы взрываемости сужаются.

 

Газ	Температура воспламенения 0С		Пределы взрываемости при t 200С Р = 0,1013 МПа
			нижний	верхний
Метан Этан Пропан Сероводород Ацетилен Водород		645 530 510 290 305 510	5 3,1 2,1 4,3 2 4		15 12,1 9,5 45,5 82 75

  

 

Пределы взрываемости 5-15%,пределы горения 15-80%.

 

Температура воспламенения 745⁰С, температура горения 2000⁰С.

 

Для возникновения взрыва необязательно, чтобы все помещение было заполнено газом.  Взрыв возможен и при скоплении газа в определенном участке помещения. Горение и взрыв однотипные химические процессы, но резко отличающиеся по интенсивности протекающей реакции. При взрыве реакция происходит очень быстро. Сила взрыва максимальна, когда содержание воздуха в смеси приближается к количеству, теоретически необходимому для полного сгорания. Сила взрыва тем больше, чем больше давление газовоздушной смеси.

 

Вязкость газов, вязкость или внутреннее трение-свойство газов оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Вязкость определяется силами сцепления между отдельными молекулами вещества. Эти силы сцепления проявляются при относительном перемещении соседних слоев газа, вследствии чего между этими слоями возникает обмен количеством движения. Вязкость газов обусловлена перелетом хаотически движущихся молекул из слоя в слой. Например, если один слой газа движется быстрее соседнего,то на границе контакта этих  слоев часть молекул первого слоя будет переходить во второй слой, стремясь ускоритьего движение,а часть молекул второго слоя будет переходить в первый,стремясь замедлить его движение.

 

Точка росы (в ⁰ С) влажных природных углеводородных газов.

 

 

Р, МПа в газ-е	Абсолютная влажность газов, г/м3
		80	100	150	200	250	300	400	500	600	800	1000
5,0		-12,5	-9	-3	-1,5	5	8	12,5	16,5	19,5	24,5	28,5
5,5		-11,5	-8	-2	2,5	6	9	13,5	17,5	20,5	25,5	30
6,0		-10,5	-7	-1	3,5	7	10	14,5	18,5	21,5	26,5	31
6,5		-9,5	-6	0	4,5	8	11	15,5	19,5	22,5	27,5	32
7,0		-9	-5,5	0,5	5	9	12	16,5	20,5	23,5	28,5	33
7.5		-8,5	-5	1	5,5	9,5	12,5	17,5	21,5	24,5	29,5	34