Значение природных газов в экономике и энергетике

ВВЕДЕНИЕ В ГАЗОХИМИЮ

 

 

МОСКВА-2004

УДК 622.276.53 Г 13

 

 

Арутюнов В.С., Лапидус А.Л.

 

Введение в газохимию. Учебное пособие.

 

Учебное пособие является вводной частью цикла «Основы газохимии». В нем рассматривается значение природных газов в экономике и энергетике, генезис и структура источников углеводородных газов, их физические и химические свойства, роль в атмосферных процессах. Описаны основные направления использования и химической переработки природных газов, способы их транспортировки, современное состояние газоперерабатывающей промышленности в России и за рубежом, перспективные ее развития.

 

Учебное пособие предназначено для студентов и аспирантов, проходящих подготовку по специальностям 250100 - Химическая технология органических веществ и 250400 - Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов, а также специалистов, занимающихся вопросами переработки и использования природного газа.

 

Издание подготовлено на Кафедре газохимии

 

Рецензенты:

 

Заведующий отделом Института нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева РАН, профессор, доктор химических наук В.Ф.Третьяков

 

Заведующий кафедрой технологии химических веществ для нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, доктор технических наук, профессор О.П.Лыков

 

© В.С.Арутюнов, А.Л.Лапидус, 2004

 

© РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 2004

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА им. И.М. ГУБКИНА

 

УНЦ «ГАЗОХИМИЯ» ИОХ им. Н.Д.ЗЕЛИНСКОГО РАН – РГУ НЕФТИ И ГАЗА им. И.М. ГУБКИНА

 

 

В.С.АРУТЮНОВ, А.Л.ЛАПИДУС

 

ВВЕДЕНИЕ В ГАЗОХИМИЮ

 

 

Допущено Учебно-методическим объединением по образованию в области химической технологии и биотехнологии в качестве учебного пособия для подготовки дипломированных специалистов по направлению 655000 - Химическая технология органических веществ и топлива

 

специальности:

 

250100 Химическая технология органических веществ

 

250400 Химическая технология природных энергоностителей и углеродных материалов

 

бакалавров по направлению 550800 - Химическая технология и биотехнология

 

(второй уровень профессионального высшего образования),

 

МОСКВА-2004

 

 

Содержание Предисловие………………………………………………………………….. 4 1. Значение природных газов в экономике и энергетике

 

1.1.Энергетика как основа мировой экономики……………………….. 7 1.2.Основные первичные источники энергии………………………….. 8 1.3.Альтернативные источники энергии……………………………….. 10 1.4.Запасы ископаемых энергоресурсов………………………………… 12

2. Генезис и структура ресурсов углеводородных газов

2.1. Генезис месторождений природного газа………………………….. 18

 

2.2. Структура ресурсов природного газа………………………………. 21

 

2.3. Газовые ресурсы России…………………………………………….. 24

 

2.4. Нетрадиционные ресурсы природного газа………………………... 26

 

2.5. Газовые гидраты……………………………………………………… 29

 

3. Состав и свойства природных газов и газоконденсатов

 

3.1. Состав природных газов….………………………………………….. 34

 

3.2. Физические свойства компонентов природных газов……………... 36

 

3.3. Химические свойства низших алканов……………………………... 39

 

3.4. Пределы распространения пламени в низших алканах ………….... 43

 

3.5. Метан в атмосфере…………………………………………………… 46

 

4. Транспортировка природных газов

 

4.1. Трубопроводный транспорт…………………………………………. 49

 

4.2. Транспортировка сжиженного природного газа…………………… 52

 

4.3. Конверсия природного газа в жидкие продукты как способ транспортировки его углеводородного потенциала………………... 55

 

5. Основные направления использования и химической переработки природных газов

 

5.1. Природный газ как топливо…………………………………………. 58

 

5.2. Выделение и использование компонентов природного газа……… 60

 

5.3. Традиционные химические процессы на основе природного газа.. 64

 

5.4. Перспективные химические процессы и продукты

 

на основе природного газа………………………………………….. 69 5.5. Требования к качеству товарного природного газа и

 

продуктов первичной газопереработки………….………………… 83 6.6. Газохимия и глобальный климат…………………………………… 89

 

6. Современное состояние газоперерабатывающей промышленности

в России и за рубежом

6.1. Динамика добычи и использования природного газа……………... 92

 

6.2. Газоперерабатывающие предприятия России и перспективы развития отечественной газопереработки………………………….. 97

 

Заключение…………………………………………………………………… 103 Список литературы…………………………………………………………… 104

 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

 

Природный газ появился на арене мировой энергетики относительно поздно, лишь во второй половине прошлого века, и в отличие от угля и нефти, никогда не выступал в роли основного энергоресурса. Но к концу ХХ века он стал наиболее динамично развивающимся первичным источником энергии. Уже в 2002 г. природный газ вышел на второе место в мировом энергобалансе, обеспечивая производство четверти первичной энергии на земном шаре и уверенно приближаясь по своему значению к нефти. Широкое применение природного газа в быту и промышленности стало отличительным признаком современной цивилизации. Огромные ресурсы природного газа, в том числе, в виде газовых гидратов, позволяют рассматривать его в качестве одного из основных первичных источников энергии и химического сырья не только в XXI веке, но и на более далекую перспективу. Это главная причина высокого интереса ко всему комплексу вопросов, связанных с ресурсами, добычей, транспортировкой и переработкой природного газа.

 

Однако если в качестве энергетического ресурса природный газ уже занял прочные позиции, его роль в производстве химических продуктов и вторичных энергоносителей значительно скромнее. Относительно недавно появившийся термин «газохимия» еще не получил такого широкого распространения, как «нефтехимия», и значение природного газа как источника химического сырья пока несопоставимо со значением нефти. До сих пор еще под газопереработкой подразумевают в основном первичную подготовку газа, его очистку и фракционирование. Относительно высокая стабильность низших алканов, и, прежде всего, высокая прочность связей C-H в молекуле метана затрудняет использование природного газа в качестве сырья для технологических процессов. Это главный фактор, ограничивающий масштабы химической переработки природного газа. В промышленности используется лишь относительно небольшое число

 

 

крупнотоннажных химических процессов на основе природного газа, причем практически все они основаны на его предварительной конверсии в синтез-газ.

 

Постепенное сокращение нефтяных ресурсов на фоне продолжающегося быстрого роста мирового потребления энергии и продуктов нефтехимии повышает значение природного газа не только как источника энергии, но и как сырья для производства химических продуктов и вторичных энергоносителей, в том числе для транспорта. В настоящее время природный газ по объему запасов, экономичности добычи и возможности использования, экологическим свойствам является наиболее перспективным ресурсом, способным обеспечить потребности человечества в энергии и углеводородном сырье, по крайней мере, в течение текущего столетия. Поэтому в экономике и энергетике ХХI века природный газ и газохимия могут сыграть такую же роль, какую сыграли в ХХ веке нефть и нефтехимия. «Газовая пауза» может дать мировой экономике шанс сохранить высокий уровень энергопотребления до начала практического использования принципиально новых источников энергии, например, управляемого термоядерного синтеза.

 

Перспектива выдвижения природного газа на ведущее место в мировом энергетическом и сырьевом балансе делает газохимию одной из критических отраслей современной экономики. Поэтому без быстрого и радикального совершенствования существующих и создания новых технологических процессов химической переработки природного газа, в том числе его конверсии в жидкие вторичные энергоносители, мировая экономика уже в ближайшее время может столкнуться с серьезными проблемами.

 

В связи с перспективой быстрого развития газохимии в России, обладающей более чем третью мировых ресурсов природного газа, особое значение приобретает подготовка отечественных специалистов в данной области и создание для этой цели комплекса современных учебных программ

 

 

и пособий. Цель данного учебного пособия «Введение в газохимию», подготовленного на Кафедре газохимии Российского Государственного Университета нефти и газа им. И.М. Губкина, - дать общее представление о состоянии и перспективах развития газохимии, существующих тенденциях в этой отрасли и основных технологических процессах, используемых в настоящее время. Пособие предназначено для студентов, аспирантов, а также специалистов, занимающихся вопросами переработки и использования природного газа. Все критические замечания и пожелания по структуре, содержанию и изложению представленного материала будут приняты с благодарностью.

 

 

Таблица 1.

 

Мировой энергобаланс (в %) за 2002 г. [3].

 

Нефть
Уголь
Природный газ
Гидроэнергетика
Атомная энергетика
Прочие	<2

 

 

Доля угля и гидроэнергетики осталась почти постоянной (27-24% и 5-6% соответственно). Бурно развивавшаяся в 70-х и начале 80-х годов атомная энергетика после чернобыльской аварии 1986 г. практически прекратила свой рост – за 20 лет в мире не было введено в строй ни одного нового реактора. И одновременно происходил быстрый рост потребления природного газа. По итогам 2002 г. природный газ по своему значению впервые обошел уголь и выдвинулся на вторую позицию в мировой энергетике, уверенно приближаясь к лидеру – нефти. В настоящее время природный газ является наиболее динамично развивающимся первичным источником энергии для мировой экономики. Все прочие, не указанные в таблице источники энергии, вносят в баланс порядка 1%, и их вклад практически не отражается на состоянии мировой энергетики.

 

Таким образом, как и четверть века назад, мировое энергопотребление почти на 90% удовлетворяется за счет ископаемых углеродных источников. Единственный реальный неуглеродный источник энергии, на который мы можем опереться в ближайшее время, это атомная энергетика, которая уже вступила в полосу возрождения после глубокого кризиса, вызванного

 

 

чернобыльской катастрофой. На конец 2000 г. в мире на 68 атомных электростанциях действовали 427 энергоблоков. После почти двадцатилетнего перерыва возобновились работы по созданию новых установок, и сейчас в стадии проектирования и строительства находится около 40 новых реакторов. Развитию атомной энергетики пока нет альтернативы, но, так же как и энергетика на углеродном топливе, она базируется на ископаемых энергоресурсах, запасы которых в земной коре ограничены даже с учетом возможности массового использования реакторов-бридеров. Кроме того, в отношении этого источника энергии существуют серьезные проблемы общественно-эмоционального характера, безопасности

 

и захоронения радиоактивных отходов.

 

В перспективе человечество получило бы практически неисчерпаемый источник энергии, освоив управляемый термоядерный синтез. Однако реализация этой проблемы, еще тридцать лет назад казавшейся практически уже решенной, отодвигается все в более далекое будущее. Оптимисты надеются, что демонстрационный термоядерный реактор будет создан в середине текущего века. Это означает, что реально термоядерная энергетика будет давать вклад в мировую экономику не ранее конца столетия.

 

Газовые ресурсы России

 

Текущие разведанные ресурсы природного газа в России (~47 трлн м³) и СНГ (~56 трлн м³) остаются практически постоянными в течение нескольких лет из-за низкого уровня геологоразведочных работ. Поэтому на фоне быстрого прироста доказанных ресурсов в других регионах мира их доля постепенно снижается от 36,2% (СНГ) на начало 2002 (рис. 7) до 32,4% (СНГ) и 27,6% (Россия) на начало 2004 г. (табл. 2).

Тем не менее, начальные потенциальные ресурсы традиционного газа России огромны и составляют 200-236 трлн м³, т.е. в ее недрах сосредоточено не менее 45% потенциальных мировых ресурсов [16]. Структура отечественных месторождений по величине запасов примерно соответствует мировой. Хотя на ее территории расположены крупнейшие месторождения мира, почти половину составляют месторождения, относящиеся к категории мелких с запасами менее 10 млрд м³ в каждом (табл. 3).

 

 

Таблица 3

 

Распределение начальных разведанных запасов газа в России на 1998 г. по величине запасов [16].

 

Запасы газа в	Месторождения
месторождении,	Число	%
млрд м^3
До 1		37,3
1-10		37,2
10-30		9,6
30-100		7,6
100-500		6,2
Более 500		2,1
Итого

 

Таблица 4 Сверхгигантские месторождения природного газа России [19]

 

Месторождение	Регион	Состояние	Запасы,
		(выработанность,	трлн м^3
		%
		или год ввода в
		эксплуатацию)
Уренгойское	Западная Сибирь	66,2	2,5
Ямбургское	Западная Сибирь	30,6	2,0
Оренбургское	Волго-	52,1	1,8
	Уральский
Заполярное	Западная Сибирь		3,3
Астраханское	Дельта Волги		1,2
Бованенковское	Ямал		4,5
Штокмановское	Баренцево море		3,3
Ковыткинское	Восточная		1,6
	Сибирь
Чаяндинское	Восточная		1,2
	Сибирь
Новопортовское	Ямал		2,0
Харасавэйское	Ямал		1,2

 

 

Из более чем 760 отечественных месторождений природного газа примерно половина вовлечена в промышленную разработку, но основную долю продукции дает небольшое число месторождений, относящихся к категории сверхгигантских, с запасами более 1 трлн м³ в каждом (табл. 4). В то же время несколько сот месторождений с запасами менее 10 млрд м³, значительная часть из которых расположена в европейской части России, не вовлечена в промышленную разработку из-за отсутствия рентабельных технологий транспортировки или переработки их углеводородных ресурсов. Средняя выработанность начальных доказанных запасов составляла в 2000 г. 20%.

 

Газовые гидраты.

 

Важное значение для оценки ресурсов природного газа имеет свойство метана и других газообразных углеводородов при высоком давлении и пониженной температуре образовывать с водой газовые гидраты - твердые кристаллические соединения с общей формулой C_nH_2n+2^.mH₂O, которые при высоких давлениях существуют и при положительных температурах. По структуре газовые гидраты это соединения включения (клатраты), образующиеся при внедрении молекул газа в пустоты кристаллических структур, составленных из молекул воды. Существуют два типа решетки гидратов: структура I, построенная из 46 молекул воды и имеющая 8 полостей, и структура II - 136 молекул воды, 16 малых полостей и 8 больших. Молекулы газа - гидратообразователя находятся в полостях решетки, которая может существовать только при наличии этих молекул [21].

 

Метан, этан, углекислый газ, сероводород и азот образуют гидраты структуры I, при которой формула полностью насыщенного газом гидрата 8M^.46H₂O, где М - молекула гидратообразователя. Пропан и изобутан образуют гидраты структуры II с идеальной формулой 8M^.136H₂O. Углеводороды с размерами молекул, большими, чем у изобутана, гидратов не образуют. Один объем воды при образовании гидрата связывает от 70 до 210 объемов газа, при этом удельный объем воды возрастает на 26-32%. При образовании гидрата метана один объем воды связывает 207 объемов метана, а 1 м³ гидрата метана содержит 164,6 м³ газа при нормальных условиях. При

 

 

этом объем, занимаемый газом в гидрате, не превышает 20%. Таким образом,

 

в гидратном состоянии 164,6 м³ газа занимают объем всего 0,2 м³ [22].

 

В природных условиях гидраты метана широко распространены и образуют крупные залежи метанового газа. Например, на океанском дне даже

 

при температуре +10^оС уже на глубине 700 м давление достаточно для образования газовых гидратов. Мировые ресурсы газа в газогидратных залежах, сосредоточенных на материках, определяются величиной около

 

10¹⁴ м³, а ресурсы газа, сосредоточенные в гидратном состоянии в акватории Мирового океана, в пределах шельфа и материкового склона - в 1,5 10¹⁶ м³ [23], хотя имеются и более высокие оценки. Энергия, высвобождающаяся при разложении газогидратных залежей, столь велика, что этот процесс может инициировать тектономагматические процессы в литосфере Земли.

 

Целый ряд закономерностей в распространении скоплений газогидратов, а также изотопно-геохимический облик газогидратных газов и вод свидетельствует о глубинном генезисе углеводородных газов, вошедших

 

в состав газогидратов. Только в случае признания ведущей роли глубинных углеводородных и углеводородно-водных флюидов в формировании скоплений газогидратов, главные геологические закономерности их распространения получают непротиворечивое объяснение [24]. Водород и углерод являются основными химическими элементами, поднимающимися из земных глубин к поверхности в процессе постоянно идущей дегазации планеты. Водород диффундирует сквозь толщу земных пород в атомарном и

 

молекулярном виде, а углерод – в химически связанном виде, в составе оксидов углерода СО и СО₂. При температуре ниже 600^оС эти газы вступают

 

в реакцию, образуя воду и метан (СО + 3Н₂ → Н₂О + СН₄). Вода входит в кристаллическую решетку гидросиликатов, а метан накапливается в виде газовых включений [25], в т.ч. газогидратов.

Мощнейшие скопления газовых гидратов приурочены в основном к краевым частям океанического дна, где океанообразование продолжается, и

 

 

где в современную нам эпоху происходит массовое поступление глубинного метана. Большая часть газогидратов обнаружена на дне океанов в молодых отложениях – метан продолжает поступать в гигантских объемах. Той же причиной обусловлено образование нефти и газа на континентах. В мезозое-кайнозое сформировались осадочные бассейны, ставшие резервуарами углеводородов, где расположено большинство известных месторождений нефти и газа. Разница лишь в том, что на континентах возникшая по той же причине (в результате десерпентизации низов коры) и в тот же отрезок времени, что и океаны, впадина заполнялась осадками, в которых и накапливался метан, в последствии химическим и биогенным путями преобразованный в нефть и углеводородные газы [25].

 

По некоторым оценкам, залегая в плейстоцен-современных осадках, газогидратный слой содержит не менее 11,3 10¹⁸ м³ или 8,5 10¹⁵ т метанового углерода, тогда как запасы некарбонатного углерода в морской биоте определяются в 3 млрд т; в атмосфере – 3,6; детритном органическом веществе – 60; торфе – 500; биоте суши – 830; органическом веществе, растворенном в воде, - 980; почве – 1400; извлекаемых и неизвлекаемых ископаемых топливах (нефть, природный газ, уголь) – 5000 млрд т, т.е. суммарно, - 8,8 трлн т [26].

 

Другие источники не разделяют столь высоких значений гидратоносности, оценивая их ресурсы в 2 10¹⁶ м³ [27]. Тем не менее, более половины органического углерода в земной коре, видимо, содержится в составе газовых гидратов, что вдвое превышает все разведанные и неразведанные ресурсы нефти, угля и газа вместе взятые (рис. 9). Однако самое важное, что эти гигантские скопления метана содержатся в плейстоцен-современных отложениях, образовавшихся в последние пять миллионов лет. Это значит, что образовавший их метан выделился за время, составляющее одну тысячную всей истории планеты.

 

Рис. 9. Распределение органического углерода на Земле (10¹⁵ г) [27].

 

В настоящее время имеются сведения о более чем 100 выявленных газогидратных залежах, а потенциальные мировые запасы газа в гидратном состоянии, по оценкам специалистов, превышают 16 10¹² toe (tons oil equivalent). Около 98% ресурсов газогидрата сосредоточено в акваториях Мирового океана на глубинах более 200-700 м, в придонных осадках толщиной до 400-800 м и более, и только 2% - в приполярных частях материков. Однако последний факт заслуживает серьезного внимания, поскольку это соответствуют 300 трлн м³ газа, что вдвое превышает мировые разведанные запасы природного газа. Например, при современном уровне потребления выявленные запасы газа в гидратном состоянии в США могут обеспечить потребности страны в природном газе в течение 104 лет.

 

 

Разработка природных газогидратов - единственная промышленно значимая альтернатива разработке традиционных месторождений природного газа. Все большее число стран, включая США, Канаду, Индию, Китай, Японию принимает национальные хорошо финансируемые программы по исследованиям газогидратов и поискам их скоплений. Их оптимизм базируется на том, что уже при небольших масштабах выполненных геофизических и буровых работ, открыты гигантские скопления газогидратов и газогитратные провинции. Удельная плотность метана в гидратоносных акваториях не уступает средней плотности в обычных месторождениях газа. Однако остаются сложности с созданием в обозримом будущем технологий, по которым извлечение метана из газогидратов станет не просто возможным, но и рентабельным [24].

 

 

Состав природных газов

 

Основными компонентами горючих природных газов являются метан и его ближайшие газообразные гомологи – алифатические насыщенные углеводороды общей формулы С_nН_2n+2 (алканы, парафины, метановые углеводороды). Помимо алканов из горючих газов иногда в небольших количествах присутствует водород (H₂) и еще реже - окись углерода (CO). В состав некоторых газов входит сероводород (H₂S). Из негорючих газов всегда в различных концентрациях присутствуют азот (N₂), аргон (Ar), углекислый газ (CO₂). В очень небольших количествах встречаются гелий (He) и другие инертные газы (неон Ne, криптон Kr, ксенон Xe). В составе любых природных газов всегда есть пары воды.

 

Среди тяжелых газообразных углеводородов в составе природного газа преобладают этан (C₂H₆) и пропан (C₃H₈), в меньших количествах присутствуют бутан (C₄H₁₀), пентан (C₅H₁₂), гексан (C₆H₁₄), гептан (C₇H₁₆) и более тяжелые углеводороды гомологического ряда метана. Природные газы различных месторождений сильно различаются по составу. Средний состав некоторых месторождений представлен в таблице 5.

 

В промышленности и быту используются газы, состоящие, как правило, на 90-98% из метана. Перед подачей в магистральные газопроводы из газа выделяют большую часть тяжелых, кислых и инертных компонентов, производят его осушку. Поэтому состав природного газа в магистральных газопроводах более однороден. В России он определяется отраслевым стандартом ОСТ 51.40-93 (см раздел 5.6), разработанным ОАО «Газпром», добывающим более 90% отечественного газа и осуществляющим его транспортировку трубопроводным транспортом. В качестве примера в таблице 6 приведен состав газа, подаваемого по газопроводу Тюменская область - Центр.

 

 

Таблица 5. Средний состав газа некоторых газовых, газоконденсатных и нефтяных

 

месторождений [23]

 

Месторождение	Объемное содержание компонентов, %		Относительная
	СН4	С2Н6	С3Н	С4Н1	С5+	СО	Н2S		N2	плотность
Уренгойское	98,4	0,1	-	-	-	0,3	-		1,2	0,56
	89,3	4,9	1,6	0,9	2,7	0,2	-		0,4	0,66
Ямбургское	98,6	0,1	-	-	-	0,1	-		1,2	0,57
	90,2	4,3	1,5	0,7	2,0	0,9	-		0,4	0,63
Харасавейское	96,6	2,3	0,1	0,2	-	0,3	-		0,5	0,57
Шебелинское	92,0	4,0	1,1	0,5	0,3	0,1	-		2,0	0,61
Оренбургское	81,4	4,0	1,6	1,1	2,0	1,1	2,0		6,8	0,68
Мессояхское	97,6	0,1	0,1	-	-	0,6	-		1,6	0,57
Лак	64,9	2,8	1,2	0,7	0,9	9,7	15,3		-	0,77
(Франция)
Эмори (США)	39,6	6,4	2,9	2,1	0,7	4,8	42,4		1,0	0,95
Самотлорское	86,5	3,2	2,6	3,9	3,1	0,5	-		0,2	0,86
	68,0	4,4	9,6	7,8	4,1	0,5	-		5,6	1,1
Усинское	89,1	4,8	1,7	1,6	0,7	0,1	-		2,0	0,79
	49,2	15,8	16,8	9,4	5,6	0,7	-		2,5	1,3
Марковское	76,1	12,1	5,3	4,0	2,2	0,1	-		0,2	0,93

 

Таблица 6. Состав природного газа, подаваемого по газопроводу

 

Тюменская область - Центр.

 

Компонент	Объемная
	(мольная) доля,
	%
Метан	98,00
Этан	0,71
Пропан	0,20
Бутан	0,05
Высшие углеводороды	0,04
Углекислый газ	0,10
Азот	0,90

 

 

Таблица 7

 

Основные свойства низших алканов [29-32]

 

Показатель		Метан	Этан	Пропан	н-Бутан	и-Бутан
Молекулярная масса		16,04	30,07	44,09	58,123	58,123
Температура плавления, ^оС		-182,48	-183,23	-187,69	-138,35	-159,60
Температура кипения, ^оС		-161,49	-88,63	-42,07	-0,50	-11,73
Критическая температура, ^оС	-82,4	32,3	96,84	152,01	134,98
Критическое давление, МПа		4,6	4,87	4,24	3,675	3,534
Критическая плотность, кг/м^3	160,4	204,5	220,5
Теплоемкость Cp^o, кДж/(кг^.К)	2,22	1,74	1,654	1,678	1,667
Энтальпия испарения ∆Н^оисп, кДж/моль	8,22	14,68	18,83	21,5	19,2
Энтальпия образования ∆Н^ообр,	-84,9	-106,7	-104,6	-126,1	-134,5
кДж/моль
Энтальпия сгорания ∆Н^осгор, кДж/моль	-882	-1541,4	-2202,0	-2878,52	-2871,65
Энтропия S^о298, Дж/(моль К)		186,10	229,49	269,91	309,72	294,23
Температура (^оС), при которой устана-
вливается указанное давление паров	-205,9	-159,5	-128,9	-101,5
	1 Торр
	10 Торр	-195,5	-142,9	-108,5	-77,8
	100 Торр	-181,4	-119,3	-79,6	-44,2
	1 МПа	-124,8	-32,0	26,9	79,5
	3 МПа	-96,3	10,0	78,7	140,6
Плотность газа при 0^оС и 760 Торр,	0,7168	1,356	2.0037	2,703	2,673
кг/м^3
Плотность по воздуху		0,554	1,049	1,550	2,091	2,068
Плотность жидкости (при ^оС), 10^3 кг/м^3	0,415	0,546	0,5794	0,60
		(-164^оС)	(-88^оС)	(-40 ^оС)	(0^оС)
Растворимость в воде, см^3 (при t = 0^оС,
р = 101,325кПа)в1дм^3при	0^оС	55,6	93,7(1,5)	-	-	-
	19,8^оС	33,1^(20)	49,6	39,4	32,7	-
	29,8^оС	27,6^(30)	37,5	28,8	23,3	-
	100^оС	17,0	-	-	-	-
Вязкость (газ, 20^оС), 10^-8 кг^.м^-1с^-1
Первый потенциал ионизации, эв	12,99	11,65	11,08	9,07

 

 

Инфракрасные (ИК) спектры алканов имеют характеристические полосы в областях 2800-3000 см^-1 (валентные колебания связи С-Н), 1400-1470 см^-1 (деформационные колебания связи С-Н в СН₃- и СН₂-группах) и более слабую полосу СН₃-группы при 1380 см^-1 (табл. 8), которые могут использоваться для идентификации парафинов.

 

 

Таблица 8 Абсолютные интенсивности (А) ИК полос групп СН₃ и СН₂ нормальных парафиновых углеводородов в газовой фазе [33]

 

Область спектра	АСН3,	АСН2
(ν, см^-1)	10^-8 см^2/с молек.	10^-8 см^2/с молек.
~2900 (~2800-3050)	41,5	29,5
~1465 (~1414-1550)	3,35	1,93
~1380 (~1310-1414)	1,332	0,605
~730		0,57

 

 

В видимой области спектра газообразные парафины прозрачны. Заметное поглощение начинается только в области вакуумного ультрафиолета на длинах волн короче 1600 Å. Поглощение метана начинается около 1440 Å, а поглощение высших парафинов смещается в сторону больших длин волн по мере замещения атомов водорода алкильными радикалами (рис. 10).

 

Метан - бесцветный газ, без запаха (перед пуском в сеть потребителей в него добавляют ничтожную примесь сильно пахнущих газов - одорантов, обычно меркаптанов). Горит почти бесцветным пламенем. Плохо растворим в воде. С экологической точки зрения является наиболее чистым ископаемым природным энергоресурсом. Теплота сгорания (11910 ккал/кг) и температура самовоспламенения (537^оС) выше, чем у более тяжелых алканов. Метан, в отличие от других углеводородных газов, значительно легче воздуха, поэтому в случае утечки в закрытом помещении собирается в его верхней части.

 

Рис. 10. Спектры поглощения низших алканов в УФ области.

 

1 – метан; 2 – этан; 3 – пропан; 4 – пердейтеро-н-бутан; 5 – н-бутан [34].

 

Молекула метана принадлежит к группе симметрии Т _d. Четыре атома водорода образуют правильный тетраэдр, в центре которого находится атом углерода. Равновесная длина r(С – Н) связи равна 1,091 Å, тетраэдрический валентный угол равен 109^о. Наиболее интенсивные характеристические частоты поглощения метана в ИК области равны 3018,9; 2916,5; 1533,6 и 1305,9 см^-1.

 

Этан – бесцветный газ, горящий слабосветящимся пламенем. Молекула этана принадлежит к группе симметрии D _3d, ось С – С является осью третьего порядка, имеется центр симметрии, две группы СН₃ повернуты друг относительно друга на 60^о. Геометрические параметры молекулы: r(С – С) =

 

 

1,543 А; r(С – Н) = 1,102 Å; ∠ССН = 109^о37′; ∠НСН = 109^о19′. Наиболее интенсивные характеристические частоты поглощения этана в ИК области равны 2953,8; 2950; 1468,7 и 1388,4 см^-1.

 

Устойчивые изомеры нормальных парафинов принадлежат к группе С_2v в случае нечетного и группе С_2h в случае четного числа атомов углерода. Атомы углерода образуют плоскую вытянутую зигзагообразную цепочку. Один атом водорода каждой группы СН₃ лежит в плоскости углеродного скелета, все другие атомы водорода образуют пары, симметричные по отношению к этой плоскости. Соответственно, молекула пропана принадлежит к группе симметрии С_2v, а н-бутана - С_2h. Геометрические параметры молекулы пропана: r(С – С) = 1,528 Å; ∠ССС = 112,4^о; r(С – Н)_СН2

 

= 1,096 Å; ∠НСН = 106,1^о; r(С – Н)_СН3 = 1,091 Å; ∠НСН = 107,7^о.

 

Молекула изобутана является простейшим представителем разветвленных углеводородов. Изобутан НС(СН₃)₃ принадлежит к группе симметрии С_3v, ось С – Н является осью третьего порядка, каждая из трех связей С – С⁽ⁱ⁾ лежит в одной из плоскостей симметрии σ⁽ⁱ⁾, в этой же плоскости находится один из атомов водорода группы С⁽ⁱ⁾Н₃, а два других атома расположены симметрично по отношению к этой плоскости. Геометрические параметры молекулы изобутана: r(С – С) = 1,525 Å; r(С – Н)_СН = 1,108 Å; r(С – Н)_СН