Состав и свойства природных газов и газоконденсатов

 

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

 

 

Физические свойства компонентов природных газов

 

Низшие алканы от метана до бутана включительно – газы без цвета и запаха. Их основные физические свойства даны в таблице 7.

 

 

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)_СН3 = 1,095 Å; ∠ССС = 111,2^о.