Вопрос №3. Общие сведения о происхождении углеводородных газов

Основные источники энергии, ресурсы и добыча

Энергия является основой развития промышленности, сельского хозяйства, транспорта, быта человека, определяет экономическое развитие страны в целом. Уровень жизни страны, ее экономического развития напрямую зависит от потребления энергоносителей.

Решающую роль в энергетическом балансе играют три главных вида невосполняемых источников энергии - нефть, природный газ и твердые органические вещества, к которым относятся каменные угли, горючие сланцы и нефтебитумы.

Восполняемые источники энергии - солнечная энергия, энергия движущихся масс воздуха и воды, атомная энергия занимают пока небольшое место в общем энергетическом балансе, из этих видов энергоносителей наиболее значимы два последних.

Поэтому исключительно важное значение для экономики является состояние ресурсов различных энергоносителей, в первую очередь нефти, природных газов и угля, их потребление.

Абсолютный вклад этих трех энергоносителей постоянно растет, но постоянно изменяется их относительный вклад в общий энергетический баланс. За последние 20 лет XX века при общем росте мирового потребления энергии на 38% потребление нефти увеличилось на 12%, угля на 28%, а природного газа на 68%. Поэтому, хотя нефть остается основным источником энергии в мире, ее доля с более чем 45% четверть века назад упала до 39% в 2002г. и продолжает сокращаться.

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

1986г. 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 2002г. 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.

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.

Пока еще призрачны надежды на так называемые «альтернативные» источники энергии (солнечная, ветровая, гидроэнергетика, энергия, получаемая при сжигании биомассы), вклад которых, например, в энергетику США составляет менее 0,1%.В настоящее время за один год человечество расходуетэнергетические запасы, на образование которых природе требуетсяпримерно миллион лет. Поэтому перед человечеством стоитсерьезная проблема - обеспечить ресурсами дальнейшее прогрессивноеразвитие мировой энергетики.

Основной и наиболее удобный во всех отношениях энергоресурссовременной экономики - нефть. В структуре мировогоэнергобаланса в последние годы нефть занимает порядка

36-38%. Но ее запасы ограничены и быстро истощаются. Темпоткрытия новых нефтяных ресурсов достиг своего пика в 1960-хгодах и с тех пор объем ежегодного прироста ресурсов неуклоннопадает.

Доля нефти в структуре потребления первичных видов энергии в мире в начале XXI века несколько снизилась, При этом мировое потребление энергии продолжает быстро увеличиваться, в основном за счет развивающихся стран, которые стремятся приблизиться по уровню жизни и, следовательно, энергопотребления, к развитым странам.

Ресурсы каменного угля огромны и распределены более равномерно. Наибольшими его запасами обладают три страны - США, КНР и Россия, на долю каждой из которых приходится примерно четверть мировых ресурсов. Объем мировой добычи угля увеличивается.

2 Энергетика – основа мировой экономики. Природные энергоносители – нефть, газы, твердые орган.вещества

нефть, природный газ и твердые органические вещества – невосполняемые источники энергии.

В настоящее время за один год человечество расходует энергетические запасы, на образование которых природе требуется примерно миллион лет. Поэтому перед человечеством стоит серьезная проблема - обеспечить ресурсами дальнейшее прогрессивное развитие мировой энергетики.

Основной и наиболее удобный во всех отношениях энергоресурс современной экономики - нефть. В структуре мирового энергобаланса в последние годы нефть занимает порядка36-38%. Но ее запасы ограничены и быстро истощаются. Темп открытия новых нефтяных ресурсов достиг своего пика в 1960-х годах и с тех пор объем ежегодного прироста ресурсов неуклонно

падает. Таблицы 1-3 характеризуют долю нефти в мировом энергобалансе. Доля нефти в структуре потребления первичных видов энергии в мире в начале XXI века несколько снизилась -

до 36%, по всей вероятности будет очень медленно снижаться еще достаточно долго.

запасы нефти в мире распределены неравномерно - 65% всех доказанных ресурсов нефти на Ближнем Востоке.

Таким образом, в долгосрочной перспективе для покрытия

своих растущих энергетических потребностей и мировая, и отечественная экономика реально могут рассчитывать только на два источника энергии и углеводородного сырья – ископаемые ресурсы природного газа и угля. Ресурсы каменного угля огромны и распределены более равномерно. Наибольшими его запасами обладают три страны - США, КНР и Россия, на долю каждой из которых приходится примерно четверть мировых ресурсов.

Объем мировой добычи угля увеличивается, и уголь частично отвоевывает некогда утраченные позиции. Особенно велика его доля в производстве электроэнергии в КНР – около 75%, в США - более 50%. Однако низкая производительность труда при добыче и транспортировке угля, а также серьезные экологические проблемы, связанные с его использованием в энергетике, сдерживают масштабы его применения. Более привлекательным ископаемым ресурсом, как с точки зрения использования, так и транспортировки, является природный газ. Его доказанные мировые ресурсы по состоянию на 2002г. Составляли 155 трлн. м3 и продолжают быстро возрастать по мере проведения геологоразведочных работ. За два последние десятилетия они практически удвоились.В качестве традиционных ресурсов природного газа рассматриваются залежи с минимальными запасами 0,1 млрд. м3 и начальным дебитом скважин более 30 тыс. м3/сут. Полное число месторождений с залежами свободного газа в мире превышает

17 000и в более 30000 чисто нефтяных месторождений газ присутствует в виде второстепенного компонента (нефтяной, попутный). Наибольшими текущими запасами газа (трлн. м3) обладают

Россия (47,5), Иран (26,6), Катар (25,8), Саудовская Аравия (6,5). Кроме того, существуют огромные запасы нетрадиционного природного газа, включая угольный метан, углеводородные газы, растворенные в подземных водах, метан в составе газовых гидратов и др., которые многократно превышают запасы традиционного природного газа и позволяют рассматривать его как основной ископаемый энергетический ресурс человечества даже на достаточно далекую перспективу.

Природный газ играет все более важную роль в мировом энергобалансе. Экологичность, экономичность и технологичность - вот главные свойства газа.

Самое значительное преимущество природного газа его экологичность - он дает при сжигании гораздо меньше выбросов по сравнению с другими массовыми энергоносителями - углем и мазутом. Природный газ обладает экономическими преимуществами, так как имеются его большие запасы, дешевле его добыча. Природный газ более технологичен при использовании, чем другие энергоносители - аппаратура, применяемая для его сжигания и переработки менее громоздкая и металлоемкая, но более долговечная. Благодаря этим преимуществам, доля природного газа в мировом энергобалансе постепенно растет. Если XIX век можно назвать веком угля, XX век – веком нефти, то XXI век можно по праву назвать эрой метана.доля природного газа в энергетическом балансе будет возрастать, возможно, он станет главным энергоносителем этого века при одновременном использовании других видов энергоносителей.

Вопрос №3. Общие сведения о происхождении углеводородных газов.

Природный газ является продуктом распада растительных и животных организмов, живших на Земле, покрытой мелководными морями. Именно в акваториях таких морей, богатых растительностью и мелкими организмами, шла интенсивная жизнедеятельность, продукты которой дали начало происхождению нефтяных и газовых месторождений.

Часть газовых месторождений, открытых к настоящему времени, находится на суше: месторождения Поволжья, Северного Кавказа, Украины, Астраханской низменности, Урала и Западной Сибири. Однако, как показал анализ, эти территории когда-то были покрыты морями, существовавшими на них многие миллионы и десятки миллионов лет.

Другая часть открытых газовых месторождений находится в море, на так называемом континентальном шельфе, например, газовые и газоконденсатные месторождения Баренцева и Карского морей. Анализ показывает, что эти территории были заняты когда-то мелководными морями, в которых шла интенсивная органическая жизнь.

Абсолютно все осадочные породы содержат в разных концентрациях, от 0,01 до 15% (от 0,1 до 150 г/кг), рассеянное органическое вещество. При относительно небольших температурах 60-100°С, характерных для горных пород, могут протекать каталитические реакции деструкции органического вещества с образованием углеводородов. Катализаторами могут являться алюмосиликаты, входящие в состав различных пород, а также различные микроэлементы и их соединения.

Для образования нефти достаточно иметь в тонкодисперсных глинистых осадках 0,5-2% органического вещества.

Метан может образовываться в промышленных объемах и из еще более рассеянной органики. Кроме того, сейчас известно более десятка видов бактерий, в результате жизнедеятельности которых образуется метан. Существуют также гипотезы абиогенного происхождения природного газа. Предполагается, что в процессе концентрации и уплотнения звездной пыли, приведшего к образованию Земли, уже первичное вещество содержало высокую концентрацию метана. При этом огромное количество метана оказалось в мантии Земли, и в течение 4,5 млрд. лет ее существования эти газы с помощью различных тектонических механизмов пробивали себе путь к верхним слоям земной коры.

Многолетние исследования месторождений природных газов, в том числе изотопного состава углерода, который различен у метана биогенного и абиогенного происхождения, не дают решающего перевеса ни одной из этих теорий. Видимо, обе гипотезы происхождения природного газа справедливы, и различные месторождения имеют разное происхождение. В последние годы появились данные о возможности абиогенного каталитического синтеза углеводородов непосредственно в земной коре. Многие типичные горные породы являются дисперсными системами с высокоразвитыми межфазными границами, характерными для промышленных гетерогенных катализаторов, а химический состав пород нередко соответствует составу традиционных катализаторов синтеза углеводородов.

4 Состав и свойства природных газов и газоконденсатов

Все углеводородные газы по их происхождению можно разделить на две большие группы: природные газы и газы нефтеперерабатывающих заводов.

Природные газы - это газы, добываемые непосредственно из земных недр, в зависимости от условий залегания они имеют различный состав. Углеводородные природные газы могут быть извлечены из месторождений трех типов: чисто газовых, нефтяных и газоконденсатных.

Газы чисто газовых месторождений (к ним чаще всего применимо название сухой газ), в основном состоят из метана, содержание которого достигает 98%. Для ряда месторождений содержание парафинов С₂-С₄ составляет 1,5-7,0%

Попутные газы - газообразные углеводороды, сопровождающие сырую нефть, в условиях пластового давления растворенные в нефти и выделяющиеся в процессе ее добычи. Эти газы содержат 30-80% метана, 10-26% этана, 7-22% пропана, 4-7% бутана и изобутана, 1-3% н-пентана и высших н-алканов. В этих газах содержатся также сероводород, диоксид углерода, инертные газы.

Газы газоконденсатных месторождений по составу близки к попутным газам, но выносят на поверхность в сконденсированном виде в небольших количествах (50-500 г/н.куб.м. газа) более тяжелые углеводороды (конденсаты), кипящие до 200-300°С.

Газы нефтеперерабатывающих заводов - это легкие углеводороды, образовавшиеся при переработке нефти в результате деструктивных процессов (пиролиз, термический и каталитический крекинг, коксование, каталитический риформинг). Эти газы содержат насыщенные и, в отличие от природных газов, ненасыщенные углеводороды С₂-С₅, а также водород и сероводород.

Общее, что характеризует газы чисто газовых месторождений - высокое содержание метана от 75 до 98% и соответственно высокая теплота сгорания, достигающая 11900 ккал/кг. Содержание тяжелых углеводородов (С5 и выше) невелико /0,02 - 0,20% (об)/. Большинство газов содержит 1-5% (об) неуглеводородных примесей: инертные газы (азот и диоксид углерода) и сероводород. Кроме этих примесей, природные газы газовых и газоконденсатных месторождений могут содержать в небольших количествах гелий, аргон, сероуглеродные (COS и CS2), а также сероорганические - меркаптаны (RSH) - соединения. Природные газы обычно или не содержат сероводород или содержат его в незначительных количествах - на уровне долей процента. Однако газы трех крупных газоконденсатных месторождений - Оренбургского, Карачаганакского и особенно Астраханского - содержат его в значительных количествах /от 1,7 до почти 25% (об)/. Это серьезно осложняет переработку этих газов, но дает возможность получить ценный продукт - серу. Производство серы из газов Астраханского газоконденсатного месторождения достигает 5% от мирового производства этого продукта. Соотношение отдельных компонентов природных газов может меняться в широких пределах, что оказывает влияние на выбор поточной схемы газоперерабатывающего завода.

Состав попутных газов сложнее - большинство из них содержит углеводороды С6 и выше, содержание метана может колебаться в очень широких пределах - от 5 до 83%. В состав попутных нефтяных газов входят, кроме метана, этан, пропан, н- и изобутаны, н- и изопентаны, гексан и т.д., а также сероводород, меркаптаны, углекислый газ, азот, гелий. Попутные нефтяные газы содержат наибольшее количество тяжелых углеводородов. Эти газы содержат значительные количества этана, пропана, бутанов, являющихся ценным сырьем для газохимии. Их ресурсы весьма велики, так как средний газовый фактор нефтяных месторождений России 95-112 куб. м/т. Газовым фактором называется количество попутных газов в куб м, приходящееся на 1 т добытой нефти. В табл. 13 приведен состав нефтяных (попутных) газов некоторых нефтяных месторождений РФ и стран СНГ, а в табл. 14 - месторождений Башкортостана. Углеводороды попутных нефтяных газов служат для получения топливного сухого газа (главным образом, метан и этан), сырья для получения этилена (этановая фракция), сжиженных газов (пропан, изобутан и н-бутан), стабильного газового бензина (более тяжелые углеводороды - так называемый конденсат). По содержанию тяжелых углеводородов (С3 и выше) попутные нефтяные газы делятся на "тощие" — менее 50 г/м3, "жирные" — более 150 г/м3 и промежуточные 50-150 г/м3. По теплотворной способности газы классифицируются следующим образом: имеющие теплотворную способность менее 2500 ккал/м3 считаются низкокалорийными, от 2500 до 5000 ккал/м3 — среднекалорийными и более 5000 ккал/м3 — высококалорийными. Плотность природного газа зависит от его состава, давления и температуры. При стандартных условиях, используемых в газовой промышленности, т.е. при давлении 760 мм. рт. ст. и температуре 20°С, плотность природного газа составляет примерно 0,7 кг/м3. Если учесть, что плотность воздуха при тех же условиях равна 1,204 кг/м3, то становится ясно, что природный газ в 1,5 раза легче воздуха. В практическом плане это обстоятельство важно тем, что при разрыве газопровода столб газа (возможно горящего) устремляется вверх, а не растекается по земле. Природный газ лишен запаха, а тот привычный неприятный запах, который мы все знаем, это запах специального одоранта (меркаптанов), вносимого в газ для того, чтобы чувствовать его присутствие в воздухе. Смесь газа с воздухом взрывоопасна. Она воспламеняется волной сжатия, отчего процесс горения носит быстрый взрывной характер, называемый детонацией. Предел взрываемости (концентрация СН4 в воздухе) 5-15 % об.

Основное свойство природного газа, как и вообще всех газообразных сред, состоит в его сжимаемости. Для природных газов величина плотности не является постоянной величиной (как для слабо сжимаемых жидкостей - воды, нефти, нефтепродуктов и т.п.), а зависит от давления и температуры. Плотность природного газа возрастает с увеличением давления примерно пропорционально ему. Газовые конденсаты разных месторождений существенно различаются по групповому химическому составу и содержанию серы, количество и состав газоконденсатов зависят от характера залежи, сроков разработки и условий эксплуатации месторождения. По высокому содержанию серы резко выделяются конденсаты Оренбургского (1,18%), Астраханского (1,37%) и Карачаганакского (0,8%) месторождений. В табл. 15 приведена характеристика газовых конденсатов некоторых месторождений России и стран СНГ. В отличие от природных газов газовые конденсаты наряду с парафиновыми углеводородами в тех или иных количествах содержат нафтеновые и ароматические углеводороды. Газоконденсаты являются существенным ресурсом углеводородного сырья. Их суммарная добыча сейчас достигает 25-28 млн. т/год, что в среднем по стране составляет около 40 г на 1 куб. м добываемого газа. Однако на эксплуатируемых в России и странах СНГ месторождениях извлечение конденсата от потенциала не превышает 50-60%. В то же время в развитых капиталистических странах, обладающих крупными газоконденсатными месторождениями (США, Канада), отбор выше - до 95%.

5 Газы газовых месторождений, попутные газы, газы газоконденсатныхместорождений, газоконденсаты.

Газовые конденсаты разных месторождений существенно различаются по групповому химическому составу и содержанию серы, количество и состав газоконденсатов зависят от характера залежи, сроков разработки и условий эксплуатации месторождения.

По высокому содержанию серы резко выделяются конденсаты Оренбургского (1,18%), Астраханского (1,37%) и Карачаганакского (0,8%) месторождений. В отличие от природных газов газовые конденсаты наряду с парафиновыми углеводородами в тех или иных количествах содержат нафтеновые и ароматические углеводороды. Газоконденсаты являются существенным ресурсом углеводородного сырья. Их суммарная добыча сейчас достигает 25-28 млн. т/год, что в среднем по стране составляет около 40 г на 1 куб. м добываемого газа. Однако на эксплуатируемых в России и странах СНГ месторождениях извлечение конденсата от потенциала не превышает 50-60%.

6 Физические и химические свойства компонентов природного газа.

Низшие алканы от метана до бутана включительно - газы без цвета и запаха.

Таблица – Основные свойства низшихалканов

Показатель	Метан	Этан	Пропан	Н-Бутан	Изобутан
Молекулярная масса	16,04	30,07	44,09	58,123	58,123
Температура плавления, °С	-182,48	-183,23	-187,69	-138,35	-159,60
Температура кипения, °С	-161,49	-88,63	-42,07	-0,50	-11,73
Критическая температура, °С	-82,4	32,3	96,84	152,01	134,98
Критическое давление, МПа	4,6	4,87	4,24	3,675	3,534
Теплоемкость Ср⁰, кДж/(кг*К)	2,22	1,74	1,654	1,678	1,667
Энтальпия испарения ΔН⁰исп, кДж/моль	8,22	14,68	18,83	21,5	19,2
Энтальпия образования ΔН⁰сгор, кДж/моль	-84,9	-106,7	-104,6	-126,1	-134,5
Энтропия S⁰₂₉₅, Дж/(моль*К)	-882	-1541,4	-2202,0	-2878,52	-2871,65

Для низших алканов характерна высокая величина энергии разрыва С-Н связи, определяющая их низкую реакционную способность, поэтому они относятся к наименее реакционноспособным органическим соединениям. Но по мере увеличения числа атомов углерода в молекуле их реакционная способность возрастает. При определенных условиях они вступают в реакции окисления, галоидирования, нитрования, сульфохлорирования и др. При сравнительно невысоких температурах протекает лишь небольшое число реакций, при которых происходит замещение атома водорода на различные атомы или группы. К реакциям присоединения алканы не способны в силу насыщенности всех связей углерода.

Большая энергия отрыва атома Н и разрыва С-С связей в молекулах низших алканов является главной трудностью при создании технологических процессов их химической конверсии, которые, как правило, требуют высоких температур даже при проведении процесса в присутствии катализатора.

Для каждого газа существуют так называемая критические параметры: критическое давление и критическая температура. Если температура природного газа выше критического значения, то состояние газа всегда газообразное; если же температура природного газа ниже критического значения, то для каждого ее значения существует такое давление, при котором газ превращается в жидкость.

Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 1316; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!