Физические и химические свойства природного газа

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Природный газ – это смесь газов (органической и неорганической природы), образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ. Полезное ископаемое.

Значительная составляющая природного газа – метан (70 — 98%), затем идут этан, пропан и бутан; среди газов неорганической природы в состав природного газа могут входить моно- и диоксид углерода, азот, инертные газы, водород, сероводород. Химический состав природного газа (объемное содержание каждого из газов) может меняться в зависимости от месторождения.

Химические свойства природного газа

Поскольку природный газ представляет собой смесь газов, то невозможно указать, какие химические свойства для него характерны, т.к. для каждого вещества, входящего в его состав характерны свои, особые химические свойства. Однако, можно сказать, что для природного газа характерно горение, причем из всех веществ, входящих в состав природного газа на воздухе сгорают только углеводороды (метан, этан и т.д.) и монооксид углерода. Продукты реакции горения природного газа:

CH₄ + 2O₂ = CO₂ +2H₂O;

2C₂H₆ + 7O₂ = 4CO₂ + 6H₂O;

2C₃Н₈ + 10O₂ = 6CO₂ + 8H₂O;

2CO + O₂ = 2CO₂.

Физические свойства природного газа

Природный газ при нахождении в недра Земли может находится в газообразном состоянии (газовые залежи), в виде газовой «шапки» нефтегазовых месторождений, в растворенном виде в нефти или в воде. Чистый природный газ не обладает запахом и цветом. Температура возгорания природного газа 650 $^{\circ}$ С. Природный газ в 1,8 газ легче воздуха.

Получение природного газа

Природный газ добывают из недр Земли с помощью скважин. Газ выходит из недр вследствие того, что в пласте находится под давлением, многократно превышающем атмосферное . Таким образом, движущей силой является разность давлений в пласте и системе сбора.

Применение природного газа

Основное направление использования природного газа — в качестве горючего для отопления жилых домов, подогрева воды и приготовления пищи; в качестве топливо для машин, котельных, ТЭЦ и др. Также, природный газ используют в химической промышленности (сырьё для получения различных органических веществ).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

природный газ одного из месторождений содержит 85% метана, 6% этана, 3% оксида углерода (II), 4,5% углекислого газа, 1,5% азота и инертных газов по объему. Какой объем воздуха потребуется для сжигания 1м³ этого газа. Объемная доля кислорода в воздухе – 21%.

Решение

Сжигание природного газа на воздухе происходит из-за окислительной способности кислорода, входящего в его состав. Среди газов, входящих в состав природного газа реакции горения подвергаются только углеводороды и оксид углерода (II). Запишем уравнения реакций горения этих газов в кислороде.

CH₄ + 2O₂ = CO₂ +2H₂O (1);

2C₂H₆ + 7O₂ = 4CO₂ + 6H₂O (2);

2CO + O₂ = 2CO₂ (3).

Найдем объемы сгорающих газов, зная их объемные доли (см. условие задачи):

V(CH₄) = V_gas×φ (CH₄)/100%;

V(CH₄) = 1000×0,85 = 850 л;

V(C₂H₆) = V_gas×φ (C₂H₆)/100%;

V(C₂H₆) = 1000×0,06 = 60 л;

V(CО) = V_gas×φ (CО)/100%;

V(CО) = 1000×0,03 = 30 л.

По 1 уравнению n(CH₄) : n(O₂) = 1:2, следовательно, n(O₂) = 2× n(CH₄) = 2× 850 /22,4 = 76 моль. Тогда объем кислорода, необходимый для сжигания 850 л метана:

V(O₂)₁ = 76×22,4 = 1702 л.

По 2 уравнению n(C₂H₆) : n(O₂) = 2:7, следовательно, n(O₂) = 7/2× n(C₂H₆) = 7/2× 60 /22,4 = 9,4 моль. Тогда объем кислорода, необходимый для сжигания 850 л метана:

V(O₂)₂ = 9,4×22,4 = 210,6 л.

По 3 уравнению n(CО) : n(O₂) = 2:1, следовательно, n(O₂) = 1/2× n(CО) = 1/2× 30 /22,4 = 0,7 моль. Тогда объем кислорода, необходимый для сжигания 850 л метана:

V(O₂)₃ = 0,7×22,4 = 15,7 л.

Суммарный объем кислорода, затраченный на сжигание природного газа составит:

V_sum = V(O₂)₁ + V(O₂)₂ + V(O₂)₃ = 1702 + 210,6 + 15,7 = 1928,3 л.

Т.к. объемная доля кислорода в воздухе 21%, то объем воздуха, необходимый для сжигания природного газа:

V = V(O₂)_sum / 0,21 = 1928,3 / 0,21 = 9182 л = 0,9182 м³.

Ответ

Объем воздуха – 0,9182 м $^{3}$ .

ПРИМЕР 2

Задание

природный газ одного из месторождений содержит 92% метана, 4% этана, 7% пропана, 2% углекислого газа и 1% азота. Какой объем кислорода потребуется для сжигания 200л этого газа.

Решение

Среди газов, входящих в состав природного газа реакции горения в кислороде подвергаются только углеводороды. Запишем уравнения реакций горения этих газов в кислороде.

CH₄ + 2O₂ = CO₂ +2H₂O (1);

2C₂H₆ + 7O₂ = 4CO₂ + 6H₂O (2);

2C₃Н₈ + 10O₂ = 6CO₂ + 8H₂O (3).

Найдем объемы сгорающих газов, зная их объемные доли (см. условие задачи):

V(CH₄) = V_gas×φ (CH₄)/100%;

V(CH₄) = 200×0,92 = 184 л;

V(C₂H₆) = V_gas×φ (C₂H₆)/100%;

V(C₂H₆) = 200×0,04 = 8 л;

V(C₃Н₈) = V_gas×φ (C₃Н₈)/100%;

V(C₃Н₈) = 200×0,01 = 2 л.

По 1 уравнению n(CH₄) : n(O₂) = 1:2, следовательно, n(O₂) = 2× n(CH₄) = 2× 184 /22,4 = 16 моль. Тогда объем кислорода, необходимый для сжигания 850 л метана:

V(O₂)₁ = 16×22,4 = 358,4 л.

По 2 уравнению n(C₂H₆) : n(O₂) = 2:7, следовательно, n(O₂) = 7/2× n(C₂H₆) = 7/2× 8 /22,4 = 1,25 моль. Тогда объем кислорода, необходимый для сжигания 850 л метана:

V(O₂)₂ = 1,25×22,4 = 28 л.

По 3 уравнению n(C₃Н₈) : n(O₂) = 2:10, следовательно, n(O₂) = 5× n(C₃Н₈) = 5× 2 /22,4 = 0,4 моль. Тогда объем кислорода, необходимый для сжигания 850 л метана:

V(O₂)₃ = 0,4×22,4 = 8,96 л.