Viskas apie gamtines dujas: gamtinių dujų sudėtis ir savybės, gamyba ir naudojimas

Dėl didelio energijos vartojimo efektyvumo ir ekologiškumo gamtinės dujos kartu su nafta yra itin svarbios.Jis plačiai naudojamas kaip kuras, taip pat yra vertinga žaliava chemijos pramonei.

Ir nors dujų naudojimas tapo kasdieniu ir pažįstamu, jos vis tiek išlieka sudėtinga ir gana pavojinga medžiaga – norint patekti į dujinio prietaiso degiklį, jos nueina ilgą ir sudėtingą kelią.

Straipsnyje išanalizuosime pagrindinius klausimus, susijusius su gamtinėmis degiosiomis dujomis – kalbėsime apie jų sudėtį ir savybes, aprašysime dujų gamybos, transportavimo ir perdirbimo etapus bei taikymo sritis. Panagrinėkime šiuolaikines idėjas apie angliavandenilių atsargų kilmę, įdomius faktus ir hipotezes.

Kas yra natūralios degios dujos?

Yra nuomonė, kad dujos slypi po žeme tuštumose ir iš ten lengvai išgaunamos, tam pakanka išgręžti šulinį. Tačiau iš tikrųjų viskas yra daug sudėtingiau: dujos gali būti akytos uolienos viduje, gali būti ištirpintos vandenyje, skystuose angliavandeniliuose, naftoje.

Norint suprasti, kodėl taip nutinka, pakanka prisiminti, kad žodis „dujos“ kilęs iš graikų „chaosas“, kuris atspindi medžiagos elgesio principą. Dujinėje būsenoje molekulės juda chaotiškai, stengdamosi tolygiai užpildyti visą galimą tūrį. Dėl šios priežasties jie gali prasiskverbti ir ištirpti kitose medžiagose, įskaitant tankesnius skysčius ir mineralus. Aukštas slėgis ir temperatūra žymiai pagerina difuzijos procesą.Dažnai tokio „kokteilio“ pavidalu gamtinės dujos yra podirvyje.

Tačiau pirmiausia pakalbėkime apie tai, iš ko susideda dujos ir kas tai yra – pažvelkime į natūralių degiųjų dujų cheminę sudėtį ir fizines savybes.

Cheminės sudėties ypatybės

Iš podirvio išgautos dujos, vadinamos „natūraliomis“, yra įvairių dujų mišinys.

Pagal sudėtį jis skirstomas į tris komponentų grupes:

• degios – angliavandeniliai;
• nedegus (balastai) – azotas, anglies dioksidas, deguonis, helis, vandens garai;
• kenksmingas priemaišų – vandenilio sulfidas ir merkaptanai.

Pirmoji ir pagrindinė grupė yra metano angliavandenilių (homologų) rinkinys, kurio anglies atomų skaičius yra nuo 1 iki 5. Didžiausias procentas mišinyje yra metanas (nuo 70 iki 98%), turintis vieną anglies atomą. Kitų dujų (etano, propano, butano, pentano) kiekis svyruoja nuo vienetų iki dešimtųjų procentų.

Iš laukų išgaunamos dujos pasižymi didele metano koncentracija. Iš naftos išgaunamo šalutinio produkto metano dalis daug mažesnė: 30 – 60 %, o homologų – daugiau: 10 – 20 %.

Be angliavandenilių, mišinyje nedideliais kiekiais gali būti nedegių medžiagų: sieros vandenilio, azoto, anglies dioksido, anglies monoksido, vandenilio ir kt. Tačiau, priklausomai nuo lauko, angliavandenilių proporcijos, kaip ir kitų dujų sudėtis, gali labai skirtis.

Fizikinės dujų savybės

Pagal fizines metano CH savybes₄ bespalvis ir bekvapis, labai degus. Kai koncentracija ore didesnė nei 4,5 % – sprogstamasis. Ši savybė kartu su kvapo trūkumu kelia didelę grėsmę ir problemą. Ypač kasyklose, nes metaną sugeria anglis.

Apie dujų sprogimo priežastis buitinėmis sąlygomis rašėme m ši medžiaga.

Norint suteikti dujoms kvapą, siekiant aptikti jų nuotėkius, prieš transportavimą į jas įpilama specialių nemalonaus kvapo medžiagų – kvapiųjų medžiagų. Dažniausiai tai sieros turintys junginiai – etanetiolis arba etilmerkaptanas. Priemaišų dalis parenkama taip, kad nuotėkis būtų pastebimas, kai dujų koncentracija yra 1%.

Pagrindinis mėlynojo kuro privalumas – didelė savitoji degimo šiluma – 39 MJ/kg. Taip išsiskiria nekenksmingos medžiagos: vanduo ir anglies dioksidas. Tai taip pat svarbus veiksnys, leidžiantis naudoti metaną kasdieniame gyvenime

Iš kur žemės gelmėse atsiranda dujų?

Nors žmonės išmoko naudoti dujas daugiau nei prieš 200 metų, vis dar nėra vieningos nuomonės, iš kur dujos atsiranda žemės gelmėse.

Pagrindinės kilmės teorijos

Yra dvi pagrindinės jo kilmės teorijos:

• mineralinis, kuris paaiškina dujų susidarymą angliavandenilių degazavimo procesais iš gilesnių ir tankesnių žemės sluoksnių ir jų kilimo į mažesnio slėgio zonas;
• organinis (biogeninis), pagal kurią dujos yra gyvų organizmų liekanų skilimo aukšto slėgio, temperatūros ir oro trūkumo sąlygomis produktas.

Lauke dujos gali būti atskiros sankaupos, dujų dangtelio, aliejaus ar vandens tirpalo arba dujų hidratų pavidalu. Pastaruoju atveju nuosėdos yra poringose ​​uolienose tarp dujoms nepralaidžių molio sluoksnių. Dažniausiai tokios uolienos yra sutankintas smiltainis, karbonatai ir kalkakmeniai.

Įprastų dujų telkinių dalis tesudaro 0,8 proc. Šiek tiek didesnis procentas tenka giluminėms, anglies ir skalūnų dujoms – nuo ​​1,4 iki 1,9%.Dažniausios nuosėdų rūšys yra vandenyje ištirpintos dujos ir hidratai – maždaug lygiomis dalimis (kiekvienas po 46,9%).

Kadangi dujos yra lengvesnės už naftą, o vanduo sunkesnis, mineralų padėtis rezervuare visada yra tokia pati: dujos yra ant naftos, o vanduo palaiko visą naftos ir dujų telkinį iš apačios.

Darinyje esančios dujos yra veikiamos slėgio. Kuo gilesni telkiniai, tuo jis didesnis. Vidutiniškai kas 10 metrų slėgio padidėjimas yra 0,1 MPa. Yra sluoksnių su neįprastai aukštu slėgiu. Pavyzdžiui, Urengojaus lauko Achimovo telkiniuose jis siekia 600 atmosferų ir aukštesnę 3800–4500 m gylyje.

Įdomūs faktai ir hipotezės

Dar ne taip seniai buvo manoma, kad XXI amžiaus pradžioje pasaulio naftos ir dujų atsargos turėtų būti išnaudotos. Pavyzdžiui, autoritetingas amerikiečių geofizikas Hubbertas apie tai rašė 1965 m.

Iki šiol daugelis šalių toliau didina dujų gavybos tempą. Realių ženklų, kad angliavandenilių atsargos baigiasi, nėra

Pasak geologijos ir mineralologijos mokslų daktaro V.V. Polevanova, tokius klaidingus įsitikinimus sukelia tai, kad naftos ir dujų organinės kilmės teorija vis dar yra visuotinai priimta ir dominuoja daugumos mokslininkų mintyse. Nors vis tiek D.I. Mendelejevas pagrindė neorganinės giluminės naftos kilmės teoriją, o tada tai įrodė Kudryavcevas ir V.R. Larinas.

Tačiau daugelis faktų kalba prieš organinę angliavandenilių kilmę.

Štai keletas iš jų:

• buvo aptikti telkiniai iki 11 km gylyje, kristaliniuose rūsiuose, kur organinių medžiagų egzistavimas net teoriškai neįmanomas;
• organinės teorijos pagalba galima paaiškinti tik 10 % angliavandenilių atsargų, likusieji 90 % yra nepaaiškinami;
• 2000 m. Saturno mėnulyje Titane aptiktas kosminis zondas Cassini turi milžiniškus angliavandenilių išteklius ežerų pavidalu, keliomis eilėmis didesnius nei Žemėje.

Larino iškelta hipotezė apie iš pradžių hidrinę Žemę paaiškina angliavandenilių kilmę per vandenilio reakciją su anglimi žemės gelmėse ir vėliau metano degazavimą.

Pagal ją senovės Juros periodo telkinių nėra. Visa nafta ir dujos galėjo susidaryti prieš 1–15 tūkstančių metų. Vykstant atrankai, atsargos gali būti palaipsniui papildytos, o tai buvo pastebėta seniai išeikvotuose ir apleistuose naftos telkiniuose.

Kaip vyksta gavyba ir transportavimas?

Gamtinių degiųjų dujų gavybos procesas prasideda nuo gręžinių tiesimo. Priklausomai nuo dujas turinčio darinio atsiradimo, jų gylis gali siekti 7 km. Gręžimo eigoje į šulinį nuleidžiamas vamzdis (korpusas). Kad dujos nepatektų pro tarpą tarp vamzdžio ir šulinio sienelių, užkimšimas – tarpas užpildomas moliu arba cementu.

Pasibaigus statybai, statramstis nuimamas ir Kalėdų eglutė uždedama ant korpuso galvutės. Tai yra sklendžių konstrukcija ir naudojama dujoms iš gręžinio ištraukti.

Šulinių skaičius gali būti gana didelis.

Kalėdų eglutė atlieka keletą funkcijų: laiko gręžinyje pakabintus siurblio ir kompresoriaus vamzdžius, valdo darbo režimus, matuoja gręžinio išorinių ir vidinių dalių parametrus.

Visas natūralių degiųjų dujų gamybos ciklas vyksta trimis etapais:

1. Dujų lauko plėtra. Dėl gręžimo susidaro slėgio skirtumas. Dėl to dujos per formaciją juda į šulinius.
2. Dujų gręžinių eksploatavimas. Šiame etape dujos keliauja per korpusą.
3. Surinkimas ir paruošimas transportavimui. Dujos nuo visų eglučių tiekiamos į specialius dujų valymo įrenginių technologinius kompleksus. Jie išdžiovina dujas, valymas nuo kenksmingų priemaišų.

Net mažos vandenilio sulfido, vandens garų ar kietųjų dalelių koncentracijos sukelia greitą koroziją, hidrato susidarymą ir mechaninius vidinio dujotiekio paviršiaus pažeidimus.

Galutinis paruošimas transportavimui vyksta galvūgalyje. Tai apima angliavandenilių kondensato po apdorojimą ir pašalinimą, dujų aušinimą, siekiant sumažinti jo tūrį.

Pagrindinė dujų transportavimo dideliais atstumais rūšis yra magistralinis dujotiekis. Tai sudėtingų inžinerinių statinių sistema nuo pačių vamzdynų iki požeminės saugyklos.

Paskutiniame dujotiekio taške yra dujų skirstymo stotys (GDS). Čia vyksta galutinis dulkių ir skystų priemaišų valymas, slėgis sumažinamas iki vartotojų reikalaujamo lygio, jis stabilizuojamas, atsižvelgiama į dujų sąnaudas ir pridedama kvapioji medžiaga.

Kita paplitusi metano transportavimo rūšis – gabenimas jūra specialiais laivais – dujovežiais.

Didžiulės sferinės talpyklos neleis dujovežio supainioti su kitų tipų laivais. Tai termosai, palaikantys pastovią skystam metanui reikalingą temperatūrą -163 °C

Dujų transformavimas į skystą būseną atliekamas specialiose SGD gamyklose. Procesas vyksta dviem etapais: pirmiausia metanas atšaldomas iki -50 °C, o paskui iki -163 °C. Tuo pačiu metu jo tūris sumažėja 600 kartų.

Apdorojimas ir taikymo sritis

Didelis gamtinių dujų degumas lemia pagrindinį jų panaudojimą. Jis naudojamas kaip kuras gamyklose, gamyklose, šiluminėse elektrinėse, katilinėse, įstaigose, gyvenamuosiuose pastatuose, žemės ūkio objektuose ir daugelyje kitų. Rekomenduojame perskaityti taisykles dujų naudojimas kasdieniame gyvenime.

Naftos gavybos ir perdirbimo metu visada išleidžiamos susijusios dujos. Kai kuriais atvejais jo apimtys gali būti įspūdingos ir siekti iki 300 kubinių metrų vienam kubiniam metrui žalios naftos.

Tačiau yra daug telkinių, kuriuose gamtinės dujos nenaudojamos, o deginamos. Pavyzdžiui, visoje Rusijoje tokiu būdu prarandama iki 25% naudingų žaliavų.

Dalis susijusių dujų tiekiama į dujų perdirbimo įmones. Iš jo gaunamos išgrynintos sausos dujos, kurios naudojamos šildymui. Kitas vertingas komponentas – lengvųjų angliavandenilių mišinys.

Diagramoje parodytas bendras pagamintų dujų perdirbimo proceso vaizdas. Galutinių produktų vaidmens šiuolaikinei chemijos pramonei negalima pervertinti

Tada specialiuose įrenginiuose jis suskirstomas į dalis. Rezultatas yra angliavandeniliai, tokie kaip propanas, butanas, izobutanas ir pentanas. Sumažinti tūrį, palengvinti jų transportavimą ir saugojimą suskystinti.

Automobilių pertvarkymas į dujinius greitai atsiperka ir leidžia žymiai sutaupyti. Plečiantis degalinių tinklas prisideda prie SND varomų automobilių parko didėjimo. Naudinga ne tik vairuotojams, bet ir pėstiesiems, kuriems nereikia kvėpuoti kenksmingų garų

Propanas ir butanas naudojami namų šildymui išpilstytų dujų arba automobiliams. Tačiau didžioji jo dalis skirta tolesniam perdirbimui naftos chemijos gamyboje.

Kaitinant aukštoje temperatūroje (pirolizės būdu), iš jų gaunama pagrindinė visų sintetinių medžiagų žaliava – monomerai: etilenas, propilenas, butadienas. Katalizatorių įtakoje jie sujungiami į polimerus. Išeiga yra tokios vertingos medžiagos kaip guma, PVC, polietilenas ir daugelis kitų.

Išvados ir naudingas vaizdo įrašas šia tema

Dokumentinis filmas apie dujas pasakoja prieinamai ir vaizdžiai:

Šis mokomasis filmas skirtas pagrindiniam dujų transportui:

Mes vis dar nežinome visko apie gamtines dujas – jų kilmė vis dar turi daug paslapčių. Belieka tikėtis, kad mėlynas kuras išties yra neišsenkama dovana, kurios užteks ir mums, ir mūsų palikuonims.

Ar perskaičius aukščiau pateiktą medžiagą vis dar kyla klausimų? O gal norite papildyti straipsnį naudingais komentarais, įdomiais faktais ar nuotraukomis? Rašykite komentarus, užduokite klausimus, dalyvaukite diskusijoje – atsiliepimų forma rasite žemiau.