Табиғи газ және оның физикалық қасиеті

1. Табиғи газ, оның құрамы мен физикалық қасиеттері және конденсаттар мен газды гидраттар.

 

  1.1.1 

 

 

. Табиғи газдар табиғатта болуына байланысты келесі түрде бөлінеді: мұнайға ілесетін (ілеспе) және газ және газ-конденсатты кен орындарынан өндірілетін. Ілеспе газдар мөлшері үнемі мұнайдың 1 т-на келетін м³ өрнектейтін газ факторымен анықталады

Табиғи газдың басты бөлігі метан  болып табылады. Метаннан басқа, табиғи газ құрамына оның туыс гомологтары: этан, пропан, бутан енеді. Әртүрлі  кен орнының табиғи газының құрамы әртүрлі. Табиғи газдың орташа құрамы мынадай (%.көл. түрінде): метан – 80-97; этан – 0,5-4; пропан – 0,2-1,5; бутан – 0,1-1; пентан – 0-1. Ал қалған газдарға 2-ден 13 %. көлем тиеді. Газ-конденсатты кен орындарының газдарының құрамында метанмен қатар С₅  және одан да жоғары гомологтар мөлшері басым келеді. Бұл көмірсутектер шығарда қысымды төмендеткенде газдарды конденсациялайды да, сұйық фаза түзеді. Осы конденсатты алып тастаса құрамы табиғи газға жақын болады.

Көмірсутектерден басқа табиғи газ құрамында азот, оттегі, инертті  газдардың біршама мөлшері, көміртек диоксиді кездеседі. Мысалы, азот мөлшері 0-ден 30-50 %.көл, кейде басым бөлігін құрайды. Көміртек диоксидінің мөлшері 0-ден 10-15 %.көл. Күкіртсутек тікелей іліспе мұнай газдарында болады: оның мөлшері оннан бір бөліктен бастап 6 %.көл дейін кездеседі. Гелий мен аргон мөлшері көп емес, 0,1 %.көл дейін.

Метан мұнайда газ түрінде, ал оның гомологтары – ерітінді түрінде  болады. Кен орнында қысым жоғары болса, онда газ іс жүзінде метаннан тұрады, қысым төмендесе метан  гомологтарының мөлшері артады. Сондықтан  да мұнайы бар көкжиекті пайдалану  соңында мұнайдан сұйық көмірсутектер  мөлшері басым – газды бензин бар газ бөлінеді. Газды бензин мөлшеріне қарай құрғақ және майлы табиғи газдарға бөлінеді. Құрғақ газдарда газды бензин 100 г/м³-тен аспайды, ал 1 м³-та 100 г астам газды бензині барлар майлыларға жатады.

Табиғи газдың физикалық  қасиеттері

Табиғи газдың физикалық қасиеті  олардың құрамына байланысты, ал жалпы  алғанда қоспаның негізгі компонентті  ретінде метанның қасиетіне жақын.

Табиғи газдың молекуляр М массасы 16-20-ға тең және мына байланыс бойынша есептеледі:

М = _i=1ⁿ∑M_iy_i

Мұндағы: М_і – і-ші компаненттің молекуляр массасы, у_і – көлем бойынша компанент үлесі.

Табиғи газдың р тығыздығын өлшеумен немесе қоспаның молекуляр М массасын біле отырып анықтауға болады.

р = M/ V_m = M/ 24,05

Бұл жерде Vm – стандартты жағдайлар  кезіндегі газдың мольдық көлемі, м³; Әдетте 0,73 – 1 кг/м³ аралықта болады.

Есептеуде салыстырмалы тығыздығы  ∆ жиі қолданады, өйткені оның мәні қысым мен температураға  мүлдем байланысты емес. Салыстыру  ретінде ауаның тығыздығын р_в қабылдайды.

∆ = p/p_B = M/M_B

Газдың салыстырмалы тығыздығы 0,56- дан 1-ге дейін өзгереді. Жекелеген  компоненттердің көмірсутек газдарының метаннан басқасы, өлшемі бірден үлкен.

Газдын қозғалысына байланысты есептеу кезінде тұтқырлықты  қолданады. Қоспа тұтқырлығының  аналитикалық байланыстылығы қоспа  құрамына кіретін компоненттерге қарағанда  күрделі және жеткіліксіз дәл  емес. Осыган байланысты практикада тұтқырлықты  экспериментальды графиктер бойынша  анықтайды, сондайдың бірі суретте  келтірілген.

Табиғи газдың тұтқырлығы олардың  құрамына, температурасы мен қысымына байланысты болады. Қысымы жоғарлаған сайын газ тығыздығының өсуімен  қысым артады, ал төмен болған кезде  – азаяды. Қысымның өсуімен тұтқырлық көбейеді. Температура тұтқырлыққа әр түрлі әсер етеді: температура жоғарлаған сайын төменгі қысымда ол көбейеді, ал жоғары болған кезде – төмендейді. Айтылған қасиеттердін мазмұны газдың сұйық күйге жақындық дәрежесімен түсіндіріледі. Табиғи газдардың тұтқырлығы әдетте (1.1 – 1.6)*10^-5 Па*с құрайды.

Табиғи газдар, идеал газдардың  заңына, толық бағынбайды: ауытқу улкен  болған сайын, соған қарай газдың тығыздығы улкен болады да, температура  төмен болады. Қысым бірдей әсер етпейді. Қысым 0-ден 30-40 МПа дейін  өскенде ауытқулар да өседі, ал содан  кейін төмендейді. Әр турлі температуралар кезінде реал газдардың күйін суреттейтін көптеген формулалар белгілі. Олардың ішінде ең коп тарағаны Ван – дер – Вальстікі.

Табиғи  газдың жалпы әлемдік қоры шамамен 90 трлн.нм³ (65-70 млрд т) құрайды, яғни мұнайдың алынатын қорларымен (90-95 млрд.т) шамалас. Жыл сайынғы табиғи газдың тұтынылуы - шамамен 1800 млрд м³, соның ішінде Ресейде - 850 млрд м³ шамасында.

Табиғи  газдың ресейдегі ірі кен орындары қазіргі уақытта Батыс Сібірдің солтүстік аудандарында (Уренгой, Медвежье), Ямал жарты аралы, сондай-ақ Орынбор  облысы мен Каспий маңы айдандарында (Астрахань).

Жалпы айтқанда, газ және газ-конденсаттары кен  орындарының табиғи газдарының құрамын  метанның мөлшерінің жоғары (85-99% айн.), соған сәйкес жану жылуының жоғары болуы сипаттайды. Ауыр көмірсутектер (С₅ + жоғары) мөлшері онша жоғары емес (0.02-0,20% айн.), тек кейбір жағдайда ғана 1,5-4,0% айн. жетеді. Басым газдар құрамында бөгде қоспалар ретінде (1-5% айн.) көмірсутекті емес газдар және күкіртсутек болады. Осы бөгде қоспалардан басқа, табиғи газдар құрамында азғана мөлшерде күкірт-көміртекті (көміртектің күкіртті тотығы COS және күкіртсутек CS₂), сондай-ақ күкірт-органикалық қосылыстар (меркаптандар RSH, мұндағы R – көмірсутекті радикал) болады.

Табиғи  газдар құрамында көбінесе азғана мөлшерде күкіртсутек болады. Дегенмен, Орынбор, Қарашығанақ және Астрахань газконденсатты кен орындарының газдарында оның мөлшері жоғарылау (1,7-ден 14% айн. дейін). Бұл осы газдарды өндіру мен оларды өңдеуді қиындата түседі, бірақ та олар құнды және тапшы өнім –  күкіртті алу көзі болып табылады, оның астрахань газынан алу өндірісі әлемдегінің шамамен 5% құрайды.

Газконденсатты  кен орындарында газбен бірге  жер бетіне құрамында С₅Н₁₂-ден С₂₀Н₄₂ дейінгі көмірсутектері бар газды конденсат шығарылады. Газды конденсаттар көптеген жағдайларда 40-350°С температура аралығында қайнайды. Кейбір жағдайларда газ конденсаттары ауырлау – қайнаудың басталу температурасы 103-210°С, ал басқаларында – жеңілдеу, қайнаудың аяқталу температурасы 200-230°С-қа тең.

Газды конденсаттар көмірсуекті шикі заттың елеулі қоры болып табылады. Ресейде ХХІ ғасырдың басындағы жиынтық өндіру жылына 25-28 млн.т, яғни орта есеппен шамамен 1 нм³ өндірілетін газға 40 г құрайды.

Табиғиға  қарағанда мұнайлы (ілеспе) газдар құрамы күрделілеу: олардың көпшілігінің құрамында  гексаннан жоғары көмірсутектер  кездеседі. Осы газдардағы метан  мен этан үлесі 49% айн.нан (Ярин кен  орны) 87% айн.-ға (Самотлор кен орны) дейін  тербеледі, дегенмен осы екі көмірсутектің  жиынтығы 60-75% айн., ал пентаннан жоғары көмірсутектердің жиынтығы 1,5-нан 3,5% айн. дейінді құрайды. Пропан және одан жоғары көмірсутектер газдар үшін конденсацияланған  болып саналады және газдарды өңдегенде  шығарылып тасталынады. Мұнайлы  газдарда көмірсутектердің осы тобының  мөлшері 300-ден 1200 г/нм³ дейінді құрайды, ал табиғи газдарда – негізінен 20-ден 100 г/нм³ дейін кездеседі.

Мұнайлы және табиғи газдар құрамында да азот, көміртек диоксиді, сондай-ақ күкіртсутек  болады.

Газдарды  дайындау мен өңдеудің схеманы таңдау мен кен орындарды одан әрі  пайдалануға елеулі әсер ететін атап көрсететін бірқатар ерекшеліктері  бар, олардың ішінде мыналарды бөліп  көрсетуге болады:

• пайдалану уақытында қабаттағы қысымды азайту оны дайындау қондырғысына енердегі шикі газ қысымын төмендетеді, қажетті қысымды ұстап тұру үшін кейде қосалқы құрал-жабдықты (қысатын компрессорлар, сораптар, сепараторлар) орнатуға тура келеді;
• қабаттағы қысым төмендеу барысында конденсаттың шығымы едәуір кемиді, конденсатта қайнау басталуы 180°С фракция үлесі кемиді;
• кен орнын пайдалану барысында шикі газ бен конденсат құрамының өзгеруі нәтижесінде негізгі аппараттардағы материалдық ағымдар және соған сәйкес олардағы технологиялық режим (қысым, температура) өзгереді.

Көрсетілген айырмашылықтарды, сондай-ақ көмірсутектер  мен бөгде қоспалар бойынша табиғи газдар құрамының алуан түрлілігін ескеріп схема мен өңдеу технологиясын таңдау – күрделі әрі қиын мәселе. Мұндай таңдау әдетте үлкен техника-экономикалық жұмыс жүргізу нәтижесі болып табылады. Дегенмен, осы схемалардың жалпы принципі олардың сатылылығы болып саналады.

Бірінші сатысында шикі газ ұңғымалардан газды кешенді дайындау қондырғысына (ГКДҚ), ол жерде газдан механикалық  қоспаларды бөледі және кептіреді. Екіншісінде  – газ құрамынан зиянды (күкіртті қосылыстар) және жағымсыз (азот, көміртек диоксиді, ылғал) бөгде қоспалар, газ  конденсаты (пропаннан жоғары көмірсутектерді) бөліп алу және құрғақ газдан гелийді  алу (яғни құрамында ылғал мен  бөгде қоспалар жоқ газды) технологиялық  қондырғылары кешені арқылы өтеді. Тұрақтандыру қондырғысында конденсаттан жеңіл  көмірсутектердің кең фракциясын (ЖККФ) мен газды бензинді бөліп алады.

Схеманы таңдаудың негізгі қиындықтары  екінші сатымен анықталады, онда технологиялық  сатылар реті келесі жайттармен анықталады:

• бастапқы газ құрамымен;
• оны өңдеудің соңғы өнімдер сапасы мен ассортиментіне қойылатын талаптармен;
• энергия шығындарын минимумға жеткізу талаптарымен;
• бастапқы газ мөлшері мен құрамы өзгеруі байланысты тұрақты жұмыс диапазонының кеңдігімен.

Ілеспе  мұнай газдарын өңдегенде схемаға  мұнайдан газды бөліп алу мен  мұнайды тасымалдауға дайындау қондырғылары енеді.

Тазарту мен өңдеу процестерінің негізгі  тобына енеді:

• конденсатты сепарациялау (ұңғымадан газбен шығарылатын сұйық фазаны бөліп алу);
• тамшылы сұйықты сепарациялау;
• зиянды бөгде қоспаларды (көмір қышқыл газы мен күкіртсутекті) бөліп алу;
• шық нүктесі температурасы минус 30°С және одан да төменге дейін газды терең кептіру;
• газды бензинсіздендіру (одан пропаннан жоғары көмірсутектерді шығарып тастау);
• гелийді бөліп алу.

Өңдеу процесінде газдан бөлінетін өнімдерді өңдеу (обработка) мен утилизациялау процестерінің  тобына газды конденсаттан су мен  бөгде қоспаларды бөлу және одан әрі  оны тұрақтандыру мен өңдеу.

Күкіртсутекті әдетте жергілікті орнында қарапайым  күкіртті алу мақсатында өңдейді.

Пропаннан ауыр көмірсутектер ЖККФ мен тұрақты  газды бензинді алу үшін фракциялау қондырғысында бөлінеді.

Табиғи  мен мұнайлы газдарды өңдеу өнімдері мыналар болып табылады:

• газ өнеркәсібі мен тұрмыстық отын ретінде газ құбырлары бойымен бағытталатын тауарлық табиғи газ;
• өңдеу процесінде газ құрамынан бөлінетін ЖККФ;
• сұйылтылған газ (ЖККФ бөлінетін С₃ пен С₄ көмірсутектер концентраты);
• газды конденсат;
• гелий;
• одорант – табиғи газдан бөлінетін және газ жүйелерінде газды иістендіруге қолданылатын күшті иісі бар зат (меркаптандар қоспасы), өйткені табиғи газдың мүлдем иісі жоқ.

Табиғи  газдарды өңдеу процесінде бөлінетін  ЖККФ сығылған газ бен газды бензин (С₅ және одан да жоғары көмірсутектер) алуға арналған бастапқы өнім болып табылады.

ЖККФ  қалдық фракциясы – құрамында  негізінен пентан және одан да жоғары көмірсутектер бар газды бензин. Оған келесі екі көрсеткіш норма  болып бекітілген – қайнаудың  басталу температурасы (30°С төмен емес) және онда жеңіл көмірсутектердің болуын сипаттайтын қаныққан булар қысымы (жазда 67 кПа және қыста 93 кПа аспайды). Жазда төмендеу болуы цистернада қауіпсіз тасымалдауға байланысты. Жоғарылау қысым цистернаның зақымдануына, сондай-ақ өнімнің өртке және жарылуға қаупті болуына апарып соғады.

Газды бензин одарантты – жеңіл меркаптандар концентратын алу көзі болып табылады. Мысалы, Оренбург газ өңдеу зауытында  бұл концентрант құрамында спиртке  ұқсас күкірті бар қосылыстар болады, % мас.: этантиол -34; 2-пропантиол – 42; 1-пропантиол – 10; 2-бутантиол – 14.