Природный (нефтяной) газ

вид топлива и, одновременно, сырье состоящее из метана и других легких насыщенных углеводородов. Главные составные части природного газа – метан, этан, пропан и бутан.

Газ как топливо имеет важные преимущества перед нефтью и, тем более, углем: у него высокая теплотворная способность, с помощью системы газопроводов его можно подвести к любому потребителю, при горении природного газа не остается золы. Важно отметить, что природный газ является более чистым топливом по сравнению с мазутом и углем.

Природный газ называется «сухим», если почти не содержит бензина (менее 1 л на 25 м³ газа). «Жирный» газ может содержать бензина в 10 раз больше. Смесь жидких углеродов может быть получена как путем сжатия и охлаждения газа, так и путем его абсорбции нефтью. Полученные жидкости называются сжиженным нефтяным газом (газоконденсатом) и имеют разнообразное применение.

Газ имеет важное значение в топливно-энергетическом балансе, но все большая его часть идет на химическую переработку. Поэтому все более возрастает роль газохимии, которая в последние десятилетия стала самостоятельной отраслью промышленности, потеснив нефтехимию.

Газохимия

отрасль промышленности, включающая процессы переработки природного, попутного и технологических газов.

Основной компонент природного газа – метан. В различных месторождениях содержание метана в природном газе может меняться от 70 до 99%. Обычно природный газ содержит гомологи метана: этан, пропан, бутаны и небольшие количества более тяжелых углеводородов. Очень часто газ содержит сероводород или его органические производные – меркаптаны. Кроме того, в составе газа встречается азот, диоксид углерода, гелий.

Состав газа специфичен для каждого месторождения. Важнейшей особенностью природного и попутного (т.е сопровождающего нефть) газов является принадлежность их углеводородов к классу алканов, т.е. наименее реакционно-способных углеводородов. Это обстоятельство затрудняет химическую переработку газа.

Первая стадия обработки извлеченного из недр газа – осушка. В газоносных пластах всегда содержится влага, которая уносится вместе с отбираемым газом. Водяные пары в газе препятствуют многим последующим технологическим операциям транспорту газа по трубопроводам. В основе осушки газа лежат такие процессы как абсорбция специальными жидкостями (гликолями), адсорбция твердыми поглотителями, дросселирование.

Если в газе есть соединения серы, то его нужно как можно полнее освободить от них, так как сероводород и меркаптаны вызывают интенсивную коррозию трубопроводов, обуславливают появление диоксида серы при сжигании газа, отравляют катализаторы химической переработки газа. Для очистки природного газа от сероводорода наиболее широко применяют процесс Клауса:SO₂ + 2H₂S = 3S + 2H₂O.

Это позволяет не только избавиться от сероводорода, но и получить серу сырье для производства серной кислоты. Суть процесса Клауса состоит в том, что часть сероводорода окисляют до диоксида серы, который затем реагирует с сероводородом. Эта реакция протекает при нагревании в присутствии катализатора на основе железа.

Основные направления химических превращений алканов, входящих в состав природного и попутного газов.

Метан

Газ, основное промышленное сырье для производства водорода. Более 3/4 всего используемого в промышленности водорода получают методом паровой каталитической конверсии метана:CH₄ + H₂O = CO + 3H₂.

По одному из способов процесс ведут в трубчатых печах в присутствии алюмоникелевого катализатора при температуре 370–450° C и давлении 20 атм.

Половина получаемого из природного газа водорода идет на производство аммиака, поэтому крупнотоннажный синтез аммиака (а вместе с ним и получение минеральных удобрений, азотной кислоты, красителей, взрывчатых веществ) немыслим без природного газа.

Смесь СО и Н₂ называют синтез-газом, так как она используется в производствах органического синтеза, в первую очередь, метанола:СО + 2Н₂ = СН₃ОН.

Не менее 2/3 метанола в промышленности получают по этой схеме. Синтез-газ применяют и для получения высших спиртов.

Этан

Если природный газ содержит не менее 3% этана, из него выгодно получать этилен. Этилен из этана получают в трубчатых печах, нагретых до 850° С. При такой температуре происходит дегидрирование этана и образуется С₂Н₄ с выходом 70%.

Этилен служит сырьем для производства разнообразных полимерных изделий и полупродуктом в различных органических синтезах.

Пропан, бутаны и пентаны

Эти предельные углеводороды дегидрируют с получением соответствующих олефинов – сырья для полимеризации. Чтобы выделить из природного газа этановую, пропановую или более тяжелые фракции, газ подвергают низкотемпературной ректификации. Эта технологическая операция позволяет также сконцентрировать гелий, содержащийся в некоторых природных газах.

Гелий

используется во многих областях современной техники: системах глубокого охлаждения, при создании защитных атмосфер, специальных дыхательных смесей. Широко используется гелий в научных лабораториях. Без него невозможна постановка многих физических и физико-химических экспериментов.

Важнейшая научная проблема газохимии – изыскание катализаторов, позволяющих избирательно и с высоким выходом превращать низшие алканы, в первую очередь, метан, в целевой продукт. Сегодня это делают через синтез-газ, который затем превращают в метанол или другие спирты. Во многих лабораториях мира проводятся интенсивные исследования, направленные на выявление эффективных катализаторов для процессов глубокой переработки алканов. Большое значение имеет и замена пиролитических процессов переработки газа каталитическими.