Большая энциклопедия нефти и газа. Исследование состава синтетических гидратов метана, этана полученных в установках закрытого типа

Cтраница 1

Гидрат метана впервые был получен в 1888 г. при максимальной температуре составляющей 21 5 С.  

Гидраты метана и азота могут существовать при температурах значительно выше 0 С. Углекислый газ, этан и особенно сероводород, согласно рис. 3, образуют гидраты еще легче. Так, сероводород может образовывать гидраты при давлении всего в 8 8 кгс / см2 при температуре 21 1 С.  

Кривые образования гидратов в зависимости от изменения в их.| Кривые образования гидратов в зависимости от изменения в их составе количества пропана.

Гидрат метана впервые был получен в 1888 г. при максимальной температуре, равной 21 5 С.  

Гидрат метана, имеющий химическую формулу СН4 7Н2О, содержит в 1 м3 112 8 кг метана и 887 2 кг воды, причем объем этого гидрата в 180 раз меньше объема газообразного метана.  

Гидрат метана (СН4) впервые был получен в 1888 г. Максимальная температура, при которой удалось получить гидрат, равнялась 21 5 С.  

Известно, что гидрат метана образуется достаточно быстро из ледяной пыли с размером частиц не более 0 2 мм. Увеличение диаметра частиц свыше этого значения сильно снижает скорость формирования гидратов.  

Температура и давление разложения кристаллов гидрата метана (создающих иногда технические трудности, так как они закупоривают трубы) равны соответственно - 29 и 26 атм.  

Печально известно образование клатрата состава гидрата метана, приводящее к аварийным закупоркам газопроводов. Гидрат метана образуется при вымораживании влаги во время сильных морозов. Давление перекачивания газа 2 6 МПа и температура - 29 С соответствуют условиям этого превращения.  

Условие задачи

По оценкам геологов запасы природного газа в виде гидратов метана в земной коре намного превышают его запасы в свободном состоянии.

Предложите экономически эффективный способ добычи природного газа из газогидратных месторождений.

Введение

Как известно, основным компонентом природного газа является метан, использование которого в качестве энергоносителя покрывает около четверти мировой потребности в энергии. Также метан в качестве исходного сырья лежит в основе крупнотоннажного синтеза ряда важнейших органических соединений. Так, получение ацетилена из метана является первой стадией при производстве этанола, уксусной кислоты, винилхлорида и различных пластических масс.

Запасы гидрата метана на Земле по ориентировочным оценкам составляют не менее 250 триллионов кубических метров. Основные месторождения находятся в зонах вечной мерзлоты на суше и под морским дном (примерно на глубине 2 км под землёй).

Рис. 1

Композиционные материалы (КМ) находят широкое применение в современном мире. Разнообразие данных материалов и их широкое использование в самых различных отраслях обусловлены уникальными свойствами таких материалов. Одним из таких свойств является необычайно высокая механическая прочность композитов. Значительное применение так называемые волокнистые композиционные материалы, т.е. материалы, армированные высокопрочными непрерывными волокнами.

Уже существуют экспериментальные установки по добыче гидрата метана на Аляске (США) и под дном океана недалеко от полуострова Ацуми (Япония). Также в СССР велась успешная эксплуатация Мессояхского месторождения газовых гидратов, залегающих под вечной мерзлотой в Западной Сибири. Можно выделить следующие сложности при разработке вышеназванных месторождений:

– чувствительность газогидратов даже к небольшим изменениям термобарических условий, что при неосторожной работе может привести к выделению в атмосферу большого количества метана;

– добыча газа из подводного слоя газогидратов может дестабилизировать морское дно, привести к изменениям донного рельефа и образованию цунами;

Структура и свойства гидрата метана

Сущность любого газового гидрата – это включение молекулы газа в полости твёрдого каркаса, составленного из молекул воды без химического взаимодействия с ними (рис. 2). Элементарная ячейка гидрата метана состоит из двух додекаэдров и шести тетрадекаэдров, образованных молекулами воды, внутри которых располагаются молекулы метана (рис. 3). Состав элементарной ячейки можно выразить формулой СН 4 ∙nН 2 О (в среднем n=5,75). Естественно, что твёрдые водные каркасы возможны только при низких температурах и высоких давлениях, так что при атмосферном давлении гидрат метана устойчив ниже -80ºC, а при 0ºC – при давлениях свыше 10 атм (рис. 4).

Природный газ (метан) рассматривается экологами как одно из перспективных моторных топлив. Его преимуществами по сравнению с нефтяным топливом являются высокое октановое число (120), способность обеспечивать устойчивое сгорание на более «бедных» топливовоздушных смесях и более высокое соотношение водород-углерод (4:1). Поэтому при сгорании метана образуется примерно на 10 % меньше диоксида углерода (СО 2). Однако метан считается «парниковым» газом, влияющим на климат. При его сгорании практически не выделяются углеводороды, участвующие в реакциях образования озона в атмосфере. Однако запасы природного газа, как и нефти не безграничны.

Несмотря на развитие альтернативных источников энергии, ископаемые виды топлива по-прежнему сохраняют и, в обозримом будущем, будут сохранять главную роль в топливном балансе планеты. По прогнозам экспертов, потребление энергоресурсов в ближайшие 30 лет на Земле возрастет наполовину. Продуктивность известных месторождений углеводородов снижается, новые крупные месторождения открываются все реже, а использование угля наносит ущерб экологии. Поэтому скудеющие запасы обычных углеводородов нужно чем-то компенсировать.

Свойства гидрата метана

Среди перспективных новых видов углеводородного сырья ученые выделяют гидрат метана, запасы которого на планете, по ориентировочным оценкам, составляют не менее 250 триллионов кубических метров (по энергетической ценности это в 2 раза больше ценности всех имеющихся на планете запасов нефти, угля и газа вместе взятых).

Гидрат метана — это супрамолекулярное соединение метана с водой, образующееся при низкой температуре и высоком давлении. Вокруг молекулы метана образуется решетка молекул воды (льда). Обычно залегает под слоем вечной мерзлоты или глубоко на дне океана. Внешне гидрат метана похож на лед или рыхлый снег. Соединение устойчиво при низкой температуре и повышенном давлении. Например, гидрат метана стабилен при температуре 0°C и давлении порядка 25 бар и выше.

Такое давление имеет место на глубине океана около 250 м. При атмосферном давлении гидрат метана сохраняет устойчивость при температуре -80°C. Если гидрат метана нагревается, либо повышается давление, соединение распадается на воду и природный газ (метан). Если при этом поднести огонь, гидрат метана будет гореть. Поэтому его иногда называют «горящий лед». Из одного кубического метра гидрата метана при нормальном атмосферном давлении можно получить 164 кубических метра природного газа. Самые большие запасы гидрата метана обнаружены в районах вечной мерзлоты и в океанских приполярных областях.

Добыча гидрата метана

Полномасштабная добыча этого ценного сырья сдерживается трудностями технологического характера. Свойство газовых гидратов при относительно небольших давлениях концентрировать значительные объемы газа привлекает внимание специалистов длительное время. Исследования по добыче, хранению и транспорту природного газа в гидратном состоянии появились ещё в 40-х годах ХХ века. Предварительные экономические расчеты показали, что наиболее эффективным является морской транспорт газа в гидратном состоянии, причем дополнительный экономический эффект может быть достигнут при одновременной реализации потребителям транспортируемого газа и чистой воды, остающейся после разложения гидрата (при образовании газогидратов вода очищается от примесей).

Научное изучение гидрата метана набрало обороты за последние десять лет. Недавние исследования в США привели к крупным шагам вперед в понимании внутренних ресурсов гидрата метана. Между тем, международные усилия в Японии, Индии и других странах, помогли определить глобальный ресурс гидратов.

Перспективы промышленного использования

В марте 2014 года Япония впервые в мировой практике осуществила добычу природного газа из слоя гидрата метана, находящегося в шельфе полуострова Ацуми, на расстоянии 330 метров от поверхности океанского дна, на глубине примерно 1000 метров. Запасов гидрата метана в тех краях, по оценкам японского Агентства природных ресурсов, хватит примерно на 14 лет.

Японские власти надеются наладить промышленную добычу газа из гидрата метана уже через пять лет. До этого газогидраты добывали только на суше, но технология добычи была нерентабельна. Чтобы добыть такой газ со дна океана, нужны были новые технологии, не применявшиеся ранее нигде. Их и разработали японцы. Пока построено только два промышленных экспериментальных завода.