Tehniki fakultet Mihajlo Pupin u Zrenjaninu Industrijsko inenjerstvo

Tehnički fakultet „Mihajlo Pupin“ u Zrenjaninu Industrijsko inženjerstvo u eksploataciji nafte i gasa Osnove tehnologije i tehnološki kompleksi (koji su uključeni u struku) 4. Prirodni gas Predavanja: Doc. dr. sc. Radoslav D. Mićić 1 rmicic@beotel. rs

Šta je prirodni gas �Pirodni gas je najčistije fosilno gorivo, koje se sastoji se uglavnom od metana (CH 4) koji je najjednostavniji ugljovodonik i težih složenijih ugljovodonika kao što su etan (C 2 H 6), propan (C 3 H 8) i butan (C 4 H 10). � Glavni i najkorisniji konstituenti prirodnih naftnih gasova su parafinski ugljovodonici (alkani) najnižih molekulskih masa. � Sporedne komponente ili prateće primese, mogu biti gasoviti neugljovodonici različitih struktura i osobina. Njihova masena zastupljenost može da varira u dosta širokim granicama. 2

Теrminologija �Na 11. Svetskom kongresu za naftu i gas, 1983. god. u Londonu, imenovana Studijska grupa predložila je univerzalni nomenklaturni sistem. Za sve prirodne mešavine ugljovodonika koje se nalaze u podzemnim ležištima, u različitim geološkim strukturama i na različitim dubinama, bez obzira na agregatno stanje, usvojen je opšti naziv petroleum. Shodno tome prirodni naftni gas (Natural Gas) gasoviti deo petroleuma. 3

�U zapadnoj stručnoj literaturi koriste se i dodatni nazivi kojima se bliže ukazuje na osobine PNG, zavisno od tipa ležišta i od stepena obrade, odnosno, od pripreme za upotrebu. Evo nekih od tih naziva. : �Natural Gas (NG) - prirodni naftni gas (PNG) - naziv je za onaj deo petroleuma koji se u prirodnim podzemnim rezervoarima, u ležišnim uslovima, (pri određenom pritisku i određenoj temperaturi) nalazi u gasovitom stanju i koji u takvom stanju ostaje i po izlasku iz bušotine, tj. pri atmosferskom pritisku i na temperaturi okoline. Uz to treba reći da, zavisno ot tipa ležišta, deo PNG može biti rastvoren u sirovoj nafti. 4

�Non Associated Gas - naziv je za prirodni naftni gas iz izolovanog gasnog ležišta, koji nije u kontaktu sa tečnom naftom. Associated Gas – Gas Cap i Solution Gas - naziv je za prirodni naftni gas koji je u ležištu u kontaktu sa tečnom naftom i koji je delom rastvoren u njoj, što zavisi od ležišnih uslova. Raw Natural Gas - naziv je za sirovi PNG, kakav je izašao iz bušotine i koji nije oslobođen eventualno prisutnih - azota, ugljendioksida, vodoniksulfida i drugih nečistoća i primesa. 5

�Marketable natural Gas - naziv je za PNG koji je oslobođen štetnih primesa i pripremljen za upotrebu u domaćinstvu ili u industriji. �Wet (Rich) Gas - naziv je za "vlažni" ili masni PNG koji, osim metana, sadrži i određene komercijalne količine ugljovodonika viših molekulskih masa. �Dry (Lean) Gas - naziv je za "suv“ ili "mršavi“ PNG, koji se pretežno sastoji od metana i ne sadrži komercijalne količine ugljovodonika viših molekulskih masa. 6

�Sweet Natural Gas - naziv je za PNG koji ne sadrži jedinjenja sumpora. �Sour Natural Gas - naziv je za PNG koji sadrži veće količine kiselih jedinjenja sumpora ili ugljendioksida. �Liquefield Natural Gas (LNG)- naziv je za tečni PNG (tečni prirodni naftni gas - TPNG), koji se posebnim postupkom (likvefakcijom) prevodi u tečno stanje. U novije vreme TPNG se sve više transportuje specijalnim brodovima - tankerima. 7

Liquefield Petroleum Gas (LPG)- naziv je za tečni naftni gas -TNG. To je obično mešavina propana i butana u tečnom stanju, može sadržati i nešto propena i butena, ako im se dodaju i olefini iz rafinerijskih procesa. Koristi se kao gorivo za domaćinstvo i u industriji, a u novije vreme i kao gorivo za*pogon motora SUS. Condensate - кондензат - naziv je za laki prirodni gazolin koji se dobija iz tzv. gasno-kondenzatnih ležišta. On sadrži visok procenat pentana i viših ugljovodonika. Pošto kao takav nije pogodan za proizvodnju motornih benzina, njime se obično obogaćuje sirova nafta, koja se prodaje po višoj ceni. 8

Podela po nastanku �U grupu gasovitih goriva naftnog porekla spadaju naftni gasovi - prirodni i rafinerijski. Prirodni naftni gasovi (Natural gas NG), po novoj definiciji nazvani Gasoviti petroleum, dobijajaju se iz gasnih, gasno-kondenzatnih i gasno-naftnih ležišta (bušotina). Rafinerijski gasovi sporedni su proizvodi atmosferske destilacije nafte i niza procesa termičke i katalitičke prerade različitih naftnih frakcia. 9

Gde se koristi? �Sve više se koriste kao gasovito gorivo ali i kao sirovine za hemijsku i petrohemijsku industriju. �U drugoj polovini 20 veka i prirodni naftni gasovi prevode se u tečno stanje (Liquefied Natural Gas LNG). To se čini zbog transporta do udaljenih potrošača specijalnim brodovima - cisternama, koji ga uglavnom koriste kao gorivo ili kao petrohemijsku sirovinu, a u novije vreme i za pogon motora SUS. 10

Prednosti �Potpunije sagorevaju od tečnih goriva naftnog porekla i od ugljeva. �Iskorišćenje energije znatno je bolje. �Budući da su očišćeni od neželjenih primesa i kontaminanata i da ne sadrže vodoniksulfid i merkaptane, ekološki su prihvatljiviji od drugih goriva. 11

Nedostaci �Podrazumeva izgradnju gasovodne i distributivne mreže, kao i odgovarajuće instalacije. To utiče na cenu gasa. �Jedan od nedostataka PNG je skuplji transport u poređenju sa ugljem, naftom i derivatima nafte. �Drugi nedostatak PNG u poređenju sa tečnim naftnim gorivima je što bi se kod motornih vozila morali koristiti veliki i specijalni rezervoari. 12

Podela prema prirodi ležišta 1. U prirodi postoje tri tipa ležišta: izolovana gasna, gasno- naftna gasno-kondenzatna 2. Podela: ležišta suvog gasa, vlažnog gasa, gasnog kondenzata i isparive nafte. Nekada je teško razlikovati gasno- kondenzatna ležišta od ležišta vlažnoga gasa, a naročito od ležišta isparive nafte. Stoga je prva podela možda i jednostavnija i prirodnija 13

Izolovana gasna ležišta U izolovanim gasnim ležištima nalazi se tzv. suvi ili siromašni PNG bez viših ugljovodonika. Te vrste nalazišta obično nisu u neposrednoj vezi sa naftom. Od ugljovodonika u njima dominatan je metan, a etan, propan i butani, nalaze se u promenljivim i uglavnom malim količinama. Pritisak u takvim ležištima može biti i do 100 bara (10 MPa). 14

Gasno-naftna ležišta �U ležištima ovoga tipa PNG je u kontaktu sa naftom. �Pored metana u takvom gasu nalaze se znatno veće količine etana, propana i butana, pa i viših ugljovodonika. �Zbog toga je uslovno nazvan "vlažnim", bogatim ili masnim naftnim gasom naftnog porekla. 15

Gasno-naftna ležišta Kod gasno-naftnih ležišta postoje dve mogućnosti: Da gas prati naftu ili da nafta prati gas. U oba slučaja deo gasa je rastvoren u nafti, a slobodni deo se nalazi iznad nje u tzv. gasnoj kapi. Taj deo svrstava se u grupu prirodnih naftnih gasova, a deo gasa koji se nalazi rastvoren u nafti, naziva se pratećim ili kaptažnim naftnim gasom 16

Hemijski sastav naftno-kaptažnih gasova Pod pojmom prateći ili kaptažni naftni gas podrazumeva se samo onaj deo gasa u gasnonaftnom ili naftnom ležištu koji je rastvoren u nafti i koji se iz nje mora izdvojiti posebnim tretmanom po izlasku iz bušotine. Na taj način se nestabilna nafta stabilizuje i priprema za bezbedniji transport. 17

Sastav kaptažnog gasa Gasovi oslobođeni iz nafte ne razlikuju se od prirodnih po vrsti prisutnih ugljovodnika, već samo po njihovom sadržaju. Sadržaj metana u kaptažnim gasovima može da se kreće u granicama od 30 do 60%, ređe iznad toga, Znatno viši sadržaji: etana 5 -14%, Propana 3 - 18%, butana 2 -8%, a viših ugljovodonika može biti u granicama 1 - 6%. Zbog toga se kaptažni gasovi svrstavaju u grupu bogatih ili masnih. 18

Za razliku od većine PNG, u kojima sadržaj benzinskih para može biti u granicama 50 -100 g/m 3 gasa, u kaptažnim se može naći i preko 750 g/m 3. Istraživanjima je utvrđeno da hemijski sastav kaptažnih gasova zavisi od starosti i sastava kolektorskih stena ali i od dubine naftnog ležišta. Iz gornjih horizonata npr. dobijaju se siromašniji gasovi, a iz dubljih ležišta gasovi su bogatiji višim ugljovodonicima. Međutim, zanimljivo je i teško objašnjivo to što ovi gasovi sadrže veće količine CO 2 i N 2 19

Gasni faktor Određuje se za svako naftno-gasno ležište On je definisan brojem standardnih kubnih metara gasa ( Sm 3) koji se mogu dobiti iz jednog kubnog metra tečnosti (nafte ili kondenzata) Izražava se kao Sm 3/m 3. Sm 3 oznaka je za kubni metar gasa pri atmosferskom pritisku i na 15°C. Zavisi od uslova u ležištu i od stepena promena koje su se dešavale tokom geneze i migracije, 20

Veličina gasnog faktora �Veličina gasnog faktora može da varira u širokim granicama. �od 900 do 18. 000 Sm 3/m 3 kod gasno- kondenzatnih ležišta �od 5 do 500 Sm 3/m 3 kod gasno-naftnih �ispod 20 Sm 3/m 3 kod ležišta teških nafti. 21

Vrednost gasnog faktora Visoke karakteristično su za ležišta jako transformisane parafinske nafte, Niske vrednosti za manje transformisane naftenske nafte. Gasni faktor opada tokom eksploatacije ležišta srazmerno stepenu iskorišćenja. 22

Fizičke i termodinamičke osobine fluida Najvažnije osobine su: 1. gustina, 2. kompresibilnost 3. viskoznost 23

Od čega zavise fizičke i termodinamičke osobine fluida Zavise od PVT uslova, tj. od odnosa pritiska, zapremine i temperature gasa. 24

Fizičke osobine prirodnih naftnih gasova GUSTINA: �Gustina naftnih gasova definiše se kao broj kilograma gasa u m 3 ili grama u litru, merena na 15°C i pritisku od 1 bara (neki računaju sa 1, 01325 bara). 25

Gustina (ρ) Fizičke veličine Gustina Физичке величине Густина Dimenzije М∙L-3 Јеdinice kg∙m-3, g∙cm-3 Димензије Јединице М∙L-3 kg∙m-3, g∙cm-3 26

Budući da je molarna zapremina, Vm, definisana kao: i uzevši u obzir da je m = n. M, dobija se da je 27

Gustina gasne smeše prirodnog gasa(ρsm) ri – zapreminski udeo gasa i u gasnoj smeši Za gasne smeše ri = yi yi – molski udeo gasa i u gasnoj smeši 28

Određivanje gustine idealne gasne smeše preko zapreminskih udela i gustine komponenata gi– maseni udeo gasa i u gasnoj smeši 29

Određivanje gustine idealne gasne smeše preko masenih udela i gustine komponenata 30

Msm – molarna masa smeše gasova Molarna masa M = m / n, kg/mol Msm – molarna masa smeše gasova 31

Parcijalni pritisak p. A=p·y. A p. A = parcijalni pritisak komponente А u smeši gasova, p = ukupni pritisak gasne smeše, y. А= molski udeo komponenti A u gasnoj smeši. p. A+p. B+p. C+. . . =p=p*(y. A+y. B+y. C+. . . ) 1 Daltonov zakon 32

Određivanje fizičkih karakteristika gasova Algebarske relacije izmenu pritiska, temperature i molarne zapremine nazivaju se jednačine stanja. Postoji više klasa jednačina stanja, a osnovna razlika menu njima je složenost proračuna koju nameće izraz, kvalitet rezultata na visokim pritiscima i primenljivost na tečnosti i na polarne molekule. Istorijski posmatrano, jednačine stanja su se prvobitno koristile za opisivanje ponašanja supstanci u parnoj fazi, da bi se u skorije vreme počele koristiti i za tečnosti. 33

Određivanje fizičkih karakteristika gasova Poželjno bi bilo da jednačina stanja može istovremeno da se koristi za opisivanje PVT ponašanja i u parnoj i u tečnoj fazi, da se njena upotreba može proširiti i na smeše, odnosno da se tačno mogu proračunati entalpije smeše i dobiti podaci o ravnoteži faza, a da sve to ne podrazumeva jako zahtevne proračune. Sve osobine za sada nije moguće spojiti u jednoj jednačini stanja. Za izračunavanje zapremina/gustina tečnosti preporučuju se korelacije koje su namenjene samo za tečnosti. 34

Određivanje fizičkih karakteristika gasova Jednačine stanja su određeni izrazi bazirani na sledećoj funkcionalnoj jednačini: Ukoliko se bilo koje 3 veličine iz grupe (p, T, V, n) fiksiraju, četvrta se može izračunati. Tri veličine su međusobno nezavisne. Jednačina stanja koja ima najopštiji oblik je: B, C, D –redom, drugi, treći i četvrti virijalni koeficijent (zavise od temperature i ne zavise od pritiska). Ako se virijalna jednačina primenjuje za gasne smeše, tada B, C i D zavise od temperature i od sastava gasne smeše. 35

Gustina gasa za idealne gasove Već je rečeno da se gustina gasa za idealne gasove može odrediti jednačinom idealnog gasnog stanja: Pošto je molarna zapremina: Zamenom se dobija: 36

Molarna zapremina idealnog gasa • Vm = 8. 3145 × 273. 15 / 101. 325 = 22. 414 m 3/kmol na 0 °C i 101. 325 k. Pa • Vm = 8. 3145 × 273. 15 / 100. 000 = 22. 711 m 3/kmol na 0 °C i 100 k. Pa • Vm = 8. 3145 × 298. 15 / 101. 325 = 24. 466 m 3/kmol na 25 °C i 101. 325 k. Pa • Vm = 8. 3145 × 298. 15 / 100. 000 = 24. 790 m 3/kmol na 25 °C i 100 k. Pa 37