گاز چیست و چگونه به وجود می آید؟
گاز یکی از حالتهای اصلی ماده است. مواد معمولاً در سه حالت جامد، مایع و گاز دیده میشوند. تفاوت این حالتها به نحوه قرارگیری و حرکت ذرات مربوط است.
در حالت گازی، ذرات فاصله زیادی از یکدیگر دارند. همچنین آزادانه حرکت میکنند. به همین دلیل، گاز شکل و حجم ثابتی ندارد. گاز میتواند فضای موجود را پر کند و با تغییر فشار و دما، منبسط یا متراکم شود.
گازها در طبیعت و صنعت کاربردهای بسیار زیادی دارند. گاز طبیعی نیز یکی از مهمترین منابع انرژی و مواد اولیه در صنعت نفت، گاز و پتروشیمی است.
گاز چگونه به وجود می آید؟
گازها میتوانند از روشهای مختلفی ایجاد شوند. این روشها به نوع گاز و شرایط محیطی بستگی دارند.
۱. تبخیر
وقتی یک مایع انرژی حرارتی دریافت میکند، بخشی از مولکولهای آن میتوانند از سطح مایع جدا شوند. در نتیجه، ماده وارد حالت گازی میشود.
به این فرآیند تبخیر گفته میشود. برای مثال، آب در اثر دریافت گرما به بخار آب تبدیل میشود.
۲. تصعید
برخی مواد جامد میتوانند بدون تبدیل شدن به مایع، مستقیماً به گاز تبدیل شوند. این فرآیند تصعید نام دارد.
یخ خشک نمونه شناختهشدهای از این فرآیند است. یخ خشک از دیاکسید کربن جامد تشکیل شده است.
۳. واکنشهای شیمیایی
برخی واکنشهای شیمیایی باعث تولید گاز میشوند. برای مثال، واکنش برخی اسیدها با کربناتها میتواند گاز دیاکسید کربن تولید کند.
همچنین، سوختن مواد هیدروکربنی معمولاً باعث تولید دیاکسید کربن و بخار آب میشود.
۴. تجزیه مواد
برخی ترکیبات در اثر حرارت یا واکنشهای شیمیایی تجزیه میشوند. در این فرآیند ممکن است یک یا چند نوع گاز تولید شود.
تجزیه مواد آلی نیز میتواند در شرایط مناسب باعث تشکیل گازهایی مانند متان شود.
۵. استخراج از منابع طبیعی
بعضی گازها به صورت طبیعی در زیر زمین وجود دارند. گاز طبیعی مهمترین نمونه در این گروه است.
این گاز از مخازن زیرزمینی استخراج میشود و پس از فرآورش، برای مصارف مختلف مورد استفاده قرار میگیرد.
نمونههایی از گازها
گازها انواع مختلفی دارند. برخی از مهمترین آنها عبارتاند از:
- بخار آب: حاصل تبخیر و جوشیدن آب
- اکسیژن: تولیدشده در فرآیندهایی مانند فتوسنتز
- دیاکسید کربن: حاصل تنفس، احتراق و برخی واکنشهای شیمیایی
- متان: مهمترین جزء گاز طبیعی
- هیدروژن: قابل تولید از روشهایی مانند الکترولیز آب
- نیتروژن: یکی از اصلیترین اجزای هوای اتمسفر
گاز طبیعی چیست؟
گاز طبیعی یک مخلوط هیدروکربنی است که در مخازن زیرزمینی وجود دارد. متان (CH4) معمولاً اصلیترین ترکیب گاز طبیعی است.
با این حال، گاز طبیعی فقط از متان تشکیل نشده است. بسته به نوع مخزن، ترکیبات دیگری مانند اتان، پروپان، بوتان، دیاکسید کربن، نیتروژن و سولفید هیدروژن نیز ممکن است در آن وجود داشته باشند.
به همین دلیل، گاز استخراجشده از چاه معمولاً مستقیماً قابل مصرف نیست. این گاز باید ابتدا فرآورش و تصفیه شود.
گاز طبیعی چگونه از نفت جدا می شود؟
در بسیاری از میدانهای نفتی، نفت و گاز همراه یکدیگر از چاه تولید میشوند. بنابراین، یکی از مراحل مهم فرآورش اولیه، جداسازی نفت، گاز و آب است.
این کار معمولاً با استفاده از تجهیزات فرآیندی مانند جداکننده یا Separator انجام میشود.
جداسازی گاز و نفت در جداکننده
مخلوط تولیدی وارد جداکننده میشود. در این تجهیز، شرایط فشار و سرعت جریان به گونهای تنظیم میشود که فازهای مختلف از یکدیگر جدا شوند.
گاز به دلیل چگالی کمتر در قسمت بالایی جداکننده قرار میگیرد. نفت و آب نیز در قسمت پایین جمع میشوند.
جداکنندهها میتوانند به صورت افقی یا عمودی طراحی شوند. انتخاب نوع جداکننده به دبی سیال، فشار، دما و شرایط فرآیندی بستگی دارد.
تثبیت نفت
پس از جداسازی اولیه، ممکن است مقداری گاز در نفت باقی بماند. بنابراین، نفت باید در صورت نیاز تثبیت شود.
هدف از تثبیت، کاهش ترکیبات سبک و کنترل فشار بخار نفت است. این کار باعث میشود نفت برای ذخیرهسازی و انتقال مناسبتر باشد.
پالایش و فرآورش گاز طبیعی
گاز طبیعی تولیدشده از چاه ممکن است حاوی آب، دیاکسید کربن، سولفید هیدروژن و هیدروکربنهای سنگین باشد.
به همین دلیل، گاز وارد واحدهای فرآورش میشود. در این واحدها، ناخالصیها حذف میشوند و گاز به مشخصات مورد نیاز برای مصرف یا انتقال میرسد.
حذف آب از گاز
وجود آب در گاز طبیعی میتواند باعث خوردگی و تشکیل هیدرات شود. بنابراین، کاهش میزان آب یکی از مراحل مهم فرآورش گاز است.
یکی از روشهای رایج، استفاده از تریاتیلن گلیکول یا TEG است.
در این روش، گاز مرطوب وارد برج جذب میشود. گلیکول آب موجود در گاز را جذب میکند. سپس گاز خشک از قسمت بالای برج خارج میشود.
گلیکول نیز برای بازیابی و استفاده مجدد، وارد بخش احیا میشود.
حذف دی اکسید کربن و سولفید هیدروژن
برخی گازهای طبیعی دارای مقدار قابل توجهی CO2 و H2S هستند. چنین گازی معمولاً گاز ترش نامیده میشود.
یکی از روشهای رایج برای حذف این ترکیبات، استفاده از محلولهای آمینی است.
گاز ترش با محلول آمین تماس پیدا میکند. آمین، ترکیبات اسیدی را جذب میکند. در نتیجه، گاز شیرین از بالای برج خارج میشود.
سپس محلول آمین غنی وارد واحد احیا میشود. در این مرحله، گازهای اسیدی از آمین جدا میشوند و محلول آمین دوباره مورد استفاده قرار میگیرد.
فرآیندهای غشایی
در برخی واحدهای فرآورش، از غشاهای جداسازی برای کاهش CO2 استفاده میشود.
انتخاب این روش به ترکیب گاز، فشار عملیاتی و مشخصات محصول نهایی بستگی دارد.
حذف نیتروژن
اگر مقدار نیتروژن موجود در گاز زیاد باشد، ممکن است نیاز به واحد ویژه برای کاهش آن وجود داشته باشد.
یکی از روشهای مورد استفاده، فرآیندهای برودتی است. البته روش مناسب باید بر اساس ترکیب خوراک و شرایط پروژه انتخاب شود.
بازیابی مایعات گازی
گاز طبیعی علاوه بر متان، ممکن است حاوی هیدروکربنهایی مانند اتان، پروپان و بوتان باشد.
این ترکیبات را میتوان در واحدهای بازیابی مایعات گازی یا NGL جدا کرد.
برای این کار از روشهایی مانند تبرید، انبساط و فرآیندهای کرایوجنیک استفاده میشود.
مایعات گازی جداشده میتوانند ارزش اقتصادی بالایی داشته باشند. این محصولات پس از جداسازی بیشتر، در صنایع مختلف استفاده میشوند.
واحد بازیابی گوگرد چیست؟
در گازهای ترش، سولفید هیدروژن یکی از مهمترین آلایندهها و ترکیبات خطرناک است.
پس از جداسازی H2S، این ترکیب میتواند وارد واحد بازیابی گوگرد یا SRU شود.
فرآیند کلاوس یکی از رایجترین روشها برای تبدیل H2S به گوگرد عنصری است.
گوگرد تولیدشده نیز به عنوان یک محصول جانبی ارزشمند در صنایع مختلف استفاده میشود.
محصولات حاصل از فرآورش گاز
فرآورش گاز طبیعی میتواند محصولات مختلفی ایجاد کند. مهمترین آنها عبارتاند از:
- گاز طبیعی شیرین: عمدتاً حاوی متان و مناسب برای مصرف یا انتقال
- اتان: یکی از خوراکهای مهم صنایع پتروشیمی
- پروپان و بوتان: مورد استفاده در تولید LPG
- میعانات گازی: هیدروکربنهای سبک و با ارزش اقتصادی
- گوگرد: محصول حاصل از فرآورش گازهای ترش
بنابراین، فرآورش گاز فقط برای حذف ناخالصیها انجام نمیشود. این فرآیند میتواند باعث بازیابی محصولات با ارزش نیز شود.
جایگاه گاز در صنعت
گاز طبیعی یکی از مهمترین منابع انرژی در صنایع مختلف است. همچنین، این ماده به عنوان خوراک در برخی فرآیندهای شیمیایی استفاده میشود.
کاربردهای گاز را میتوان در چند گروه اصلی بررسی کرد.
گاز به عنوان منبع انرژی
گاز طبیعی برای تولید حرارت، بخار و برق استفاده میشود.
بسیاری از صنایع نیز از گاز برای تأمین انرژی کورهها و تجهیزات حرارتی استفاده میکنند.
از مهمترین مصرفکنندگان گاز میتوان به صنایع فولاد، سیمان، شیشه و صنایع غذایی اشاره کرد.
گاز به عنوان ماده اولیه
گاز طبیعی در صنایع پتروشیمی اهمیت زیادی دارد.
متان موجود در گاز میتواند برای تولید هیدروژن، آمونیاک و متانول استفاده شود. همچنین اتان و سایر هیدروکربنهای موجود در گاز میتوانند خوراک برخی واحدهای پتروشیمی باشند.
به همین دلیل، گاز طبیعی علاوه بر سوخت، یک ماده اولیه مهم برای صنایع شیمیایی محسوب میشود.
جایگاه گاز در نیروگاه
گاز طبیعی یکی از سوختهای مهم نیروگاههای حرارتی است.
در نیروگاه گازی، گاز طبیعی در محفظه احتراق توربین گاز میسوزد. گازهای داغ حاصل از احتراق، توربین را به حرکت درمیآورند.
توربین نیز به ژنراتور متصل است. در نتیجه، انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی تبدیل میشود.
نیروگاه سیکل ترکیبی
در نیروگاه سیکل ترکیبی، از گرمای گازهای خروجی توربین گاز نیز استفاده میشود.
این گرما در یک بویلر بازیاب برای تولید بخار به کار میرود. سپس بخار، توربین بخار را به حرکت درمیآورد.
در نتیجه، از یک واحد سوخت مقدار بیشتری انرژی الکتریکی تولید میشود. به همین دلیل، نیروگاههای سیکل ترکیبی میتوانند راندمان بالایی داشته باشند.
جایگاه گاز در صنعت پتروشیمی
گاز طبیعی یکی از خوراکهای مهم صنعت پتروشیمی است.
از اجزای گاز طبیعی میتوان برای تولید محصولات مختلف استفاده کرد. این محصولات در صنایع پلاستیک، کشاورزی، رنگ، دارو و بسیاری از صنایع دیگر کاربرد دارند.
تولید متانول
متان موجود در گاز طبیعی میتواند به گاز سنتز تبدیل شود. سپس از گاز سنتز برای تولید متانول استفاده میشود.
متانول در تولید مواد شیمیایی مختلف و برخی سوختها کاربرد دارد.
تولید آمونیاک و اوره
گاز طبیعی یکی از خوراکهای اصلی برای تولید هیدروژن در واحد آمونیاک است.
هیدروژن تولیدشده با نیتروژن ترکیب میشود و آمونیاک ایجاد میکند. سپس آمونیاک میتواند برای تولید کودهایی مانند اوره استفاده شود.
تولید اتیلن
اتان موجود در گاز طبیعی میتواند به عنوان خوراک واحدهای الفین استفاده شود.
در فرآیند کراکینگ با بخار، اتان در دمای بالا به محصولات مختلفی از جمله اتیلن تبدیل میشود.
اتیلن نیز ماده اولیه تولید محصولاتی مانند پلیاتیلن است.
کاربرد گاز در مصارف خانگی و تجاری
گاز طبیعی در زندگی روزمره نیز کاربرد گستردهای دارد.
مهمترین کاربردهای خانگی
- گرمایش ساختمان
- پخت و پز
- تولید آب گرم
- تأمین انرژی برخی تجهیزات خانگی
- تولید برق اضطراری در برخی کاربردها
کاربردهای تجاری
رستورانها، هتلها، مراکز تجاری و برخی ساختمانهای بزرگ از گاز برای گرمایش، پخت و پز و تولید آب گرم استفاده میکنند.
کاربرد گاز در حمل و نقل
گاز طبیعی میتواند به عنوان سوخت خودروها نیز مورد استفاده قرار گیرد.
CNG یکی از شناختهشدهترین انواع سوخت گازی برای خودروها است.
در برخی کاربردهای حملونقل سنگین نیز از گاز طبیعی مایع یا LNG استفاده میشود.
نوع سوخت مناسب به نوع خودرو، زیرساخت سوخترسانی و شرایط عملیاتی بستگی دارد.
کاربرد گاز در کشاورزی
گاز طبیعی در بخش کشاورزی نیز کاربردهای مختلفی دارد.
از مهمترین کاربردها میتوان به گرمایش گلخانهها و خشک کردن محصولات کشاورزی اشاره کرد.
از طرف دیگر، گاز طبیعی خوراک مهمی برای تولید آمونیاک و کودهای نیتروژنی است. بنابراین، نقش آن در کشاورزی فقط به مصرف مستقیم سوخت محدود نمیشود.
مزایای استفاده از گاز طبیعی
گاز طبیعی در مقایسه با برخی سوختهای فسیلی، مزایای مهمی دارد.
- احتراق نسبتاً پاکتر
- قابلیت انتقال از طریق خطوط لوله
- امکان استفاده در صنایع مختلف
- کاربرد به عنوان سوخت و ماده اولیه
- قابلیت استفاده در نیروگاههای گازی و سیکل ترکیبی
البته این مزایا به معنی بدونکربن بودن گاز طبیعی نیست. سوختن گاز طبیعی همچنان باعث انتشار دیاکسید کربن میشود.
معایب و چالشهای گاز طبیعی
استفاده از گاز طبیعی در کنار مزایا، چالشهایی نیز دارد.
انتشار گازهای گلخانهای
احتراق گاز طبیعی باعث تولید CO2 میشود. همچنین، نشت متان در زنجیره تولید و انتقال میتواند اثرات زیستمحیطی مهمی داشته باشد.
خطر نشت و آتشسوزی
گاز طبیعی قابلیت اشتعال دارد. بنابراین، طراحی مناسب تجهیزات و رعایت اصول ایمنی در زمان تولید، انتقال و مصرف آن اهمیت زیادی دارد.
نیاز به زیرساخت
تولید و مصرف گاز طبیعی به زیرساختهای گسترده نیاز دارد.
چاههای تولید، واحدهای فرآورش، خطوط لوله، ایستگاههای تقویت فشار و شبکه توزیع، بخشهایی از این زیرساخت هستند.
فرایند پیدایش گاز طبیعی چگونه است؟
گاز طبیعی طی یک فرآیند زمینشناسی بسیار طولانی شکل میگیرد.
این فرآیند در بسیاری از موارد میلیونها سال زمان میبرد. مواد آلی در شرایط مناسب دفن میشوند و در اثر افزایش دما و فشار، به هیدروکربن تبدیل میشوند.
۱. تجمع مواد آلی
فرآیند تشکیل گاز میتواند با تجمع بقایای موجودات زنده در محیطهای رسوبی آغاز شود.
این مواد در کف دریاها، دریاچهها یا محیطهای مناسب دیگر تهنشین میشوند.
۲. دفن شدن مواد آلی
با گذشت زمان، لایههای بیشتری از رسوبات روی مواد آلی قرار میگیرند.
در نتیجه، فشار و دمای محیط افزایش پیدا میکند. مواد آلی نیز به تدریج تغییر میکنند.
۳. تشکیل کروژن
مواد آلی دفنشده در فرآیندهای زمینشناسی به مادهای به نام کروژن (Kerogen) تبدیل میشوند.
کروژن یکی از مواد اولیه تشکیل نفت و گاز طبیعی است.
۴. تبدیل مواد آلی به هیدروکربن
با افزایش دما، کروژن دچار تغییرات شیمیایی میشود.
در شرایط مناسب، هیدروکربنهای مختلف تشکیل میشوند. نوع ماده آلی، دما، فشار و زمان در نوع هیدروکربن تولیدشده تأثیر دارند.
در دماهای بالاتر، تولید گاز طبیعی میتواند افزایش پیدا کند.
۵. مهاجرت گاز
پس از تشکیل، گاز میتواند از سنگ منشأ به سمت لایههای دیگر حرکت کند.
این حرکت از طریق فضاهای متخلخل و مسیرهای مناسب زمینشناسی انجام میشود.
۶. به دام افتادن گاز
اگر گاز در مسیر مهاجرت به یک تله زمینشناسی برسد، ممکن است در آنجا تجمع پیدا کند.
تاقدیسها، برخی گسلها و تلههای چینهای از نمونههای مهم تلههای نفت و گاز هستند.
۷. تشکیل مخزن گازی
گاز در سنگهای مخزنی متخلخل و نفوذپذیر جمع میشود.
یک سنگ پوششی کمنفوذ نیز میتواند از ادامه مهاجرت گاز جلوگیری کند. در این شرایط، یک مخزن گازی شکل میگیرد.
چه عواملی در تشکیل گاز طبیعی مؤثر هستند؟
عوامل مختلفی در تشکیل گاز طبیعی نقش دارند.
نوع ماده آلی
نوع و کیفیت ماده آلی اولیه بر نوع هیدروکربن تولیدشده تأثیر میگذارد.
دما
افزایش دما یکی از عوامل مهم در تبدیل مواد آلی به هیدروکربن است.
فشار
فشار ناشی از دفن شدن رسوبات، شرایط زمینشناسی لازم برای بلوغ مواد آلی را ایجاد میکند.
زمان
تشکیل گاز طبیعی فرآیندی بسیار طولانی است. این فرآیند معمولاً طی میلیونها سال انجام میشود.
ویژگی سنگها
تخلخل و نفوذپذیری سنگها در مهاجرت و تجمع گاز اهمیت زیادی دارد.
بزرگترین تولیدکنندگان گاز طبیعی جهان
تولید گاز طبیعی در کشورهای مختلف به ذخایر، فناوری تولید، زیرساخت و شرایط اقتصادی بستگی دارد.
کشورهایی مانند آمریکا، روسیه، ایران، چین، کانادا، قطر، استرالیا و نروژ از تولیدکنندگان مهم گاز طبیعی جهان هستند.
رتبهبندی دقیق کشورها ممکن است هر سال تغییر کند. بنابراین، برای ارائه رتبهبندی عددی باید از آمار همان سال استفاده کرد.
جمعبندی
گاز یکی از حالتهای اصلی ماده است و در طبیعت به شکلهای مختلف وجود دارد.
گاز طبیعی نیز یکی از مهمترین منابع انرژی در جهان محسوب میشود. این گاز در مخازن زیرزمینی تشکیل میشود و معمولاً مقدار زیادی متان دارد.
گاز استخراجشده از چاه باید پیش از مصرف فرآورش شود. در این فرآیند، آب، گازهای اسیدی و سایر ناخالصیها حذف میشوند.
گاز طبیعی در نیروگاهها، صنایع پتروشیمی، کارخانهها، حملونقل و مصارف خانگی کاربرد دارد. به همین دلیل، صنعت گاز یکی از بخشهای مهم زنجیره انرژی و صنایع وابسته به نفت و گاز است.
با وجود مزایای گاز طبیعی، انتشار CO2 و احتمال نشت متان از چالشهای مهم آن هستند. بنابراین، استفاده از فناوریهای جدید برای افزایش راندمان، کاهش انتشار و بهبود ایمنی اهمیت زیادی دارد.
