Natural Gas Properties

أن معرفة خصائص الغاز الطبيعي أمر أساسي في تصميم منظومات أنتاج ومعالجة الغاز الطبيعي لأن الغاز الطبيعي مزيج معقد من الهيدروكاربونات الخفيفة مع كميات قليلة من المركبات اللاعضوية ، حيث من المهم جداً معرفة مكونات الغاز الطبيعي  لأنها تساعد على معرفة خصائصه.

الخواص الفيزياوية Physical Properties:

وقود أحفوري تكوّن من النباتات والحيوانات التي دُفنت في باطن الأرض لملايين السنين ، وهو مركب هيدروكاربوني يكون فيه الميثان العنصر الأساسي ، عديم اللون ، عديم الرائحة ، لأغراض الأمان تتم أضافة رائحة مميزة اليه عن النقل لتحسس حالات التسرب ، وهو أخف من الهواء بحوالي 0.6-0.8 ، وفي حالات التسرب فأنه يتشتت الى أعلى ويختفي في الهوءا ، ويشتعل الغاز الطبيعي مع الهواء بنسبة 5-15% ، وهو وقود نظيف لا يسبب الضرر للبيئة عند الأشتعال عند مقارنته بالأنواع الأخرى من الوقود.

الكثافة النسبية Specific Gravity:

وهي النسبة بين الوزن الجزيئي للغاز الطبيعي الى الوزن الجزيئي للهواء , ورمزها ƴg ، علماً أن الوزن الجزيئي للهواء يساوي 28,97 (79% نيتروجين – 21% أوكسجين) وبذلك تحسب الكثافة النسبية للغاز من خلال المعادلة التالية:

ويمكن أحتساب مكونات الغاز مختبرياً ، وذكر النسب المولية mole fractions ، ولتكن y_i  الوزن الجزيئي للمركب i  ، فأن الوزن الجزيئي للغاز يحسب بالمعادلة التالية:

حيث أن  MWi هو الوزن الجزيئي للمركب i ، و N_c هو عدد المركبات ، ويمكن أيجاد الأوزان الجزيئية للمركبات في كتب الكيمياء العضوية والمركبات البترولية ، أن الغاز الطبيعي المكمني الخفيف يتألف بشكل أساسي من الميثان مع بعض الأيثان ، وتكون الكثافة النسبية للميثان النقي مساوياً لـ 0.55 . أما الغاز المكمني الثقيل فتكون كثافته النسبية مساوية لـ 0.75 وقد يصل الى أعلى من 0.9  في بعض الحالات النادرة.

اللزوجة Viscosity:

أن لزوجة الغاز هي عبارة عن مقدار مقاومته للتدفق ، وعادة ً ما تستعمل اللزوجة الديناميكية Dynamic Viscosity مع الغاز الطبيعي حيث أن:

1 cp = 6.72 x 10 ^-4 Ibm/ft-sex

 ويرمز للزوجة الديناميكية بالرمز Ʋ_g وتكون وحداتها cp ، أما اللزوجة الكينماتيكية Kinamatic Viscosity V_g فهي مرتبطة باللزوجة الديناميكية عن طريق الكثافة ρ_g .. وكالآتي:

V_g = Ʋ_g / ρ_g

  علماً أن اللزوجة الكينماتيكية لا تستعمل مع الغاز الطبيعي.

عامل الأنضغاطية  Compressibility Factor:

ويسمى أيضاً بـ عامل الحيد أو بـ Z-factor : وهو القيمة التي تعكس حيد الغاز الحقيقي عن الغاز الطبيعي في ضغط ودرجة حرارة معلومين. وكالآتي:

 وبوضع عامل الأنضغاطية في قانون الغاز المثالي :        pV = nzRT
يمكن تحديد عامل الأنضغاطية من خلال قياسات مختبر PVT  ، ولكمية معلومة من الغاز إذا كانت الحرارة ثابتة والحجم قد تم قياسه في 14.7 psia فأن معامل الأنضغاطية يمكن حسابه بالمعادلة التالية:

حيث أن V₀ و V₁ هي حجوم الغاز في ضغط 14.7 psia و p₁ على التوالي.

   كثافة الغاز Gas Density:

  بما أن الغاز الطبيعي قابل للأنضغاط ، فأن كثافته تعتمد على ضغطه وحرارته ، ويمكن أحتسابها من خلال قانون الغاز المثالي ، أو الغاز الحقيقي لدقة أكثر:

حيث أن m كتلة الغاز ، وعند أعتبار الوزن الجزيئي للهواء 29 وثابت الغاز R = 10.73 psia-ft³/mole – °R
وبذلك ستكون المعادلة أعلاه كالآتي:

حيث تقاس كثافة الغاز بوحدة Ibm/ft3 .

هناك نوعان من الأستخدامات الأساسية للغاز الطبيعي : كوقود ، أو في الصناعات البتروكيمياوية. وبناءاً على ذلك هناك ثلاثة أسباب لمعالجة الغاز الطبيعي:
1. التنقية Purification وإزالة بعض المكونات سواء كانت ثمينة أو لا ، والتي تمنع أستخدام الغاز في الصناعة.
 2. الفصل : فصل المكونات من الغاز مثل : البروبان – الأيثان – الهليوم.
 3. التسييل Liquefaction زيادة الكثافة لأغراض النقل والخزن.

 ولذلك فأن أية عملية معالجة يجب أن تندرج تحت أحد العمليتين: الفصل والتنقية. وعلى سبيل المثال فإذا عند إزالة كمية قليلة من غاز H2S أو حرقها فأن هذه العملية هي عملية تنقية ، أما عند إزالة كمية كبيرة منه وأستخلاص الكبريت منها فأن هذه العملية تعتبر عملية فصل.

 مكونات الغاز الطبيعي :

1. الميثان Methane : أن الأستخدام الأساسي للميثان هو كوقود ، ويستخدم كتغذية feedstock لأنتاج العديد من المواد الكيمياوية وخاصة ً الأمونيا والميثانول.

2. الأيثان Ethane : أن أغلب الأيثان المستخدم في الولايات المتحدة يأتي من معامل الغاز ، والمصافي ، ويستخدم في أنتاج الأثيلين والبولي أثيلين.

3. البروبان Propane : تنتج معامل الغاز الطبيعي حوالي 45% من البروبان المستخدم في الولايات المتحدة ، أغلبه من المصافي ، ويكون أستهلاكه كالآتي :

      47% في البتروكيمياويات – 39% الأستخدام المنزلي – 8% الأستخدام الزراعي – 4% الاستخدام الصناعي – 2% النقل (مجلس فلوريدا لغاز البروبان 2005).

4. مزيج الأيثان – البروبان Ethane – Propane Mix: عند تجزئة الغاز الطبيعي فأن البيوتان يمتزج مع بعض البروبان ويضخ الى المصافي.

5. أيزو بيوتان Isobutane : أن 42% من الآيزو بيوتان المستخدم في الولايات المتحدة يأتي من مصانع الغاز ، و 5% منه من المصافي (لا تشمل هذه النسبة أستهلاكه في المصافي) ، وتستورد حوالي 12% ، أما المتبقي فيأتي من مصانع الأزمرة isomerization plants التي تحوّل n-butane الى isobutane . أن السوق الرئيسية لللأيزو بيوتان هو لتصنيع “MTBE “Methyl Tertiary Butyl Ether ، كما يستعمل لأنتاج الغازولين ، ولأنتاج أوكسيد البروبيلين.

6. ن- بيوتان n-Butane : أن معامل الغاز تنتج ما يقارب 63% من هذه المادة ، في حين تنتج المصافي 31% منه ، في حين يتم أستيراد الباقي ، ويستعمل في الغالب في الغازولين ، من خلال الأزمرة الى الآيزو بيوتان.

7. سوائل الغاز الطبيعي Natural Gas Liquids NGL : وتتضمن جميع الهيدروكاربونات المُسالة وتتضمن الأيثان ، والبروبان ، والبيوتان ، والغازولين.

8. الغازولين الطبيعي Natural Gasoline : وهو مزيج من الهيدروكاربونات التي تتألف من البنتان والهيدروكاربونات الثقيلة والتي يجب أن تمزج مع سوائل الغاز الطبيعي NGL ، أن أهم أستخدامات الغازولين الطبيعي هي في المصافي ، وخاصة في وحدات الأزمرة ، كما يستخدم في الصناعات البتروكيمياوية لأنتاج الأيثلين.

9. الكبريت Sulfur : أن الأنتاج الحالي للكبريت في الولايات المتحدة هو 15 ألف طن متري في اليوم ، ويأتي 85% منه من معامل الغاز الطبيعي التي تُحوّل H2S الى الكبريت. أن الأستخدامات الرئيسية للكبريت تتضمن صناعة المطاط ، وأنتاج حامض الكبريتيك ، وأنتاج البارود.

المصادر:

1. Fundamentals of Natural Gas Processing.

2. Natural Gas Engineering Handbook