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 yi الوزن الجزيئي للمركب i ، فأن الوزن الجزيئي للغاز يحسب بالمعادلة التالية:
حيث أن MWi هو الوزن الجزيئي للمركب i ، و Nc 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 Ʋg وتكون وحداتها cp ، أما اللزوجة الكينماتيكية Kinamatic Viscosity Vg فهي مرتبطة باللزوجة الديناميكية عن طريق الكثافة ρg .. وكالآتي:
Vg = Ʋg / ρg
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
