Podniky boli nútené spaľovať tekutý metán pomocou svetlíc, pretože neboli schopné previesť kondenzát na následné petrochemické spracovanie. Teraz sa naučili, ako ho prepravovať a používať v mnohých oblastiach priemyslu. Zároveň sa dobre skladuje a pri spaľovaní netvorí škodlivé nečistoty.

Fyzikálne a chemické vlastnosti metánu

Metán je jedným z najjednoduchších uhľovodíkov. Je ľahší ako vzduch, netoxický, zle rozpustný vo vode a nemá výrazný zápach. Predpokladá sa, že metán nie je pre človeka nebezpečný, no sú známe prípady jeho účinkov na centrálny a autonómny nervový systém. Ak sa hromadí v interiéri, stáva sa výbušným pri koncentrácii vo vzduchu 4 až 17 %. Preto sa na jeho zistenie ľuďmi (bez prístrojov) často pridávajú do metánu špeciálne látky, ktoré pripomínajú zápach plynu. Metán vykazuje slabé narkotické vlastnosti, ktoré sú oslabené nízkou rozpustnosťou vo vode.

Podľa pôvodu v dôsledku zlúčenín s rôznymi látkami a chemických reakcií sa delí na:

• biogénne (organické);
• abiogénne (anorganické);
• bakteriálna (životná aktivita mikroorganizmov);
• termogénne (termochemické procesy).

Tento plyn sa získava aj v laboratóriu zahrievaním natronového vápna alebo bezvodého hydroxidu sodného so zmrazenou kyselinou octovou.

Metán v kvapalnom skupenstve zaberá 600-krát menší objem ako v plynnom skupenstve. Preto je pre ľahkú prepravu a skladovanie skvapalnený. Kvapalný metán je bezfarebná kvapalina bez zápachu. Zachováva si takmer všetky vlastnosti plynu. kvapalný metán je 4,58 MPa (minimum, pri ktorom sa mení na kvapalinu).

Existencia v prírode

Metán je súčasťou a je hlavnou zložkou nasledujúcich plynov:

• prirodzené (až 98%);
• olej (40-90 %);
• močiar (99 %);
• ťažba (35-50 %);
• bahenné sopky (viac ako 94 %).

Nachádza sa aj vo vodách oceánov, jazier a morí. Prítomný v atmosfére planét ako Zem, Saturn, Jupiter, Urán a v povrchových plynoch Mesiaca. Veľké množstvá sa nachádzajú v uhoľných slojoch. To robí ťažbu v uzavretých štôlňach výbušnou činnosťou.

Technológia skvapalňovania zemného plynu

Čistý metán sa získava odstránením ďalších zložiek z neho: etánu, propánu, butánu a dusíka. Na získanie kvapalného metánu sa plyn stlačí a potom ochladí. Proces skvapalňovania prebieha v cykloch. V každej fáze sa hlasitosť zníži až 12-krát. V poslednom cykle sa zmení na kvapalinu. Na skvapalňovanie sa používajú rôzne druhy rastlín, vrátane:

• škrtiaca klapka;
• turbína-vír;
• turboexpandéry.

Môžu sa použiť nasledujúce schémy:

• kaskáda;
• rozšírenie.

Kaskádový dizajn využíva tri chladiace činidlá. V tomto prípade teplota tekutého metánu postupne klesá. Táto technológia si vyžaduje veľké kapitálové výdavky. V súčasnosti sa tento proces zdokonalil a použila sa zmes chladív (etán a propán). Tento systém sa stal samochladiacim, pretože tieto látky sa získavajú zo skvapalneného zemného plynu. Náklady sa mierne znížili, no stále zostávajú vysoké.

Pri použití expanzného okruhu sa používajú ekonomickejšie odstredivé stroje. Zmes je predčistená od vody a iných nečistôt a skvapalnená pod tlakom v dôsledku výmeny tepla so studeným expandovaným prúdom plynu. Tento proces však vyžaduje viac energie ako pri kaskádovej schéme (25 – 35 %). Zároveň sa však ušetria kapitálové náklady na kompresory a prevádzku zariadení.

Teplota kvapalného metánu získaná v dôsledku vyššie opísaného procesu je v priemere 162 stupňov.

Aplikácia metánu

Rozsah použitia metánu v plynnom aj kvapalnom skupenstve je veľmi široký. Používa sa ako palivo, ako surovina pre priemysel, v každodennom živote, ako anabolické steroidy na budovanie svalovej hmoty.

Pri nedokonalom spaľovaní vznikajú z metánu sadze, ktoré majú široké využitie v priemysle: pri výrobe gumy, pečiatok, krémov na topánky a pod.. Používa sa aj na výrobu kyseliny kyanovodíkovej a octovej, metanolu, acetylénu, čpavku, sírouhlíka , ako (večný plameň) .

Kvapalný metán sa používa ako motorové palivo pre automobily. Má o 15 % vyššie oktánové číslo ako benzín, ako aj vysokú výhrevnosť a antidetonačné vlastnosti. Podľa recenzií tekutý metán horí takmer úplne a pri správnej inštalácii príslušného zariadenia na auto dochádza v porovnaní s benzínom (pri cestovaní na veľké vzdialenosti) k pomerne výrazným úsporám.

Tento plyn sa aktívne používa pri výrobe liekov, ktoré zvyšujú svalovú hmotu. Na jej základe sa vyrábajú produkty ako „Dianoged“, „Danabol“, „Nerobol“, po ktorých je najväčší dopyt. Predpokladá sa, že tieto lieky majú pozitívny vplyv na ľudské telo:

• posilniť kosti;
• stimulovať tvorbu sexuálnych charakteristík;
• spáliť tukové vrstvy;
• zvýšiť vytrvalosť;
• urýchliť syntézu bielkovín.

Je však dôležité mať na pamäti, že všetky lieky majú vedľajšie účinky, preto ich treba užívať pod dohľadom lekára.

Na základe vyššie uvedeného môžeme konštatovať, že výroba tekutého metánu je veľmi perspektívnou oblasťou moderného priemyslu.

metán horiace vo vzduchu s modrastým plameňom a uvoľnená energia je asi 39 MJ na 1 m 3. Formuje sa vzduchom výbušné zmesi. Nebezpečný je najmä metán, ktorý sa uvoľňuje pri podzemnej ťažbe nerastných ložísk v banských dielach, ako aj v úpravňach uhlia a briketách a v triediarňach. Keď je teda obsah vo vzduchu do 5-6%, metán horí v blízkosti zdroja tepla (teplota vznietenia 650-750°C), od 5-6% do 14-16% exploduje, nad 16% môže horieť s prílev kyslíka zvonku. Zníženie koncentrácie metánu môže viesť k výbuchu. Navyše výrazné zvýšenie koncentrácie metánu vo vzduchu môže spôsobiť udusenie (napríklad koncentrácia metánu 43 % zodpovedá 12 % O 2).

Výbušné spaľovanie sa šíri rýchlosťou 500-700 m/s; tlak plynu pri výbuchu v uzavretom objeme je 1 Mn/m 2 . Po kontakte so zdrojom tepla dochádza s určitým oneskorením k vznieteniu metánu. Na tejto vlastnosti je založená tvorba bezpečnostných výbušnín a nevýbušných elektrických zariadení. Na lokalitách, ktoré sú nebezpečné prítomnosťou metánu (hlavne uhoľné bane), tzv. plynový režim.

Pri 150-200 °C a tlaku 30-90 atm sa metán oxiduje na kyselina mravčia.

Metán tvorí inklúzne zlúčeniny - plynové hydráty, ktoré sú v prírode rozšírené.

Aplikácia metánu

Metán je tepelne najstabilnejší nasýtený uhľovodík. Je široko používaný ako domáce a priemyselné palivo a ako surovina pre priemysel. . Chloráciou metánu sa teda získa metylchlorid, metylénchlorid, chloroform a tetrachlórmetán.

Nedokonalé spaľovanie metánu má za následok tvorbu sadzí , pri katalytickej oxidácii – formaldehyd , pri interakcii so sírou - sírouhlíkom .

Tepelno-oxidačné krakovanie a elektrokrakovanie metánu sú dôležité priemyselné metódy výroby acetylénu .

Katalytická oxidácia zmesi metánu a amoniaku je základom priemyselnej výroby kyseliny kyanovodíkovej . Metán sa používa ako zdroj vodíka pri výrobe čpavku, ako aj na výrobu vodného plynu (tzv. syntézny plyn): CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2, používa sa na priemyselnú syntézu uhľovodíkov , alkoholy, aldehydy a pod. Dôležitý derivát metánu - nitrometán .

Metán a skleníkový efekt

Metán je skleníkový plyn. Ak sa stupeň vplyvu oxidu uhličitého na klímu bežne berie ako jedna, potom skleníková aktivita metánu bude 23 jednotiek. Hladiny metánu v atmosfére sa za posledné dve storočia veľmi rýchlo zvýšili.

Teraz sa priemerný obsah metánu CH 4 v modernej atmosfére odhaduje na 1,8 ppm ( časti na miliónčasti na milión). A hoci je to 200-krát menej ako jeho obsah oxidu uhličitého (CO 2), na jednu molekulu plynu, skleníkový efekt metánu – teda jeho príspevok k rozptylu a zadržiavaniu tepla vyžarovaného slnkom ohriatou Zemou – je výrazne vyššia ako z CO 2. Okrem toho metán absorbuje žiarenie Zeme v tých „oknách“ spektra, ktoré sú transparentné pre iné skleníkové plyny. Bez skleníkových plynov - CO 2, vodnej pary, metánu a niektorých ďalších nečistôt by bola priemerná teplota na povrchu Zeme len –23°C, no teraz je to okolo +15°C.

Metán presakuje na dne oceánu cez trhliny v zemskej kôre a v značných množstvách sa uvoľňuje pri ťažbe a pri vypaľovaní lesov. Nedávno bol objavený nový, úplne nečakaný zdroj metánu – vyššie rastliny, no mechanizmy vzniku a význam tohto procesu pre samotné rastliny ešte nie sú objasnené.

Metán je prvým predstaviteľom radu alkánov so vzorcom CH4. Je to bezfarebný zemný plyn bez zápachu. Pre svoje fyzikálne a chemické vlastnosti sa metán používa ako palivo.

Štruktúra

Molekula metánu je štvorsten, v strede ktorého je uhlík spojený jednoduchými (jednoduchými) σ väzbami s atómami vodíka. Štruktúra a vlastnosti molekuly metánu sú dôležité pre pochopenie celej organickej chémie, pretože väčšina organických zlúčenín obsahuje metylové skupiny -CH2.

Ryža. 1. Štruktúra molekuly metánu.

Metán tvorí homológny rad alkánov. Každý nasledujúci homológ sa od predchádzajúceho líši jednou skupinou -CH2.

Vďaka svojej tetraedrickej konfigurácii sa dlhé molekuly alkánov javia ako ohnuté reťazce.

Potvrdenie

Metán je bežný plyn vo vesmíre. Nachádza sa v prírodnom a pridruženom plyne, tvorí sa na dne morí a uvoľňuje sa ako konečný produkt životne dôležitej činnosti črevných baktérií. Metán je súčasťou atmosféry obrovských planét. Na povrchu Titanu, Saturnovho mesiaca, sa nachádzajú etán-metánové jazerá a rieky.

Ryža. 2. Satelit Titan.

V priemysle sa metán oddeľuje od zemného plynu a získava sa koksovaním (kalcináciou) uhlia.

V laboratóriu sa metán tvorí zahrievaním suchého hydroxidu sodného s kyselinou octovou, ako aj tavením octanu s hydroxidom sodným:

• 2NaOH + CH3COOH → Na2C03 + H20 + CH4;
• CH 3 COONa + NaOH → CH 4 + Na 2 CO 3 .

Metán prvýkrát objavil v močiaroch fyzik Alessandro Volta v roku 1776. O dva roky neskôr izoloval čistý metán z močiarneho plynu.

Vlastnosti

Základné fyzikálne vlastnosti:

• ľahší ako vzduch;
• bez zápachu a chuti;
• slabo rozpustný vo vode;
• molekulová hmotnosť - 16;
• teplota topenia -182,49 °C;
• teplota varu - -161,56 ° C;
• bod vzplanutia - 87,8 °C;
• teplota samovznietenia - 537,8°C.

Metán určuje fyzikálno-chemické vlastnosti homologickej série alkánov. Za normálnych podmienok sú metán a jeho homológy neaktívne a reagujú pod vplyvom vysokej teploty a katalyzátora. Na štiepenie väzby C-H sú potrebné ďalšie podmienky.

Základné reakcie metánu:

• nitrácia:

  CH4 + HON02 -> CH3-N02 + H20;

• halogenácia:

  CH4 + Cl2 -> CH3CI + HCl;

• sulfochlorácia:

  CH4 + S02 + Cl2 -> CH3-S02CI + HCl;

• katalytická oxidácia pôsobením solí medi a mangánu:

  2CH4+02 -> 2CH3OH;

• úplná oxidácia (spaľovanie):

  CH4 + 202 -> C02 + 2H20 + Q;

• oxidácia parou:

  CH4 + H20 -> CO + 3H2;

• krakovanie (metóda rafinácie oleja):

  2CH4 -> HC=CH + 3H2.

Ryža. 3. Spaľovanie metánu.

Koncentrácie metánu vo vzduchu viac ako 4% sú výbušné. Preto je metán špeciálne dodávaný zápach zmiešaním plynu s tiolmi obsahujúcimi síru. To pomáha kontrolovať domáci únik plynu.

Čo sme sa naučili?

Metán je najjednoduchším predstaviteľom triedy alkánov, ktorý tvorí homológnu sériu. Je to bezfarebný horľavý plyn, ktorý sa uvoľňuje zo zemného plynu a vzniká pri koksovaní uhlia. Ako palivo sa používa metán. Samovznietenie pri vysokých teplotách. Plyn podlieha nitrácii, halogenácii, sulfochlorácii, oxidácii pod vplyvom katalyzátora, vodnej pary, spaľovaniu, ako aj krakovaniu používanému pri rafinácii ropy.

Spaľovanie - rýchlo plynúca chemická reakcia spájania horľavých zložiek s kyslíkom, sprevádzaná intenzívnym uvoľňovaním tepla a prudkým zvýšením teploty splodín horenia.

Reakcia spaľovania čistého metánu:

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + Uvoľňovanie tepla

Keďže väčší objem je metán, je zvykom vyjadrovať všeobecný vzorec zemného plynu pomocou vzorca samotného metánu. Ukazuje sa teda, že chemický vzorec metánu zemného plynu je CH4.

Zvyšné zložky majú v chémii tieto empirické vzorce:

etán - C2H6;

propán - C3H8;

bután - C4H10;

oxid uhličitý - CO2;

vodík - H2;

sírovodík - H2S.

Zmesou takýchto látok je zemný plyn.

Častejšie čistenie zemného plynu vzniká priamo pri ťažbe surovín. V závislosti od zloženia a koncentrácie nečistôt sa zvolí jeden alebo druhý spôsob čistenia. Vo svetovej praxi sa používajú najčastejšie chemisorpčné metódy čistenia, kde sú hlavné účinné látky alkakolamínové roztoky s vodou alebo Benfield(uhličitan draselný a voda s prísadami). Ďalšími najobľúbenejšími sú kombinované techniky kombinujúci chemické a fyzikálne procesy s prítomnosťou sulfinolu ako aktívneho činidla. Ak je to nevyhnutné jemné čistenie surovín, použite pevné adsorbenty a oxidujte síru na pevnú zrazeninu.

Získané v laboratóriu a priemysle

Okrem prirodzených miest tvorby plynu existuje množstvo spôsobov, ako ho získať v laboratórnych podmienkach. Tieto metódy sa však samozrejme používajú len pre malé časti produktu, pretože syntetizovať zemný plyn v laboratóriu nie je ekonomicky výhodné.

Laboratórne metódy:

Hydrolýza zlúčeniny s nízkou molekulovou hmotnosťou - karbidu hliníka: AL4C3 + 12H2O = 3CH4 + 4AL(OH)3.

Z octanu sodného v prítomnosti zásady: CH3COOH + NaOH = CH4 + Na2CO3.

Zo syntézneho plynu: CO+ 3H2 = CH4 + H2O.

Z jednoduchých látok – vodíka a uhlíka – pri zvýšenej teplote a tlaku.

Chemický vzorec zemného plynu sa odráža vo vzorci metánu, preto sú pre tento plyn charakteristické aj všetky reakcie charakteristické pre alkány.

Domáce plyn = Zemný plyn + Zápachové prísady

Čistý zemný plyn je bez farby a bez zápachu. Aby bolo možné odhaliť únik čuchom, do plynu sa pridáva malé množstvo látok, ktoré majú silný nepríjemný zápach (hnilá kapusta, zhnité seno) (tzv. odoranty). Najčastejšie sa ako odorant používa etylmerkaptán (C2H5SH) (16 g na 1000 metrov kubických zemného plynu).

C3H8 - propán

Typy klasifikácií reakcií.

Fyzikálno-chemické vlastnosti metánu.

Nebezpečné nečistoty v banskom vzduchu

Medzi toxické nečistoty banského vzduchu patrí oxid uhoľnatý, oxidy dusíka, oxid siričitý a sírovodík.

Oxid uhoľnatý (CO) – bezfarebný plyn bez chuti a zápachu so špecifickou hmotnosťou 0,97. Horí a exploduje pri koncentráciách od 12,5 do 75 %. Teplota vznietenia, pri koncentrácii 30 %, 630-810 0 C. Veľmi jedovatý. Smrteľná koncentrácia – 0,4 %. Prípustná koncentrácia v banských dielach je 0,0017 %. Hlavnou pomocou pri otrave je umelé dýchanie čerstvým vzduchom.

Medzi zdroje oxidu uhoľnatého patria trhacie práce, spaľovacie motory, banské požiare a výbuchy metánu a uhoľného prachu.

Oxidy dusíka (NO)- majú hnedú farbu a charakteristický štipľavý zápach. Veľmi jedovatý, spôsobuje podráždenie slizníc dýchacích ciest a očí a pľúcny edém. Smrteľná koncentrácia pri krátkodobom vdýchnutí je 0,025 %. Maximálny obsah oxidov dusíka v banskom ovzduší by nemal presiahnuť 0,00025 % (v prepočte na oxid - NO 2). Pre oxid dusičitý – 0,0001 %.

Oxid siričitý (SO 2)– bezfarebný, so silným dráždivým zápachom a kyslou chuťou. 2,3-krát ťažší ako vzduch. Veľmi jedovatý: dráždi sliznice dýchacích ciest a očí, spôsobuje zápaly priedušiek, opuchy hrtana a priedušiek.

Oxid siričitý vzniká pri odstreloch (v sírnatých horninách), požiaroch a uvoľňuje sa z hornín.

Maximálny obsah v banskom vzduchu je 0,00038 %. Koncentrácia 0,05 % je život ohrozujúca.

Sírovodík (H 2 S)- bezfarebný plyn sladkastej chuti a zápachu po skazených vajciach. Špecifická hmotnosť – 1,19. Sírovodík horí a exploduje v koncentrácii 6%. Veľmi jedovatý, dráždi sliznice dýchacích ciest a očí. Smrteľná koncentrácia – 0,1 %. Prvou pomocou pri otrave je umelé dýchanie čerstvým prúdom, inhalácia chlóru (pomocou vreckovky namočenej v bielidle).

Z hornín a minerálnych prameňov sa uvoľňuje sírovodík. Vzniká pri rozklade organickej hmoty, banských požiaroch a trhacích prácach.

Sírovodík je vysoko rozpustný vo vode. Toto treba brať do úvahy, keď sa ľudia pohybujú cez opustené diela.

Prípustný obsah H 2 S v banskom ovzduší by nemal presiahnuť 0,00071 %.

Prednáška 2

Metán a jeho vlastnosti

Metán je hlavnou, najbežnejšou súčasťou horľavého plynu. V literatúre a v praxi sa metán najčastejšie stotožňuje s plynom so žiarovým plynom. V banskom vetraní sa tomuto plynu venuje najväčšia pozornosť kvôli jeho výbušným vlastnostiam.

Fyzikálno-chemické vlastnosti metánu.

metán (CH 4)– plyn bez farby, chuti a zápachu. Hustota – 0,0057. Metán je inertný, ale vytláčaním kyslíka (vytesňovanie prebieha v pomere: 5 objemových jednotiek metánu nahrádza 1 objemovú jednotku kyslíka, t.j. 5:1), môže predstavovať nebezpečenstvo pre ľudí. Zapaľuje sa pri teplote 650-750 0 C. Metán tvorí so vzduchom horľavé a výbušné zmesi. Pri obsiahnutí vo vzduchu do 5-6% horí pri zdroji tepla, od 5-6% do 14-16% exploduje, nad 14-16% nevybuchne. Najväčšia sila výbuchu je pri koncentrácii 9,5 %.

Jednou z vlastností metánu je oneskorenie záblesku po kontakte so zdrojom vznietenia. Čas oneskorenia blesku sa nazýva indukčné obdobie. Prítomnosť tohto obdobia vytvára podmienky na zabránenie vzniku ohnísk pri trhacích prácach s použitím bezpečnostných trhavín (HE).

Tlak plynu v mieste výbuchu je približne 9-krát vyšší ako počiatočný tlak zmesi plynu a vzduchu pred výbuchom. To môže spôsobiť tlak až 30 pri a vyššie. Rôzne prekážky v dielach (zúženia, výčnelky a pod.) prispievajú k zvýšeniu tlaku a zvýšeniu rýchlosti šírenia tlakovej vlny v banských dielach.