الغاز الطبيعي - تعريفات- التركيب - أماكن تواجده :
الغاز الطبيعي : عبارة عن خليط من الغازات الهيدروكربونيه التي تمتلك كتله جزيئيه منخفضة وتتشكل من غازات هيدروكربونيه مشبعه (CnH2n+2) وغازات غير هيدروكربونيه كالنتروجين (N2) وثاني اكسيدالكربون (CO2) وغاز (H2S)وقليل من الغازات النادرة كالهليوم والأرجوان.
الغازات التي تحتوي على كميات ملحوظة من (H2S) أو (CO2) أو كلاهما تدعى بالغازات الحامضية (Sour or Acid Gases) .ينبغي أن تزال هذه الشوائب قبل استعمال الغاز كوقود .
الغاز الطبيعي المسال (GasLiquefied Natural) : فهو غاز الميثان بالدرجة الأساسية الذي يضغط بضغط جوي عند تبريده إلى 2600F)) (0C162.2-) ونتيجة لعملية التبريد والتحويل إلى سائل يقل الحجم بنسبة (1: 600) وأن مايقارب (%15) من الطاقة تستنفذ في عملية التحويل . [14]
- تركيب الغاز :-
إن التركيب الحقيقي للغاز يمكن أن يختلف بمدى واسع , حتى أنه قد يختلف في بئرين لإنتاج الغاز من نفس الحقل , الجدول يبن التركيبات الاساسيه للهيدروكربونات الغازية المنتجة من حقول مختلفة , إن تركيب الغاز المنتج من حقل ما قد يتغير مع الوقت إذا ما تكاثفت السوائل في الحقل نتيجة لانخفاض الضغط .
- التركيب الهيدروكربوني النموذجي للغاز الطبيعي :-[9,14]

 

 

أماكن تواجد الغاز الطبيعي :-

أ‌) التواجد الجغرافي :
إن الظروف الجيولوجية اللازمة لتواجد تجمعات تجاريه من الغاز الطبيعي متوفرة في مناطق عديدة من العالم مثل : روسيا والولايات المتحدة الأمريكيه والشرق الأوسط .
ب‌) التواجد الجيولوجي :
هناك بعض المستلزمات التي يجب توفرها للحصول على تجمعات نفطية وغازيه تجاريه وهي :
1) صخور المنشاء (A source) : وهي المادة الاساسيه التي منها ينشأ النفط .
2) وجود طبقات (Beds) : تتصف بالمسامية (porosity) والنفاذية(permeability) حيث يمكن للنفط المتواجد فيها أن يقوم بعملية الهجرة وعمليه التجميع بعد تكوينه .
3) تواجد المصيدة (Trap) أو الظروف تحت السطحية (Condition Sub Surface) : تمنع حركه النفط إلى مسافة ابعد للحصول على تجمعات نفطية بكميات تجاريه.
إن الغاز الطبيعي يتولد من مواد عضويه تحت تأثير الازدياد المطرد لدرجات الحرارة مع الوقت , وان لكل من نوع المادة العضوية ودرجه الحرارة معاناة خاصة ودور في التحكم بنشؤ الغاز . يمكن أن تقسم المادة العضوية إلى قسمين رئيسيين بالاعتماد على أصل نشوئها من أحياء تنمو على سطح الأرض أو في الماء , اى أنها ماده عضويه أرضية (Terrestrial) أو مائية (Aquatic) . الاعتقاد السائد هو أن المواد العضوية الارضيه تنتج غازاً طبيعياً وبعضاً من خامات شمعية Cwaxy) Crude) بينما تنتج المواد العضوية المائية الخامات الطبيعية (NormalCrude) , إن هذا الحصر ضروري في تقدير أقصى عمق لتواجد الغاز الطبيعي . لهذا تكون دلتا الأنهار بيئات ترسبيه للتجمعات الغازية .
إن أقدم وأعمق الرسوبيات قد تكونت في الجرف القاري (Continental Rift) وهي غنية بالمواد العضوية الأرضية وتغطى بترسبات بحرية (Marine Sediments) تحتوي على كميات وافره من المواد العضوية المائية حيث يظهر المقطع العمودي مواداً عضويه مولده للغاز (Gas-generating Organic Matter) في القعر ومــواد عضويه مــولده للنفط مــن الأعـــلى Oil - generating Organic Matter)) . [14]
- أشكال تواجد الغاز الطبيعي :
يتواجد الغاز الطبيعي بعده أشكال :
1) الغاز الحر(Free Gas) : ويدعي أحيانا بالغاز الطبيعي ويكون هذا الغاز على نوعين :
جافاً : حيث يحتوي على الميثان مع كميات قليله من الإيثان .
رطباً : حيث يحتوي على كميات كبيرة من الفحوم الهيدروكربونيه الأعلى من الميثان .

 

 

وينقسم الغاز الحر بدوره إلى :
ا) الغاز الحر الطبيعي : وهو عبارة ن فحوم هيدروجينية خفيفة من C1- C3 وقد تحتوي على فحوم أعلى من ذلك , يتواجد هذا النوع من الغاز في المكامن الغازية .
ب) غازات القبعة الغازية : يتواجد فوق النفط على شكل قبعة وتلاحظ القبب الغازية الكبيرة فوق النفط الخفيف ويتكون هذا الغاز من مزيج من الغازات الجافة والرطبة.
2) الغازات المصاحبة (Associated Gases) :
تستخرج الغازات المصاحبة مع البترول وتكون هذه الغازات في ظروف الطبقة (على عمق كبير وتحت ضغط مرتفع) ذائبة في البترول . وينفصل الغاز عن البترول عند خروج الأخير سطح الأرض نتيجه الانخفاض بالضغط وتنتمي إلى الغازات الدسمة (البنزين الغازي) .
3) غازات حقول الغاز المتكثف (Condensate Gases) :
يطلق هذا الاسم على الغازات المشبعة في ظروف الطبقة بالهيدروكربونات البترولية السائلة وعند خروج مثل هذا الغاز إلى سطح الأرض يترسب الطور السائل على هيئة متكثف يفصل بسهولة من الكتلة الأساسية للغاز , وتحتوي غازات حقول الغاز المتكثف على نسبة كبيرة من البروبان وكذلك على الهيدروكربونات ذات الوزن الجزيئي المرتفع التي تدخل في قطفات البترول الجازولينيه والكيروسينية وأحيانا من قطفات وقود الديزل .
وتحتوي الغازات الطبيعية ايضاً على الشوائب الغير هيدروكربونيه مثل كبريتيد الهيدروجين والنتروجين وثاني أكسيد الكربون وأبخرة الماء . [9]
خواص الغاز الطبيعي المسال (LNG) هي :
· درجة الغليان من (-160 oC) إلى (-162 oC) .
· الوزن الجزئي kg/kmoL(16 – 19) .
· الكثافة (425 – 485) kg/m3 .
· القيمة الحرارية (1030 – 1180) Btu/scf .
· السعة الحرارية النوعية (2.2 – 3.7) kJ/kg.oC .
· اللزوجة (0.11– 0.18) Cp .
· الموصلية الحرارية (0.19 – 0.22) W/m.oC.
· الحجم النوعي m3/kg0.46.
· عديم اللون والرائحة .
· لا يسبب التأكل وغير سام .
· عند تبخره فإنه يشتعل فقط في درجات تركيز من 5 - 15% عند مزجه بالهواء . [4]

 

لقد جرت منذ اوئل القرن الثامن عشر محـاولات لإسالة الغـاز الطبيعي وكانت معـظمها فاشلة لأنها اقتصرت على زيادة الضغـط (P) دون البلوغ إلى درجة الحـرارة الحـرجة (Tc) التي لم تكن معروفة آنذاك كما فشلة محـاولات كثيرة لإسالة الهيدروجين والنتروجين والأكسجين لعـدم توفر وسائل التبريد للوصول إلى درجات الحـرارة الحـرجة لهذه الغـازات لذا سميت بالغـازات الدائمة (Permanentgases) ولقد أصبح معروفاً بان أية محـاولات لإسالة غـاز ما يجب أن يسبقها تبريد الغـاز لدرجة حرارته الحـرجة أولاً وعند ذلك يلزم مقدار من الضغـط لانجاز عملية الإسالة وكان أول من أدرك هذه الحقيـقة العـالم (كانياروي لاتور) إذ أستنتج من تجـاربه بأنه توجد حرارة معينة عند تجاوزها لايمكن تحويل الغـاز إلى سائل مهما كان الضغـط الواقع عليها ولقد سماها العالم (اندروز) بالدرجة الحـرجة ويدعى الضغـط اللازم لإسالة الغـاز بالضغـط الحـرج (Pc) ويسمى حجم كمية الغـاز عند درجته وضغـطه الحرجين بالحجم الحـرج (Vc) .
ويعتبر العـالم (اندرويز) أول من حدد الظروف التي تتحكم في إسالة الغـاز سنة 1869م وانه قام بتجـاربه المشهورة من تأثير درجة الحرارة والضغـط في حجم معين من ثاني اوكسيد الكربون وقد لاحظ أن درجة حرارة ثاني اوكسيد الكربون إذا تجـاوزت oC313 استحالة إسالته وقد تمكن العالمان (كايتي وبيكي) من إسالة الأكسجين والنتروجين سنة 1877م . واليوم تحضر جميع الغـازات صناعياً بالرغم من تفاوت خواصها بعملية تقنية مشابهة بحيث تشكل عمليات الإسالة بالتثليج (Refrigeration) خطوة مشتركه ضمن خطوات التحضير .[11]

(2 - 2) الهـدف من عملية التسييل :
1- عند التسبيل يقل حجم الغـاز بحدود 600 مرة كما أن مليار متر مكعب من الغـاز يزن حوالي 700الـف طن عند التسييل مما يسهل نقله لمسافات طويلة خاصة عند عملية تسويقه .
2- سهولـة عملية الخزن لكميات كبيرة منه في حيز صغير .
سهولة السيطرة على احتراقه

 

العمليـات الأولية الأساسية قبل عملية التسييل :
يحتوي الغـاز المنتج من الحقـول على شوائب كثيرة أهمها :-
1- شوائب صلبة : تتمثل في الرماد والغبار وبعض الأجزاء المعـدنية الأخرى نتيجة تآكل المعـادنوهي تعمل بدورها على تآكل أجزاء الضواغط وتسيء إلى عمل الصمامات , كما إن تراكمها في المناطـق المنخفـضة في الأنبوب يؤدي إلى تناقص المقـطع الحي للجريان وبالتالي استطاعة الخط .
2- غاز ثاني أكسيد الكربون : الـذي من جهة يخفـض القيمة الحرارية للغـاز كما إنه يشكل بوجود الماء مركبات حمضيه تسبب التآكل من جهة أخرى .
3- بعـض المركبات الكبريتية : مثل المركبتانات وكبريت الهيدروجين التي تضر بوحدات التصنيع وكذلك الأنابيب كما أنها تعمل على تسميم الوسائط المستعملة في عمليات التصنيع الكيميائية .
4- أبخرة الماء : حيث يؤدي تجمع المياه المتكاثـفة في حنايا الأنبوب المنخفـضة إلى تآكل المعـدن لا سيما إذا كانت قلوية أو حمضيه .
والجدير بالذكر أيضاً انه نتيجة لظروف معينة كانخفاض درجات الحرارة فان الماء المتواجد على شكل أبخرة في الغـاز سوف يتجمد داخل الأنابيب مشكلاً هيدرات صلبة مثل : (C3H8.17H2O), (C2H6.7H2O) , (CH4.7H2O) كما إن وجود كبريتيد الهيدروجين في الغاز يشكل مع الماء هيدرات صلبه (C2S.5H2O) عند درجات الحرارة المنخفضة الأمر الذي يؤدي إلى انسداد الأنابيب مع الإشارة إلى التأثير التأكلي الكبير لكبريت الهيدروجين لوجود أبخرة الماء على معدن الأنابيب والتجهيزات الحقلية الأخرى .
استناداً إلى العوامل السابقة لابد قبل ضخ الغاز في الأنابيب من تخليصه من جميع الشوائب المذكورة أعلاه :- [9]
نزع كبريتيد الهيدروجين وثاني اوكسيد الكربون من الغاز الطبيعي :
تسمى عملية نزع (H2S) و (CO2) من الغاز الطبيعي بعملية التحلية (Sweetening) والجدير بالذكر أن هذه العملية في غاية الأهمية بسبب أن الغازات الحامضيه ومنها غاز كبريتيد الهيدروجين الذي تبلغ كثافته (1.521kg/cm3) وكثافته النسبية (1.176) هو غاز سام ويكفي أن يصل تركيزه في الهواء إلى (0.1%) حتى يؤدي إلى فقدان وعي الإنسان وقد يؤدي إلى الموت بسبب تأثيره على المراكز العصبية التي تنظم عمل القلب . من جهة أخرى فان غاز (H2S) يتصف بتأثيره التأكلي على معادن الأنابيب والتجهيزات المستخدمة ويجب أن لا تتعدى نسبة تركيزه في الهواء عن (0.02%) ملغ / لتر .
ونذكر في مايلي أهم الطرق المستخدمة في استخلاص غازات (H2S) و (CO2) من الغاز الطبيعي :
1- الطريقة الجافة :
يستخدم هذا النوع في الحالات التي يتطلب فيها فصلاً كاملاً لكبريتيد الهيدروجين وذلك من كمية صغيرة نسبياً من الغاز , وتتلخص باستخدام مواد ماصة صلبة مثل هيدرو اوكسيد الحديد مع الكربون المنشط كوسيط منشط وتعتبر هذه الطريقة من العمليات القديمة المستخدمة في هذا المجال . الجدير بالذكر أن هذه العملية غير مجديه في حالة احتوى الغـاز على نسبة كبيره من كبريتيد الهيدروجين وغاز الفحم بسبب الترسيب الناتج عن الكبريت المستخلص .
2- الطريقة السائلة :
تعتمد هذه الطريقة من اجل تنقية حجوم كبيره من الغاز وذلك باستخدام محاليل نذكر منها :-
- طريقة محلول كربونات الصوديوم :
حيث يدخل محلول كربونات الصوديوم (Na2CO3) إلى أعلى برج غسيل الغاز حيث يصادف أثناء هبوطه الغاز الخاضع للتنقية الذي يحتوي على غاز كبريتيد الهيدروجين ويتجه من الأسفل إلى الأعلى وعند التلامس يحصل التفاعل التالي :
Na2CO3 + H2S⇌NaHS + NaCO3
يتم نقل محلول الصودا من جهاز الغسيل إلى جهاز الاسترجاع حيث يتم غسل المحلول بتيار من الهواء أما الهواء وكبريتيد الهيدروجين الخارجان من برج الاسترجاع فيتم حرقهما .
من عيوب هذه الطريقة : عدم استخلاص الكبريت من الغاز بشكل جيد إضافة إلى عدم الاستفادة من الكبريت الناتج .
- طريقة محلول مجموعة الأمينات :
تعتبر هذه الطريقة من الطرق الفعالة في تنقية الغاز الطبيعي من غاز كبريتيد الهيدروجين ويتم ذلك باستخدام أحدى الوسائط التالية :-
1- أحادي ايثانول أمين Monoethanole amine : ذو الصيغة (NH2(CH2CH2OH .
2- ثنائي ايثانول أمينDiethanol amine : ذو الصيغة NH2(CH2CH2OH)2 .
3- ثلاثي ايثانول أمينTriethanol amine : ذو الصيغةNH2(CH2CH2OH)3 .
وتتميز هذه المواد بقدرتها على امتصاص غازات كبريتيد الهيدروجين وغازات الكربون , من صفات آحادي ايثانول أمين انه سائل عديم اللون ذو رائحة قويه مخرشة قابل للاشتعال عند تعرضه للهب , له درجة متوسطة للسمية , ويسبب تلف الأنسجة المخاطية والجلد وهومن المواد التي تسبب الحساسية . ويمتزج بالماء ولا يذوب بالمركبات الهيدروكربونيه وله قدرة كبيرة على انتزاع الغازات الحامضية وهو ثابت كيميائي ولا يتفكك ويمكن استرجاعه ثانية لاستخدامه . أما بقية الأمينات فهي تمتلك نفس الخواص السابقة مع تغيير بسيط بسب الوزن الجزيئي لكل مركب

 

تجفيف الغـاز :
الجدير بالذكر أن الهيدرات تتشكل فقط في حالة وجود البخار على شكل قطرات سائلة ولذلك فان تجفيف الغاز لايقتصر في خفض كمية بخار الماء في المزيج الغازي وإنما يهدف إلى تخفيض درجة الندى إلى الحد الذي يمنع ظهور الرطوبة على شكل قطرات سائله في الغاز .
ودرجة الندى : هي أعلى درجة حرارة تتكون عندها قطرات الماء في المزيج الغازي .
هناك عدة طرق من اجل تجفيف الغاز:
1- تجفيف الغـاز بالتبريد :
تنطوي هذه الطريقة على تبريد الغـاز عند ضغط المبرد على درجة الحرارة الملائمة التي يتكاثف عندها الماء ويزال حيث إن زيادة الضغط أو نقصان درجة الحرارة يؤدي إلى إنقاص محتوى الماء المشبع في الغاز.
2- تجفيف الغـاز كيميائياً :
تستعمل هذه الطر يقه في حالة توفر المادة الكيميائية التي تتفاعل مع الماء فقط دون أن يحصل تفكك لمركبات الغاز وبالتالي تغيير تركيبه والواقع إن هذه الطريقة قليلة الاستعمال .
3- تجفيف الغـاز بالامتصاص :
وذلك بمساعدة سائل ماص (Absorbent) مناسب للغـاز المعالج وبحيث يحقق الشروط التالية :-
1- أن يكون السائل المستخدم في الامتصاص قليل الانحلالية في الغـاز والسوائل الهيدروكربونيه .
2- أن لا يتفاعل مع مركبات الغـاز ويؤدي إلى تحللها .
3- أن يكون شرهاً للماء .
4- أن لايشكل رغوة أو مستحلبات .
5- أن تكون لزوجته متوسطه أو منخفضة نسبياً .
6- أن لا يسبب تأكل في معدن التجهيزات.
7- أن يكون سهل الاسترجاع .
8- أن يكون رخيص الثمن ومتوفر .
9- أن يكون ثابتاً خلال عملية الاسترجاع .
ومن أهم المواد التي تحقق بشكل تقريبي المواصفات المذكورة أعلاه نذكر منها :-
1- إيثيلين جليكول : الذي يدعى عادة جليكول ذوالصيغة التالية (CH2-OH-CH2-OH)والكثافة (1.117g/cm3) والوزن الجزئي ((106.12 ودرجــــة غليان عند الضـــغط الجوي (197.5oC).يمتزج الجليكول مع الماء بجميع النسب حيث أن محلوله المائييمتزج بدرجــــــة حرارة تجمـــدمنخفضة .
2- ثنائي إيثيلين الجليكول (DEG) : ذو الصيغة التالية (CH2OH-CH2-OH-CH4OH) والكثافة( 1.117g/㎤) والوزن الجزيئي (106.12) ودرجة الغليان عند الضغط الجوي (244.5oC) ويحضر (DEG) من اتحاد جزيئين من إيثيلين الجليكول مع أنتاج جزي ماء.
3- ثلاثي إيثيلين الجليكول : ذو الصيغة التالية ( CH2OH-CH2-O-CH2-CH2-O-CH2-CH2OH) ذوالكثافة (1.1254g/cm3) والوزن الجزيئي (150.17) ودرجة غليانه عند الضغط الجوي (287.5oC) .
ويحضر من اتحاد ثلاثة أجزاء من إيثيلين الجليكول مع جزي الماء
-
- تجفيف الغـاز بالامتزاز (الادمصاص) :
يعرف الادمصاص على انه توقف بعض مكونات الغـاز على سطح المادة المازه بفعل القوى السطحية لمادة الامتزاز قوى فاندرفالس , وتمتلك مواد الامتزاز خاصية انتزاع الماء من الهيدروكربونات الخفيفة ومن ثم طردها عند درجات الحرارة المرتفعة أي أثناء تنشيط مادة الامتزاز وبشكل عام يجب أن تتمتع مادة الامتزاز بالخواص التالية :-
1- سعة امتزاز كبيرة (مساحة سطحية واسعة) .
2- مسامية كبيرة وصلابة .
3- أن تكون سهلة الاسترجاع .
4- لاتقاوم حركة الغازات مقاومة كبيرة .
5- أن تكون خاملة كيميائياً ولا تتفاعل مع مركبات الغاز .
6- مقاومة ميكانيكية لتجنب التهشم وتكون الغبار .
يجب أن يكون الوسط الصلب ( الماز) غير متفاعل كيميائياً أثناء دورات العمل وغير مسبب لتآكل المعادن .
وتوجد حالياً عدة مواد صلبة تتميز بأغلب الصفات المذكورة أعلاه مثل :-
أ‌- البوكسيت (AL2O3) .
ب‌- كلوريد الكالسيوم (CaCL2) .
ج- السيليكاجل .
وتقضي العملية بتمرير الغاز الرطب إلى جهاز الامتزاز الذي يحوي طبقة من حبيبات المادة حيث يمر الغاز من خلال طبقة المادة من الأسفل إلى الأعلى .
بعد استعمال المادة فتره من الزمن (12 – 16hr) يحول الغـاز إلى برج امتزاز أخر وتجري عملية تنشيط مادة الامتزاز في البرج الأول حيث يسخن قسم من الغاز الناتج عن برج الامتزاز إلى درجة من (180 - 200oC) ويرسل إلى جهاز الامتزاز المطلوب تنشيطه .
الغازات الناتجة عن التنشيط تبرد في مبرد خاص حيث ينفصل الماء عن الغاز وتستغرق فترة التنشيط من (6 - 7hr) . [9]

 

Dry GasWet GasAssociated GasSymbolComponent97.1759.5227.52C1Methane
1.895.3616.34C2Ethane
0.294.7129.18C3Propane
0.132.035.37i-C4i-Butane
0.122.3917.18n- C4n- Butane
0.071.82.18i- C5i -Pentane
0.051.611.72n-C5n -Pentane
0.042.600.47C6Hexane
0.2419.980.04C7Heptanes plus
100.00100.00100.00
Total
الجدول يبين التركيب النموذجي للغاز الطبيعي .