Petrol ve Doğal Gaz Kimyası (oil and gas chemistry)


1. PETROL KİMYASI

Ham petrol, 1’den 60’a kadar karbon atomu içeren hidrokarbon moleküllerin karışımıdır. Hidrokarbonların özellikleri, moleküllerindeki karbon ve hidrojen atomlarının sayısına ve düzenlenmesine bağlıdır.

Ham petrol, örneğin, su gibi tek bir bileşik değildir; bazıları büyük, bazıları küçük hidrokarbon moleküllerinin bir karışımıdır. Bir laboratuvar beherinde ısıtılan suyun sıcaklığı 212°F’a ulaşıncaya kadar yükselir, sonra kaynamaya başlar. Suyun tamamı buharlaşıp tükeninceye kadar sıcaklık aynı derecede kalır; çünkü suyun içindeki her molekül H2O’dur.

Ham petrol oda sıcaklığında (70°F dolayı) kaynamaya başlar, ısıtmaya devam edildiği süre boyunca kaynama devam edeceğinden, sıvı üzerinde buharın sıcaklığı yükselir; nedeni, sıcaklık arttıkça hampetroldeki çeşitli hidrokarbon molekülleri buharlaşarak veya kaynayarak sıvıyı terk etmesidir. Kalan karışımın kaynayabilmesi için daha yüksek sıcaklıklara gereksinim olur. Hidrokarbon molekülleri propanın kaynama noktası olan -44°F’dan, asfalt için gereken 1500°F’a kadar geniş bir aralığı kapsar.

Ham petrolün bileşimi ve görünüşü bulunduğu bölgeye ve yere göre farklıdır; akışkanlığı su gibilikten katranımsı katılara kadar, rengi açıktan siyaha kadar değişir. ‘Ortalama’ bir hampetrol %84 karbon, %14 hidrojen, %1-3 kükürt ve %1’den az azot, oksijen, metaller ve tuzlardan oluşur. Tablo-1’de hampetrollerin içerdiği hidrokarbonlar sınıflandırılarak her sınıfı temsil eden hidrokarbon tiplerinden birer örnek verilmiştir.


Tablo-1: Hampetrol Türleri, İçerdikleri
Tipik Hidrokarbon Tipleri

Ham petrolün kaynağı
Hidrokarbon tipi
S, % ağ.
API
yaklaşık
Naften verimi, % hac.
Oktan no
(tipik)
Paraf., % hac.
Arom. % hac.
Naften, % hac.
Nijerya-hafif
37
9
54
0.2
36
28
60
Suudi-hafif
63
19
18
2
34
22
40
Suudi-ağır
60
15
25
2.1
28
23
35
Venezüella-ağır
35
12
53
2.3
30
2
60
Venezüella-hafif
52
14
34
1.5
24
18
50
USA-Midcont.
-
-
-
0.4
40
-
-
USA-W. Texas
46
22
32
1.9
32
33
55
North Sea-Brent
50
16
34
0.4
37
31
50


İçerdiği hidrokarbon moleküllerine bağlı olarak hampetrolün rengi, bileşimi ve akışkanlığı değişir. Petrol çıkarılan bölgeler değiştikçe hampetrolün özellikleri de değişir. “Hafif” ve “ağır” sözcükleri, bir hampetrolün yoğunluğunu ve akmaya karşı direncini, yani viskozitesini tanımlar. Hafif hampetrol metal ve sülfür içeriği düşük, açık renkli, hafif kıvamlı ve kolaylıkla akabilen petroldür. Daha ucuz olan düşük kaliteli petrollerin metal ve sülfür miktarları yüksektir ve akışkan hale gelebilmesi için ısıtılmaları gerekir; bunlar ağır hampetroller olarak tanımlanır. Önemli miktarlarda hidrojen sülfür veya diğer reaktif sülfür bileşikleri içeren hampetrollere ‘sour’ (acı), az kükürtlü olanlara “sweet” (tatlı) hampetrol denir. Bu kuralın istisnaları West Texas ile Arap hampetrolleridir; birincisi içerdiği H2S’e bağlı olmaksızın daima “sour”dur, diğeri içerdiği kükürtlü bileşikler yüksek reaktivitede olmadığından “sour”olarak tanımlanmaz.

Ağır hampetrol çok viskozdur ve kolaylıkla akmaz. Tipik özellikleri yüksek spesifik gravite, düşük H/C oranı, yüksek karbon kalıntısı ve yüksek miktarlarda asfaltenler, ağır metaller, sülfür ve nitrojendir (Tablo-2).

Göreceli olarak basit denemelerle, hampetrol parafinik, aromatik, naftenik ve karışık bazlı olarak sınıflandırılır. Hampetrolde doymamış hidrokarbonların miktarı çok azdır, bu nedenle genellikle sınıflandırmaya alınmazlar (Tablo-3).


Tablo-2-: Tipik Bir Hampetrolün Bileşimi

Element
Bileşimi, %
Element
Bileşimi, %
Karbon
84-87
Nitrojen
0-1
Hidrojen
11-14
Oksijen
0-2
Sülfür
0-3




Tablo-3: Tipik Bir Hampetroldeki
Hidrokarbonların Dağılımı

Hidrokarbon tipi
% ağ.
Hidrokarbon tipi
% ağ.
Parafinler
28
Aromatikler
18
Naftenler
45
Asfaltenler
9


·         Parafinik bazlı hampetrollerde çoğunlukta olan hidrokarbonlar n-alkanlar, dallanmış alkanlar ve sikloalkanlardır (naftenler), asfaltik (veya bitum) maddeler çok azdır veya yoktur
·         Aromatik bazlı hampetroller tek halkalı veya kondens halkalı aromatik hidrokarbonlarca zengindir
·         Naftenik veya asfaltik bazlı hampetrollerde asfaltik maddeler çoktur, sülfür, nitrojen ve oksijenli bileşikler vardır, parafinler azdır veya hiç yoktur
·         Karışık bazlı hampetroller hem parafinik ve hem de naftenik yapılı hidrokarbonlar içerir. Ham petrollerin çoğu bu gruba girer

Ham petrolün yapısı hakkında bilgi veren bazı deneme yöntemleri vardır. Bunlardan biri API gravitelerine göre tanımlamadır. API hampetrolü viskozitelerine göre sınıflandıran Uluslararası bir sistemdir. Sistemde, ağırlık/hacim birimiyle ifade edilen yoğunluk yerine spesifik gravite değerlerinin fonksiyonu olan yerine API gravite dereceleri esas alınmıştır. Spesifik gravite bir maddenin belirli bir hacminin ağırlığının, sıcaklık aynı olmak koşuluyla, aynı hacimdeki suyun ağırlığına oranıdır. Spesifik gravite, API graviteye çevrilir.

                                       rör.(60°F)
Spes. gravite (60/60°F) = –––––––––
                                                      rsu (60°F)

                       141.5
API = –––––––––––––––––––– - 131.5
          Spes. gravite (60/60°F)

API gravite değerleri yükseldikçe hampetrol incelir; örneğin hafif (ince) hampetrollerin API graviteleri yüksek, spesifik graviteleri düşüktür. Düşük karbonlu, yüksek hidrojenli ve yüksek API graviteli hampetroller, genellikle, parafinlerce zengindir ve daha büyük oranlarda benzin ve hafif petrol ürünleri üretme eğilimindedirler; yüksek karbon, düşük hidrojen ve düşük API gravite değerleri ise hampetrolün, naftenik bileşiklerce zengin olduğunu gösterir. Hampetrol API derecelerine göre üç grupta toplanabilir (Tablo-4).

Naftenik hampetrollerin API derecesi 45 dolayındadır. Ağır hampetrollerde bu değer 20 ye, hatta 11’e kadar düşer. Örneğin, API gravitesi 35 olan bir hampetrolün ortalama bileşimi, %50 naftenler, %7 aromatikler, %8 asfaltenler, %25 doymuşlar ve %10 diğer bileşikler şeklinde dağılır.


Tablo-4: Hampetrol İçin API Sınıflandırma Sistemi

API Derecesi
Tanım
Viskozite
Renk
Ana bileşimi
0o – 22.3o
ağır
çok viskoz
koyu
asfalt
22.3o – 31.3o
orta
orta
kahve
benzin + dizel
31.3o – 47o
hafif
akışkan
açık sarı
kondensat / benzin


Hampetrollerin yapısını tanımlayan diğer bir yöntem, korelasyon indeksi denilen, BMCI veya CI (United States Bureau of Mines) değeridir. BMCI, bir distilasyon fraksiyonunun ortalama kaynama noktası ve yoğunluğuyla ilişkilidir ve parafinler için sıfır, benzen için 100 kabul edilmiştir. Değerin hesaplanmasında kullanılan eşitlik saf hidrokarbonların kaynama noktaları ve yoğunlukları kullanılarak çıkarılmıştır. Düşük BMCI değerleri fraksiyonun (veya doğrudan hampetrolün) parafinlerce zengin olduğunu, yüksek değerler aromatik yapılı bileşenlerin daha fazla bulunduğunu gösterir. Daha kapsamlı incelemelerde hampetrolün bazı değerleri (verimi, ürünlerin kalitesi gibi) ve işlenme parametreleri saptanır.

BMCI veya CI

              48640        473.7
BMCI= –––––––+ –––––––-456,8
                   K              d

K: fraksiyonun %50’sinin distillendiği kaynama noktası (Kelvin derecesi), d: fraksiyonun 60/60 0F’daki yoğunluğudur.

Eser Metaller: Hampetrolde doğal olarak az miktarlarda, nikel, demir ve vanadyum da dahil, çeşitli metaller vardır; bunlar rafinasyon sırasında uzaklaştırılır. Rafineri fırın ve kazanlarında ağır fuel oillerin yanmasıyla, fırın cidarlarında ve tüplerde vanadyum oksit ve nikel oksit kalıntılar oluşur. Eser miktarlardaki arsenik, vanadyum ve nikelin, bazı katalizörler için zehirleyici olmaları nedeniyle, proseslere alınmadan önce uzaklaştırılmaları önerilir.

Tuzlar: Ham petrollerde, süspansiyon veya çözünmüş (salamura) halde, sodyum klorür, magnezyum klorür ve kalsiyum klorürü gibi inorganik tuzlar bulunur. Bu tuzlar, katalizör zehirlenmesi, ekipman korozyonu ve arızalanmaları önlemek amacıyla, proseslerden önce uzaklaştırılmalı veya nötralleştirilmelidir. Tuz korozyonunun nedeni, bazı metal klorürlerin hidrolizlenerek hidrojen klorüre (HCl), bunun da, hampetrol ısıtılınca hidroklorik aside dönüşmesidir. Ayrıca hidrojen klorür de amonyakla birleşerek amonyum klorür (NH4Cl), oluşturur ki bu madde de arızalanmalara ve korozyona yol açar.

Karbon Dioksit: Karbon dioksit, hampetrolde doğal olarak bulunan veya proses sırasında ilave edilen, veya distilasyon işleminde kullanılan buharda bulunan bikarbonatların dekompozisyonuyla (bozunma) meydana gelir.


1. Bileşimi

a. Hidrokarbonlar

Hidrokarbonlar, karbon ve hidrojenden içeren organik bileşiklerdir; bunlar dört temel sınıf altında toplanır: parafinler, olefinler, naftenler ve aromatikler.

Ham petrol, 1’den 60’a kadar karbon atomu içeren, karbon ve hidrojenli hidrokarbon moleküllerin karışımıdır. Hidrokarbonların özellikleri, moleküllerindeki karbon ve hidrojen atomlarının sayısına ve düzenlenmesine bağlıdır. En basit hidrokarbon molekülü bir karbon ve dört hidrojen içeren metandır. Tüm diğer petrol hidrokarbonları bu molekülden türer.

Genellikle, dört karbon atomuna kadar olan hidrokarbonlar gaz halindedir; 5-19 karbon atomu içerenler sıvı, 20 ve daha fazla karbon atomlu moleküller ise katıdır. Rafineri proseslerinde, hampetrolde doğal olarak gruplar halinde bulunan benzer temel hidrokarbon moleküllerini ayırmak veya birleştirmek için kim- yasal maddeler, katalizörler, ısı ve basınç uygulanır. Proseslerle, bu moleküllerin yapıları ve bağlanma şekilleri yeniden düzenlenebilir, farklı hidrokarbon molekülleri ve bileşikler oluşturulur. Bu nedenlerle, rafineri prosesinde bu bileşiklerin hidrokarbon tipi (parafinik, naftenik ve aromatik), özel kimyasal bileşik olmasından daha önemlidir. Hampetrolde bulunan üç temel hidrokarbon grubu parafinik, naftenik ve aromatik bileşiklerdir.


a.1. Parafinik Hidrokarbonlar

Hampetrolde bulunan parafinik hidrokarbon bileşikleri serisi CnH1n+2 genel formülüyle gösterilir ve doymuş hidrokarbonlardır. Bunlarda karbon atomları ya zikzak zincirler (normal) veya dallanmış zincirler (izomer) şeklinde düzenlenmişlerdir. En hafif normal parafin molekülleri gazlarda ve parafin vakslarda (mumlar) bulunur. Metan, etan, propan ve bütan (gazlar 1-4 karbon atomu içerirler), pentan ve heksan (5-6 karbon atomlu sıvılar) zikzak zincirli moleküllere örnektir.

Dört veya daha fazla karbon atomlu parafinik hidrokarbonlar izomerik yapıda bulunabilirler; izomer, aynı sayıda karbon ve hidrojen atomu içeren, fakat karbon atomlarının düzenlenmeleri farklı olduğundan değişik fiziksel ve kimyasal özellikler gösteren maddelerdir.

Normal parafinlerde karbon atomları bir zincir yapısında düzenlenirken izoparafinlerde bir zincir iskelet üzerinde dallanmış başka zincirler bulunur. Örneğin sekiz karbon atomlu (C8H8) normal oktan (düz zincirli) ve izooktan (2,2,4-trimetilpentan, dallanmış zincirli) izomerik yapıya tipik bir örnektir. Dallanmış zincirli parafinler hampetrolün daha ağır fraksiyonlarında bulunur.



a.2. Naftenik Hidrokarbonlar

Naftenler, CnH2n Genel formüllü ve bazı karbon atomları halkalı (siklik) yapıda düzenlenmiş doymuş hidrokarbonlardır. Ham petrolün, çok hafifleri hariç, her fraksiyonunda bulunurlar; daha çok beş ve altı karbon atomlu tek-halkalı naftenler (monosiklo-parafinler) şeklindedirler. Tek halkalı naftenlerin genel formülleri olefinler gibi CnH2n şeklindedir. İki halkalı naftenler (disikloparafinler) nafta ürününün ağır fraksiyonunda bulunur.



a.3. Aromatik Hidrokarbonlar

Naftenik hidrokarbonlarda olduğu gibi, aromatik bileşiklerde de bazı karbon atomları bir halka şeklindedir, fakat birbirlerine tek bağla değil, aromatik bağlarla bağlanmışlardır. Aromatik yapının genel formülü CnH2n–6.dır; örneğin en basit aromatik bileşik benzenin formülü C6H6 dır.



En kompleks aromatikler olan polinükleer (veya polisiklik aromatik hidrokarbonlar, PCA veya PAH) aromatik bileşikler hampetrolün oldukça ağır fraksiyonlarında bulunur. Aromatik hidrokarbonlar grubundan olan bu sınıfının önemli bir özelliği çözünürlüğüdür. Asfaltenler karbon disülfürde (veya DMSO gibi sülfürlü hidrokarbonlarda) çözünürler, fakat n-pentan ve n-heptan gibi hafif hidrokarbonlarda çözünmezler. Birbirlerine yapışık aromatik halkalar içerirler, halkaların kenarlarında alifatik ve/veya naftenik zincirler, aromatik halkalarda nitrojen, sülfür, oksijen atomları ve vanadyum ve nikel kompleksleri bulunabilir.

Asfaltenler uçucu olmayan, yüksek molekül ağırlıklı petrol fraksiyonlarıdır. Birbirine yapışık aromatik halkalardan oluşurlar ve homojen olmayan düz levhalar şeklindedirler Ayrıca heptanda çözünmediklerinden hampetrolde sıvı halde değil, katı dispersiyon halinde bulunurlar; birbirlerine doğru çekilerek aglomerizasyon yapma eğilimindedirler.

Asfaltenler hampetrolde dispersiyon halinde bulunurlar ve reçinemsi bir yapıdadırlar. Bunlar, petrolün en yüksek molekül ağırlıklı ve en büyük yapılı bileşenleridir, belirli bir erime noktaları olmadığından yüksek karbon kalıntısı verirler, aglomere olarak kitap-yaprakları görünümünde yapılar oluştururlar.



a.4. Diğer Hidrokarbonlar

Alkenler: Genel formülleri CnH2n olan mono-olefinlerdir ve zincirde tek karbon-karbon çift bağı içerirler. En basit alken etilende, çift bağla bağlanmış iki karbon atomu ile dört hidrojen atomu vardır. Parafinlerde olduğu gibi, dört veya daha fazla karbon atomu içeren olefinler yapısal izomerler oluştururlar. Olefinler hampetrolde çok azdır, çoğunlukla termal ve katalitik kraking işlemleriyle meydana gelirler.



Dienler ve Alkinler: Dienler diolefinlerdir, iki karbon-karbon çift bağları vardır. Diğer bir doymamış hidrokarbonlar grubu da alkinlerdir, molekül içinde karbon-karbon üçlü bağ içerirler. Bu her iki hidrokarbonlar serisinin de genel formülleri CnH2n-2.dir. 1,2-Bütadien ve 1,3-bütadien gibi diolefinler ve asetilen gibi alkinler, C5 lerde ve krakingden çıkan hafif fraksiyonlarda bulunur.

Olefinler, diolefinler ve alkinler doymamış bileşiklerdir, karbon atomlarının tüm valenslerini doyurabilecek sayıda hidrojenden yoksundurlar; parafinler ve naftenler-den daha reaktiftirler ve hidrojen, klor ve brom gibi diğer elementlerle kolaylıkla birleşirler. Aşağıda tipik bazı dienler ve alkinlerin formülleri verilmiştir.



b. Hidrokarbon Olmayanlar

Hampetrolde karbon ve hidrojenden oluşan hidrokarbonlardan başka diğer bazı elementler içeren bileşikler de bulunur; bu elementlere heteroatomlar (“diğer atomlar”) denir. Heteroatomlar bağlanmış karbon ve hidrojenli bir bileşik hidrokarbon değildir. Hampetrolde bulunan başlıca heteroatomlar sülfür ve nitrojendir, ayrıca çok az vanadyum, nikel, sodyum ve potasyum da bulunur.

b.1. Sülfür Bileşikleri

Sülfür bileşiklerinin tipi ve miktarı hampetrolün bulunduğu yere göre ağırlıkça %2-6 arasında değişir. %1’den dazla çözünmüş hidrojen sülfür içeren hampetrol “sour (acı)” petrol olarak sınıflandırılır. Sülfürlü bileşiklerin kendilerine özgü rahatsız edici kokuları vardır, ki bu özellik onların hemen algılanmasını sağladığından, özellikle sağlık yönünden çok tehlikeli olan bu bileşiklerden sakınmayı kolaylaştırır.

Hampetrolde kükürt ya hidrojen sülfür (H2S) halinde, ya bileşikler (örneğin, merkaptanlar, sülfürler, disülfürler, tiofenler, v.s.) halinde veya elementel sülfür şeklinde bulunur ve ısıl dayanıklılıkları zayıftır; rafinasyon sırasında parçalanarak hidrojen sülfür ve basit organik sülfür bileşiklerine dönüşürler. Hidrojen sülfürdeki bir hidrojen atomunun yerine bir hidrokarbon grubunun girmesiyle merkaptanlar meydana gelir; bunlar, hampetrolün distilasyonu sırasında oluşurlar. Hidrojen sülfürdeki iki hidrojen atomu da hidrokarbon gruplarıyla yer değiştirdiğinde sülfür bileşikleri meydana gelir; örneğin, tiyofen (C4H4S) gibi. Her hampetroldeki sülfürlü bileşikler miktar ve tip olarak farklıdır, fakat ağır fraksiyonlarındaki miktarları daha fazla, daha kararlı ve daha karmaşık yapıdadırlar.






Doğal gazda, hampetrole göre daha fazla hidrojen sülfür bulunur. Volkanlardaki sülfür mineralleri sıcak suyla hidrolizlenerek  H2S çıkarırlar:

Metal S + H2O ®  Metal O + H2S

Rafineri akımlarındaki sülfür bileşiklerinden hidrodesülfürizasyon prosesiyle hidrojen sülfür, bu bileşiğin kısmi yanma işleminden geçirilmesiyle de elementel sülfür elde edilir (Claus prosesi).

Hidrojen sülfür zehirli bir gazdır; sinir sisteminde (ve diğer bazı sistemlerde) önemli hasarlar yaratır. Zehir etkisi hidrojen siyanürle kıyaslanabilir düzeydedir; mitikondriyal saytokrom enzimlerdeki demirle kompleks yaparak oksijeni bloke eder ve hücre solunumunu durdurur.



Hidrojen sülfür, rafineri proses ünitelerinde korozyona neden olan koşullardan en önemlisidir. Diğer korozif bileşikler elementel kükürt ve merkaptanlardır. Korozif sülfür bileşikleri fena kokuludur.

Rafineri ekipmanları, boru sistemleri ve tankların yapımında kullanılan demir ve çelik malzemeye kükürtlü bileşiklerin korozif etkisiyle piroforik demir sülfat oluşur. Kükürtlü bileşikler içeren petrol ürünlerinin yanmasıyla, sülfürik asit ve sülfür dioksit gibi istenmeyen maddeler açığa çıkar.


b.2. Oksijenli Bileşikler

Petrolde bulunan oksijenli bileşikler oldukça komplekstir ve bir kısmının yapıları henüz tam olarak tanımlanamamıştır. Petrolün distilasyonunda bazı bileşiklerin parçalanarak yan zincirlerinde karboksilik asitler bulunan ve naftenik asitler denilen halkalı yapıların oluştuğu, kraking prosesleri sonunda da bazı fenolik bileşiklerin bulunduğu bilinmektedir. Rafineri akımlarından elde edilen verilerden de yararlanılarak yapılan analizlerle, petroldeki oksijenli bileşiklerin çoğunun karmaşık yapılı karboksilik asitler, fenoller ve kresoller olduğu, esterler, amidler, ketonlar ve benzofuranlar gibi asidik olmayan bileşikleri daha az bulunduğu saptanmıştır. Asfaltlar yüksek-oksijenli bileşikler içerirler.

Çoğu asidik karakterde olduğundan oksijenli bileşiklerin hampetrol ve fraksiyonlarından uzaklaştırılmaları gerekir. Ham petrolün toplam asit değeri %0.03-3 arasında değişebilir. Katalitik proseslere verilen akımlarda S ve N kontrol altında tutulduğundan oksijenli bileşikler önemli bir sorun yaratmaz.

Asidik oksijenli bileşikler:



Asidik olmayan oksijenli bileşikler:




b.3. Nitrojenli Bileşikler

Ham petrollerin çoğunda nitrojen miktarı ağırlıkça %0.1’den azdır. Nitrojenli bileşikler ısıya dayanıklı olduklarından hafif rafineri akımlarında eser miktarlarda bulunurken, yüksek kaynayan fraksiyonlarda daha fazladırlar. Nitrojen, hafif fraksiyonlarda bazik bileşikler şeklindedir, daha ağır fraksiyonlarında ise, çoğunlukla, non bazik (baz olmayan) haldedir ve eser miktarlarda Cu, V, Ni metaller içerebilir. Proses fırınlarında nitrojen oksitler oluşur. Katalitik kraking ve hidrokraking proseslerinde nitrojen bileşiklerinin bozunmasıyla amonyak ve siyanürler meydana gelerek katalizörlere zehir etkisi yapar; bu nedenle katalitik proseslere verilen akımlar hidrotreating prosesinden geçirilerek nitrojen içeriği zararsız seviyelere düşürülür.



2. DOĞAL GAZ KİMYASI

1. Bileşimi ve Özellikleri

Doğal gaz metan, etan, propan, bütanlar, pentanlar ve heksanlar karışımıdır. Bunların dışında az miktarlarda (%0-0.5 hacimce) karbon dioksit, helyum, hidrojen sülfür ve nitrojen de içerir. Doğal gazın bileşimi çıkarıldığı bölgeye ve rezervuara göre değişir. Kabaca en önemli bileşeni hacimce %70-90 arasında değişen metan ve %0-20 etandır. Propan miktarı etandan biraz daha azdır.

Hampetrol gibi doğal gaz da içerdiği sülfür miktarına göre tatlı veya yumuşak (düşük sülfürlü) ve acı veya sert (yüksek sülfürlü) olarak tanımlanır. Ayrıca sıvılaşabilen gazlar içeriğine göre de ıslak ve kuru (metan >%85) doğal gaz olarak adlandırılır.


Şekil-1: İşlemlenmemiş doğal gazın temel elemanları

Doğal gazın diğer bir tanımı bulunduğu yatakta hampetrolle birarada olup olmadığını belirtir; bağlı (associated) doğal gaz hampetrol yataklarında bulunan doğal gazı tanımlar, bir yatakta önemli miktarlarda petrol olmadığında doğal gaz bağımsızdır (non-associated).

Doğal gaz, temiz yanan bir yakıttır. Kömür, petrol ve diğer fosil yakıtların kimyasal yapıları doğal gaza göre çok karmaşık olduğundan yandıklarında çeşitli zararlı maddeler oluşur. Doğal gaz korozif ve zehirli değildir, kolay ve kalıntı bırakmadan yanar, hava kirliliğine neden olabilecek emisyonları çok azdır.

Doğal gazda yapılacak işlemler içindeki bileşiklere göre değişir. Hidrojen sülfür miktarı az olan kuru bir gazda, nem miktarının ayarlanması dışında bir rafinas- yona gerek olmaz. Gaz kuru, fakat acı ise hidrojen sülfür ve karbon dioksitin uzaklaştırılması gerekir. Doğal gaz rafine edilerek diğer hidrokarbonlar ayrılır ve hemen hemen saf metan (CH4) olarak pazarlanır.

Fiziksel Özellikler

Doğal gaz renksiz, kokusuz ve tatsızdır, havadan daha hafiftir, -161º C’nin üstündeki sıcaklıklarda gaz halindedir; kullanılırken herhangi bir kaçak olması halinde kokusundan tanınması için merkaptan bileşikleri ilave edilir.

Doğal gaz nem, yoğunlaşabilen hidrokarbonlar (NGL), gerekliyse H2S ve CO2’den arındırıldıktan sonra fiziksel özellikleri, metana çok benzer. Yoğunlaşabilen hidrokarbonlar etan, propan, bütanlar, pentanlar ve daha ağır hidrokarbonlardır (Tablo-5).


Tablo-5: Doğal Gazda Bulunan Hidrokarbonları

Bileşik
K. noktası, 0C
Bileşik
K. noktası, 0C
Metan
−161.6
İzopentan
28.0
Etan
-88.6
n-Pentan
36.1
Propan
−42.1
Heksan
69.0
İzobütan
−11.7 °
Heptan
98.4
n-Bütan
−0.5




            

Kimyasal Özellikler

Doğal gazın enerjisi içerdiği hidrokarbonların tür ve miktarlarına göre değişir; hidrokarbon gazlarda ne kadar çok karbon atomu varsa yandığında elde edilen enerji de o kadar yüksek olur.  Doğal gazın %95 kadarı yakıt olarak kullanıldığından kalori değeri çok önemlidir. Kalori değeri, gazdaki hidrokarbonların oranına bağlıdır ve doğal gazın satışında “1 milyon Btu/1000 ft3 gaz esas alınır.

Doğal gazın kalorifik değeri 33.4-40.9 MJ/m3 (900-1100 Btu/ft3) aralığındadır. 1 mol metan gazı yandığında karbon dioksit ve su yanında 891 kJ enerji açığa çıkar; reaksiyonda oluşan su buharlaşır ve gerektiğinde buhar elde edilmekte kullanılabilir.

CH4(g) + 2 O2(g) ®  CO2(g) + 2 H2O(l) + 891 kJ