燃气输配-01第一章-燃气的分类及其性质

1、燃气输配燃气输配 Gas transmission & distribution 第一章第一章 燃气的分类及其性质燃气的分类及其性质 1.1 1.1 燃气的分类燃气的分类 1.2 1.2 燃气的基本性质燃气的基本性质 1.3 1.3 城镇燃气的质量要求城镇燃气的质量要求 1.1 1.1 燃气的分类燃气的分类 一、按气源分类一、按气源分类 天然气天然气 人工燃气人工燃气 液化石油气液化石油气 生物气（沼气）生物气（沼气） 天然气天然气 纯天然气纯天然气 低发热值约为低发热值约为3336036300kJm3 石油伴生气石油伴生气 低发热值约为低发热值约为41900 kJm3 凝析气田气凝析气田气

2、低发热值约为低发热值约为48360 kJm3 矿井气矿井气 低发热值约为低发热值约为18840 kJm3 人工燃气人工燃气 固体燃料干馏煤气固体燃料干馏煤气 固体燃料气化煤气固体燃料气化煤气 油制气油制气 高炉煤气高炉煤气 焦炉煤气焦炉煤气 连续式直立炭化炉煤气连续式直立炭化炉煤气 立箱炉煤气立箱炉煤气 压力气化煤气压力气化煤气 水煤气水煤气 发生炉煤气发生炉煤气 重油蓄热热裂解气重油蓄热热裂解气 重油蓄热催化裂解气重油蓄热催化裂解气 二、按燃烧特性分类二、按燃烧特性分类 分分 类类华白指数（华白指数（MJ/mMJ/m3 3）典型燃气典型燃气 一类燃气一类燃气17.817.835.835.8人

3、工燃气人工燃气 二类燃气二类燃气 L L族族 H H族族 35.835.853.753.7 35.835.851.651.6 51.651.653.753.7 天然气天然气 三类燃气三类燃气71.571.587.287.2液化石油气液化石油气 国际煤气联盟国际煤气联盟(IGU) (IGU) 燃气分类燃气分类 1.2 1.2 燃气的基本性质燃气的基本性质 一、混合气体及混合液体的平均分子量、平均密度和相对密度一、混合气体及混合液体的平均分子量、平均密度和相对密度 二、二、临界参数临界参数及实际气体状态方程及实际气体状态方程 三、粘度三、粘度 四、饱和蒸气压及四、饱和蒸气压及相平衡常数相平衡常数

4、五、沸点和露点五、沸点和露点 六、液化石油气的气化潜热六、液化石油气的气化潜热 七、容积膨胀七、容积膨胀 八、八、爆炸极限爆炸极限 九、水化物九、水化物 十、液化石油气的状态图十、液化石油气的状态图 一、混合气体及混合液体的一、混合气体及混合液体的平均分子量平均分子量、平均密度平均密度和和相对密度相对密度 100 1 混合气体的混合气体的平均分子量平均分子量可按下式计算可按下式计算： M= 100 1 （y1M1+y2M2+ynMn） 式中式中: M M混合气体平均分子量混合气体平均分子量 y y1 1、y y2 2y yn n各单一气体容积成分各单一气体容积成分( () ) M M1 1、M

5、 M2 2M Mn n各单一气体分子量各单一气体分子量 混合液体的平均分子量可按下式计算：混合液体的平均分子量可按下式计算： M= （x1M1+x2M2+xnMn） 式中式中: M M混合液体平均分子量混合液体平均分子量 x x1 1、x x2 2x xn n 各单一液体分子成分 各单一液体分子成分( () ) M M1 1、M M2 2M Mn n各单一液体分子量各单一液体分子量 混合气体混合气体平均密度平均密度和和相对密度相对密度按下式计算：按下式计算： M V M S= M V M 293.1293.1 式中式中: : 混合气体平均密度混合气体平均密度(kg(kgm m3 3) ) M

6、V 混合气体平均摩尔容积混合气体平均摩尔容积(m(m3 3kmol)kmol) S S混合气体相对密度混合气体相对密度( (空气为空气为1) 1) 1.2931.293标准状态下空气的密度标准状态下空气的密度(kg(kgm m3 3) ) 注注: : 对于由双原子气体和甲烷组成的混合气体，标准对于由双原子气体和甲烷组成的混合气体，标准 状态下的状态下的V VM M可取 可取22.4m22.4m3 3kmolkmol，而对于由其他碳氢化，而对于由其他碳氢化 合物组成的混合气体，则取合物组成的混合气体，则取22m22m3 3kmolkmol。 混合气体平均密度还可按下式计算：混合气体平均密度还可按

7、下式计算： ).( 100 1 2211nn yyy 燃气通常含有水蒸气，则湿燃气密度可按下式计算：燃气通常含有水蒸气，则湿燃气密度可按下式计算： d d w 833. 0 833. 0 )( 式中式中 : w 湿燃气密度湿燃气密度(kg(kgm3)m3) 干燃气密度干燃气密度(kg(kgm3)m3) d d水蒸气含量水蒸气含量(kg(kgm3m3干燃气干燃气) ) 0.833 0.833水蒸气密度水蒸气密度(kg(kgm3)m3) u干、湿燃气容积成分按下式换算：干、湿燃气容积成分按下式换算： i w i kyy 式中式中: : w i y湿燃气容积成分湿燃气容积成分( () ) i y 干

8、燃气容积成分干燃气容积成分( () k换算系数，换算系数， d k 833. 0 833. 0 例例: : 已知干燃气的容积成分为甲烷已知干燃气的容积成分为甲烷27%27%，一氧化碳，一氧化碳6%6%，氢气，氢气 56%56%，二氧化碳，二氧化碳3%3%，氧气，氧气1%1%，氮气，氮气5%5%，CmHn(CmHn(按丙烯按丙烯)2%)2%。求混。求混 合气体平均分子量、平均密度和相对密度。若含湿量为合气体平均分子量、平均密度和相对密度。若含湿量为0.002 0.002 kgkgm m3 3干燃气，求湿燃气的容积成分及其平均密度。干燃气，求湿燃气的容积成分及其平均密度。 二、临界参数及实际气体状

9、态方程二、临界参数及实际气体状态方程 临界参数定义临界参数定义: : 温度不超过某一数值，对气体进行加压，温度不超过某一数值，对气体进行加压， 可以使气体液化，而在该温度以上，无论加多大压力都不可以使气体液化，而在该温度以上，无论加多大压力都不 能使气体液化，这个温度就叫该气体的临界温度。在临界能使气体液化，这个温度就叫该气体的临界温度。在临界 温度下，使气体液化所必须的压力叫做临界压力。温度下，使气体液化所必须的压力叫做临界压力。 几种气体的液态几种气体的液态- -气态平衡曲线气态平衡曲线 气体的临界温度越高，越易液化。气体温度比临气体的临界温度越高，越易液化。气体温度比临 界温度越低，则液

10、化所需压力越小。界温度越低，则液化所需压力越小。 实际气体状态方程实际气体状态方程: : P=P=Z ZRTRT 式中式中: P: P气体的绝对压力气体的绝对压力(Pa)(Pa) 气体的比容气体的比容(m3(m3kg)kg) Z Z压缩因子压缩因子 R R气体常数气体常数JJ(kg(kgK)K) T T气体的热力学温度气体的热力学温度(K)(K) 气体的压缩因子气体的压缩因子Z Z与对比温度与对比温度TrTr、对比压力、对比压力PrPr的关系的关系 当当Pr Pr 1 1， Tr=0.6Tr=0.61.01.0 当当Pr Pr 5.65.6， Tr=1.0Tr=1.02.02.0 所谓对比温度

11、所谓对比温度TrTr，就是工作温度，就是工作温度T T与临界温度与临界温度TcTc的比值，而对的比值，而对 比压力比压力PrPr，就是工作压力，就是工作压力P P与临界压力与临界压力PcPc的比值。的比值。此处温度为热此处温度为热 力学温度，压力为绝对压力。力学温度，压力为绝对压力。 例例: : 有一内径为有一内径为900mm900mm、长为、长为115km115km的天然气管道。当天的天然气管道。当天 然气的平均压力为然气的平均压力为3.04MPa3.04MPa、温度为、温度为278K278K，求管道中的，求管道中的 天然气在标准状态下天然气在标准状态下(101325Pa(101325Pa、

12、273.15K)273.15K)的体积。已的体积。已 知天然气的容积成分为甲烷知天然气的容积成分为甲烷97.597.5，乙烷，乙烷0.20.2，丙烷，丙烷 0.20.2，氮气，氮气1.61.6，二氧化碳，二氧化碳0.50.5。 三、粘度三、粘度 u 混合气体的动力粘度可以近似地按下式计算：混合气体的动力粘度可以近似地按下式计算： n n n ggg ggg 2 2 1 1 21 式中式中: : 混合气体在混合气体在00时的动力粘度（时的动力粘度（PaPas s） 1 g 2 g n g 1 2 n 各组分的各组分的质量成分质量成分（）（） 、 相应各组分在相应各组分在00时的动力粘度（时的动力

13、粘度（PaPas s） t()时混合气体的动力粘度按下式计算：时混合气体的动力粘度按下式计算： 2 3 273 273 T CT C t 式中式中 t()t()时混合气体的动力粘度时混合气体的动力粘度(Pa(Pas)s)； T T混合气体的热力学温度混合气体的热力学温度(K)(K)； C C混合气体的无因次实验系数，可用混合法则求得。混合气体的无因次实验系数，可用混合法则求得。 单一气体的单一气体的C C值可以查表得到值可以查表得到。 t 液态碳氢化合物的动力粘度随分子量的增液态碳氢化合物的动力粘度随分子量的增 加而增大，随温度的上升而急剧减小。气态碳加而增大，随温度的上升而急剧减小。气态碳

14、氢化合物的动力粘度则正相反，分子量越大，氢化合物的动力粘度则正相反，分子量越大， 动力粘度越小，温度越上升，动力粘度越增大，动力粘度越小，温度越上升，动力粘度越增大， 这对于一般的气体都适用。这对于一般的气体都适用。 u混合液体的动力粘度可以近似地按下式计算：混合液体的动力粘度可以近似地按下式计算： n n xxx 2 2 1 1 1 式中式中: 1 x 2 x n x 1 2 n 、 各组分的分子成分（）；各组分的分子成分（）； 、 各组分的动力粘度（各组分的动力粘度（PaPas s）；）； 混合液体的动力粘度（混合液体的动力粘度（PaPas s）。）。 u混合气体和混合液体的运动粘度为：混

15、合气体和混合液体的运动粘度为： 式中：式中： 混合气体或混合液体的运动粘度混合气体或混合液体的运动粘度(m(m2 2s)s) 相应的动力粘度相应的动力粘度(Pa(Pas)s) 混合气体或混合液体的密度混合气体或混合液体的密度(kg(kgm m3 3) ) 四、饱和蒸气压及相平衡常数四、饱和蒸气压及相平衡常数 饱和蒸气压概念：饱和蒸气压概念： 液态烃的饱和蒸气压，简称液态烃的饱和蒸气压，简称蒸气压蒸气压，就是在一定，就是在一定 温度下密闭容器中的液体及其蒸气处于温度下密闭容器中的液体及其蒸气处于动态平衡动态平衡时蒸时蒸 气所表示的绝对压力。气所表示的绝对压力。 注：蒸气压与密闭容器的大小及液量无

16、关，仅取决注：蒸气压与密闭容器的大小及液量无关，仅取决 于温度。温度升高时，蒸气压增大。于温度。温度升高时，蒸气压增大。 u 混合液体的蒸气压混合液体的蒸气压 iii PxPP 根据道尔顿定律、拉乌尔定律：根据道尔顿定律、拉乌尔定律： P i P i x i P 混合液体的蒸气压（混合液体的蒸气压（Pa） 混合液体任一组分的蒸气分压（混合液体任一组分的蒸气分压（Pa） 混合液体中该组分的分子成分（）混合液体中该组分的分子成分（） 该纯组分在同温度下的蒸气压（该纯组分在同温度下的蒸气压（Pa） 式中：式中： 如果容器中为丙烷和丁烷所组成的液 如果容器中为丙烷和丁烷所组成的液 化石油气，当温度一定

17、时，其蒸气压取化石油气，当温度一定时，其蒸气压取 决于丙烷和丁烷含量的比例。决于丙烷和丁烷含量的比例。 当使用容器中的液化石油气时，总是先蒸发出较当使用容器中的液化石油气时，总是先蒸发出较 多的丙烷，而剩余的液体中丙烷的含量渐渐减少，所多的丙烷，而剩余的液体中丙烷的含量渐渐减少，所 以温度虽然不变，容器中的蒸气压也会逐渐下降。以温度虽然不变，容器中的蒸气压也会逐渐下降。 如图所示是随着丙烷、正丁烷混合物的消耗，当如图所示是随着丙烷、正丁烷混合物的消耗，当1515时容时容 器中不同剩余量气相组成和液相组成的变化情况。器中不同剩余量气相组成和液相组成的变化情况。 （a a）气相组成的变化）气相组成

18、的变化 （b b）液相组成的变化）液相组成的变化 u相平衡常数相平衡常数 概念：概念： i i ii k x y P P i k P i P i y i x 式中：式中： 相平衡常数；相平衡常数； 混合液体的蒸气压；混合液体的蒸气压； 混合液体任一组分饱和蒸气压；混合液体任一组分饱和蒸气压； 该组分在气相中的分子成分该组分在气相中的分子成分( (等于容积成分等于容积成分) ) 该组分在液相中的分子成分。该组分在液相中的分子成分。 iii PxP PyP ii 相平衡常数相平衡常数表示在一定温度下，一定组成的气液平衡表示在一定温度下，一定组成的气液平衡 系统中，某一组分在该温度下的饱和蒸气压与混

19、合液体蒸系统中，某一组分在该温度下的饱和蒸气压与混合液体蒸 气压的气压的比值是一个常数比值是一个常数。并且，在一定温度和压力下，气。并且，在一定温度和压力下，气 液两相达到平衡状态时，气相中某一组分的分子成分与其液两相达到平衡状态时，气相中某一组分的分子成分与其 液相中的分子成分的比值，同样是一个常数。液相中的分子成分的比值，同样是一个常数。 工程上，常利用相平衡常数来计算液化石油气工程上，常利用相平衡常数来计算液化石油气 的气相组成或液相组成。的气相组成或液相组成。 值可由图值可由图1 18 8查得。查得。 k 图图 18 18 一些碳氢化合物的相平衡常数计算图一些碳氢化合物的相平衡常数计算

20、图 1甲烷甲烷 2已烷已烷 3丙烷丙烷 4正丁烷正丁烷 5异丁烷异丁烷 6正戊烷正戊烷 7异戊烷异戊烷 8乙烯乙烯 9丙烯丙烯 液化石油气的气相和液相组成之间的换算还可按下液化石油气的气相和液相组成之间的换算还可按下 列公式计算：列公式计算： 1. 1.当已知液相分子组成，需确定气相组成时，先计算系当已知液相分子组成，需确定气相组成时，先计算系 统的压力，然后确定各组分的分子成分，即统的压力，然后确定各组分的分子成分，即 P Px y ii i 2.2.当已知气相分子组成，需确定液相组成时，也是先确当已知气相分子组成，需确定液相组成时，也是先确 定系统的压力，即定系统的压力，即 P x PP

21、x P y i i i i 11 n n i i P y P y P y P y P 2 2 1 1 11 i i i P Py x 例：例：已知液化石油气由丙烷已知液化石油气由丙烷C C3 3H H8 8，正丁烷，正丁烷 nCnC4 4H H10 10和异丁烷 和异丁烷iCiC4 4H H10 10组成，其液相分子 组成，其液相分子 组成为组成为=70=70，=20=20，=10=10，求温度，求温度 为为2020时系统的压力和达到平衡状态时气时系统的压力和达到平衡状态时气 相分子组成。相分子组成。 五、沸点和露点五、沸点和露点 概念：概念： 通常所说的通常所说的沸点沸点指指101325Pa

22、101325Pa压力下液体沸腾时压力下液体沸腾时 的温度。的温度。 饱和蒸气经冷却或加压，立即处于过饱和状饱和蒸气经冷却或加压，立即处于过饱和状 态，当遇到接触面或凝结核便液化成露，这时的态，当遇到接触面或凝结核便液化成露，这时的 温度称为温度称为露点露点。 当用管道输送气体碳氢化合物时，必须保持其当用管道输送气体碳氢化合物时，必须保持其 温度在露点以上，以防凝结，阻碍输气。温度在露点以上，以防凝结，阻碍输气。 露点的直接计算露点的直接计算 : 工程中特别是液化石油气管道供气的工程中所处理的工程中特别是液化石油气管道供气的工程中所处理的 气态液化石油气或液化石油气气态液化石油气或液化石油气空气

23、混合气一般处于压力空气混合气一般处于压力 为为0.10.10.3MPa0.3MPa的范围内，很需要对它们进行露点计算。的范围内，很需要对它们进行露点计算。 用于这种情况的计算公式是：用于这种情况的计算公式是： 155 i i d a y cPt 六、液化石油气的气化潜热六、液化石油气的气化潜热 气化潜热气化潜热就是单位质量就是单位质量(1kg)(1kg)的液体变成与其处的液体变成与其处 于平衡状态的蒸气所吸收的热量。于平衡状态的蒸气所吸收的热量。 名称名称甲烷甲烷乙烷乙烷丙烷丙烷 正丁正丁 烷烷 异丁烷异丁烷乙烯乙烯丙烯丙烯 丁烯丁烯- - 1 1 顺丁烯顺丁烯 -2-2 反丁反丁 烯烯-2-

24、2 异丁异丁 烯烯 正戊正戊 烷烷 沸点沸点（） （101325Pa） - - 162.6162.6 88.588.542.142.10.50.510.210.2103.7103.747.047.06.266.263.723.720.880.886.96.936.236.2 气化潜热气化潜热 （KJ/kgKJ/kg） 510.8510.8485.7485.7422.9422.9383.5383.5366.3366.3481.5481.5439.6439.6391.0391.0416.2416.2405.7405.7394.4394.4355.9355.9 部分碳氢化合物的沸点及沸点时的气化潜热

25、部分碳氢化合物的沸点及沸点时的气化潜热 七、容积膨胀七、容积膨胀 液态碳氢化合物的液态碳氢化合物的容积膨胀系数容积膨胀系数很大，约比水很大，约比水 大大1616倍。在灌装容器时必须考虑由温度变化引起的倍。在灌装容器时必须考虑由温度变化引起的 容积增大，留出必需的气相空间容积。容积增大，留出必需的气相空间容积。 一些液态碳氢化合物的容积膨胀系数列于表一些液态碳氢化合物的容积膨胀系数列于表1- 1- 1212。 液态碳氢化合物的容积膨胀液态碳氢化合物的容积膨胀 12112221121112 111ttkVttkVttkVV nn 对于单一液体对于单一液体 对于混合液体对于混合液体: 1212 1t

26、tVV 1 V 2 V 式中式中: : 温度为温度为t1()t1()时的液体体积；时的液体体积； 温度为温度为t2()t2()时的液体体积；时的液体体积； t t1 1至至t t2 2温度范围内的容积膨胀系数平均值温度范围内的容积膨胀系数平均值 八、爆炸极限八、爆炸极限 可燃气体和空气的混合物遇明火而引起爆炸可燃气体和空气的混合物遇明火而引起爆炸 时的可燃气体浓度范围称为时的可燃气体浓度范围称为爆炸极限爆炸极限。在这种。在这种 混合物中当可燃气体的含量减少到不能形成爆混合物中当可燃气体的含量减少到不能形成爆 炸混合物时的那一含量，称为可燃气体的炸混合物时的那一含量，称为可燃气体的爆炸爆炸 下限

27、下限，而当可燃气体含量一直增加到不能形成，而当可燃气体含量一直增加到不能形成 爆炸混合物时的含量，称为爆炸混合物时的含量，称为爆炸上限爆炸上限。 概念：概念： ( (一一) )只含有可燃气体的混合气体的只含有可燃气体的混合气体的爆炸极限爆炸极限 ( (二二) )含有惰性气体的混合气体的含有惰性气体的混合气体的爆炸极限爆炸极限 （三）含有氧气的混合气体（三）含有氧气的混合气体爆炸极限爆炸极限 n n L y L y L y L 2 2 1 1 100 n n n n L y L y L y L y L y L y L 2 2 1 1 2 2 1 1 100 Air nA T y L L 100

28、例：例：已知燃气的容积成分为已知燃气的容积成分为 =5.7=5.7， = = 5.35.3， =1.7=1.7， = 8.4= 8.4， = 20.93= 20.93， =18.27=18.27， =39.7=39.7。求该燃气的爆炸。求该燃气的爆炸 极限极限(C(Cm mH Hn n按 按C C3 3H H6 6计算计算) )。 2 CO y 2 CO y nmH C y 2 O y CO y 2 H y 4 CH y 2 N y 九、水化物九、水化物 如果碳氢化合物中的水分超过一定含量，在一定如果碳氢化合物中的水分超过一定含量，在一定 温度压力条件下，水能与液相和气相的温度压力条件下，水能

29、与液相和气相的C C1 1、C C2 2、C C3 3和和 C C4 4生成生成结晶水化物结晶水化物C Cm mH Hn nxH xH2 20 0( (对于甲烷，对于甲烷，x=6x=67 7； 对于乙烷，对于乙烷，x=6x=6；对于丙烷及异丁烷，；对于丙烷及异丁烷，x=17)x=17)。 水化物生成条件水化物生成条件 ： 在湿气中形成水化物的在湿气中形成水化物的主要条件主要条件是压力及是压力及 温度，温度，次要条件次要条件是：含有杂质、高速、紊流、是：含有杂质、高速、紊流、 脉动脉动( (例如由活塞式压送机引起的例如由活塞式压送机引起的) )，急剧转弯，急剧转弯 等因素。等因素。 概念：概念：

30、 水化物的生成，会缩小管道的流通断面，甚水化物的生成，会缩小管道的流通断面，甚 至堵塞管线、阀件和设备。至堵塞管线、阀件和设备。 水化物的防止：水化物的防止： v采用降低压力、升高温度、加入可以使水化采用降低压力、升高温度、加入可以使水化 物分解的反应剂物分解的反应剂( (防冻剂防冻剂) )。 v脱水，使气体中水分含量降低到不致形成水脱水，使气体中水分含量降低到不致形成水 化物的程度。化物的程度。 十、液化石油气的状态图十、液化石油气的状态图 状态图的使用方法：状态图的使用方法： 在进行气态或液态碳氢化合物的热力计算时，在进行气态或液态碳氢化合物的热力计算时， 一般需要使用饱和蒸气压一般需要使用饱和蒸气压P P、比容、比容、温度、温度T T、焓、焓 值值i i及熵值及熵值s s等等5 5种状态参数。为了使用上的方便，种状态参数。为了使用上的方便， 将这些参数值绘制成曲线将这些参数值绘制成曲线 图，一般称之为图，一般称之为状态图。状态图。 只要知道上述五个参数中的只要知道上述五个参数中的任意两个任意两个，即可，即可 在状态图上确定其在状态图上确定其状态点，状态点，相应查出该状态下的相应查出该状态下的 其他其他各参数值。各参数