第2章 天然气物理化学性质

1、第二章 天然气物理化学性质学习目标1、 掌握天然气组成及其表示方法；2、 掌握天然气理想气体、实际气体气体状态方程及带压缩因子的状态方程；3、 熟悉天然气的物理性质、热力性质和燃烧性质。学习指导 天然气的组成； 天然气的容积分数； 天然气的摩尔分数； 天然气组成表示法 天然气分子量； 天然气平均密度； 天然气相对密度； 临界参数。 理想气体状态方程； 天然气气体状态方程 实际气体状态方程； 带压缩因子的状态方程。 粘度 天然气物理性质 湿度 比热和比热容 天然气的物理性质、热力性质和燃烧性质 天然气热力性质 焓 熵 导热系数 天然气燃烧热值 天然气的燃烧性质 天然气的爆炸极限 华白数、燃烧势内

2、容一、天然气组成表示法1. 天然气的组成2. 天然气的容积分数： 天然气的摩尔分数：3. 天然气分子量：4. 天然气平均密度： 天然气相对密度：5. 临界参数：； ； 适用：各组分的临界压力和临界比容接近（<20%），且任意二组分的临界温度满足0.5< Tci/Tcj <2的条件，否则，可能有很大计算误差。 对比参数：； ； ；或 二、天然气气体状态方程1. 理想气体状态方程：pV=mRT=nRMT2. 实际气体状态方程：（1）范德瓦耳方程：(P+a/V2)（V-b）RT（2）R-K方程： （3）SRK方程： （4）PR状态方程： （5）L-E-E方程是一个多参数状态方程：（

3、6）BWRS方程： 3.带压缩因子的状态方程： ； 在0.230.31范围内，化为：表达式叫修正的对比态原理。Z是一个状态参数，通过实验来确定。但对理想气体，在任何状态下都有Z=1。三、天然气的物理性质、热力性质和燃烧性质1.天然气物理性质：粘度、湿度2.天然气热力性质：比热和比热容，焓，熵，导热系数3.天然气的燃烧性质：天然气燃烧热值，天然气的爆炸极限，华白数、燃烧势练习1、 填空题1、 天然气的组成以 气体为主，并含有少量 气体。2、标准状态下，1kmol天然气的质量定义为 。3、在常温常压下，天然气的爆炸限为_。4、不计算水的汽化热的天然气热值称为天然气的_。答案：1、低分子饱和烃类，非

4、烃类； 2、天然气的平均分子量； 3、5%-15%； 4、净热值。2、 选择题1、天然气的黏度与天然气的（ ）有关。 A、相对分子质量、组成、温度、压力 B、相对分子质量、密度、温度、压力 C、组成、密度、湿度、压力 D、相对分子质量、组成、密度、压力 2、天然气的相对密度，是指压力为（ ），温度为273.15k条件下天然气密度与空气密度的比值。 A、1MPa B、1KPa C、101.32KPa D、1Pa答案：1、A 2、C 3、 简答题1、推导摩尔分数与容积分数的关系。答：定义混合物中各组分的容积为Vi，总容积V；摩尔分数yi：i组分的摩尔数ni与混合物总摩尔数n的比值。； ； 由分压定

5、律，存在piV= niRMT；pV=nRMT由分容定律，存在pVi= niRMT；pV=nRMT； 结论：对于理想气体混合物，任意组分的摩尔分数可以用该组分的分压与混合物总压的比值表示，且摩尔分数与容积分数相等。测验一、填空题1、在标准状态下，气体的密度与干空气的密度之比称为 。2、20标准状态，混合气体密度的计算公式 。3、对于理想气体,绝热指数是指_，用符号 。4、熵是_随状态变化而变化，只决定于初始状态与终了状态,与路径无关。熵的变化表征了_。5、温度越大，天然气的爆炸范围_，温度越低，天然气的爆炸范围_。答案：1、相对密度； 2、。 3、其比定压热容与必定容热容之比值), 4、状态参数

6、，可逆过程中热交换的方向与大小 5、越高，越小二、选择题1、单位数量的天然气中所含水蒸气的质量称之为天然气的（ ）。 A、饱和绝对湿度 B、相对湿度 C、水露点 D、绝对湿度2、在温度一定时，一定质量的天然气，压力越大密度（ ）。 A、越大 B、越小 C、不变3、天然气临界温度下列描述正确的是（ ） A、使天然气变成液体的最高温度称为天然气的临界温度B、使天然气变成液体的最低温度称为天然气的临界温度C、使天然气有液体变成气体的最高温度称为天然气的临界温度D、使天然气有液体变成气体的最低温度称为天然气的临界温度答案：1、D 2、A 3、A三、简答题1、爆炸极限是指什么？答： 可燃气体在空气中的浓

7、度低于某一极限时，氧化反应产生的热量不足以弥补散失的热量，使燃烧不能进行，这一极限称为着火下限；当其浓度超过某一极限时，由于缺氧也无法燃烧，该极限称为着火上限。着火极限又称爆炸极限。而上、下限之间的范围称做爆炸范围。2、理想气体状态方程表达式？使用条件？答：pv=RT；pVM=RMT；pV=mRT=nRMT 假设：分子是质点没有体积；分子间无作用力。当压力足够低、温度足够高，可近似使用理想气体状态方程。3、气体的焓的意义？答：气体的焓是指气体内能和体积与压力乘积之和，表达式可以写为H=U+pV或h=u+pv。焓是一种热力学状态参数，在工程计算中，用焓差计算物质加热或冷却时热量的变化。焓的零点通

8、常取绝对温度和绝对压力都为0的状态。案例天然气的燃烧性质受到哪些因素的影响？常见问题除了黏度和湿度，天然气还有哪些重要的物理性质？拓展学习1、输气管道设计与管理，王树立，赵会军，化学工业出版社，20062、天然气输配技术，严铭卿，化学工业出版社，20063、输气管道压气站-动力设备与节能工艺，苗承武，石油工业出版社，20054、城市配气，袁宗明，石油工业出版社，20055、输气管道设计与管理，姚光镇，石油大学出版社，19916、干线输气管道设计和管理，苗成武编译，石油工业出版社，20037、输气管道工程，王志昌，石油工业出版社，1997年8、干线输气管道实用工艺计算方法，苗承武，石油工业出版社

9、，20019、燃气输配(第三版)，段常贵，建筑工业出版社，2001天然气组成表示法知识结构 天然气气体状态方程 天然气物理化学性质 天然气的物理性质、热力性质和燃烧性质 第一节 天然气组成表示法学习指导：5. 天然气的组成6. 天然气的容积分数： 天然气的摩尔分数：7. 天然气分子量：8. 天然气平均密度： 天然气相对密度：5. 临界参数：； ； 适用：各组分的临界压力和临界比容接近（<20%），且任意二组分的临界温度满足0.5< Tci/Tcj <2的条件，否则，可能有很大计算误差。 对比参数：； ； ；或 内容： 一、天然气组成天然气是由多种可燃和不可燃的气体组成的混合气

10、体。以低分子饱和烃类气体为主，并含有少量非烃类气体。在烃类气体中，甲烷（CH4 ）占绝大部分，乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）和戊烷（C5H12）含量不多，庚烷以上（C5+）烷烃含量极少。另外，所含的少量非烃类气体一般有氮气（N2）、二氧化碳（CO2）、氢气（H2）、硫化氢（H2S）和水汽（H2O）以及微量的惰性气体。 二、天然气容积分数和摩尔分数定义混合物中各组分的容积为Vi，总容积V；摩尔分数yi：i组分的摩尔数ni与混合物总摩尔数n的比值。； ； 由分压定律，存在piV= niRMT；pV=nRMT由分容定律，存在pVi= niRMT；pV=nRMT； 结论：对于理

11、想气体混合物，任意组分的摩尔分数可以用该组分的分压与混合物总压的比值表示，且摩尔分数与容积分数相等。 三、天然气分子量标准状态下，1kmol天然气的质量定义为天然气的平均分子量，简称分子量。 四、天然气密度（1）平均密度混合气体密度指单位体积混合气体的质量。按下面公式计算：0标准状态 ； 20标准状态 任意温度与压力下 （2）相对密度在标准状态下，气体的密度与干空气的密度之比称为相对密度。对单组分气体： ：空气密度，kg/m3；在=101.325kPa，=273.15K时；=1.293 kg/m3在=101.325kPa，=293.15 K时；=1.206 kg/m3。对混合气体： 五、天然气

12、虚拟临界参数和对比参数 （1）临界参数使气体压缩成液态的极限温度称为该气体的临界温度。当温度等于临界温度时，使气体压缩成液体所需压力称为临界压力，此时状态称为临界状态。混合气体的虚拟临界参数可按凯（Kay）法则计算：； ； 适用：各组分的临界压力和临界比容接近（<20%），且任意二组分的临界温度满足0.5< Tci/Tcj <2的条件，否则，可能有很大计算误差。（2）对比参数天然气的压力、温度、密度与其临界压力、临界温度和临界密度之比称为天然气对比压力、对比温度和对比密度。； ； ；或 练习：1、 填空题1、 根据天然气组成，天然气可分为 ， ， ， ， ， 。2、 标准状态

13、下，1kmol天然气的质量定义为 。答案：1、干气，湿气，富气，贫气，酸气，洁气 2、天然气的平均分子量2、 简答题天然气容积分数和摩尔分数是指？他们的关系？答：定义混合物中各组分的容积为Vi，总容积V；摩尔分数yi：i组分的摩尔数ni与混合物总摩尔数n的比值。； ； 由分压定律，存在piV= niRMT；pV=nRMT由分容定律，存在pVi= niRMT；pV=nRMT； 结论：对于理想气体混合物，任意组分的摩尔分数可以用该组分的分压与混合物总压的比值表示，且摩尔分数与容积分数相等。测验：1、 填空题1、在标准状态下，气体的密度与干空气的密度之比称为 。2、 是由多种可燃和不可燃的气体组成的

14、混合气体。3、20标准状态，混合气体密度的计算公式 。答案：1、相对密度； 2、天然气； 3、。二、简答题什么是临界温度，临界压力。临界状态？答案：使气体压缩成液态的极限温度称为该气体的临界温度。当温度等于临界温度时，使气体压缩成液体所需压力称为临界压力，此时状态称为临界状态。案例：拓展学习：输气管道设计与管理，王树立，赵会军，化学工业出版社，2006输气管道设计与管理，姚光镇，石油大学出版社，1991干线输气管道设计和管理，苗成武编译，石油工业出版社，2003输气管道工程，王志昌，石油工业出版社，1997年燃气输配(第三版)，段常贵，建筑工业出版社，2001常见问题：第二节 天然气气体状态方

15、程学习指导：3. 理想气体状态方程：pV=mRT=nRMT4. 实际气体状态方程：（1）范德瓦耳方程：(P+a/V2)（V-b）RT（2）R-K方程： （3）SRK方程： （4）PR状态方程： （5）L-E-E方程是一个多参数状态方程：（6）BWRS方程： 3.带压缩因子的状态方程： ； 在0.230.31范围内，化为：表达式叫修正的对比态原理。Z是一个状态参数，通过实验来确定。但对理想气体，在任何状态下都有Z=1。内容： 一、理想气体状态方程pv=RT；pVM=RMT；pV=mRT=nRMT 假设：分子是质点没有体积；分子间无作用力。当压力足够低、温度足够高，可近似使用理想气体状态方程。 二

16、、实际气体状态方程（1）范德瓦耳方程荷兰物理学家范德瓦耳考虑了分子体积和分子间吸力的影响： (P+a/V2)（V-b）RT（2）R-K方程瑞得里奇-邝（Redlich-Kwong）方程是在范得瓦尔方程的基础上进行修正，于1949年提出的。解决了实际气体性质定量计算的问题。 （3）SRK方程Soave于1972年在R-K方程的基础上提出了另外的形式，解决在计算饱和气相密度时精度较差的问题。 （4）PR状态方程为进一步提高对热力学性质和气液平衡数据预测的准确性，Peng和Robinson在Soave模型基础上于1976年改进，提出PR状态方程。 （5）L-E-E方程是一个多参数状态方程，其形式为：

17、（6）BWRS方程本尼迪科特-韦勃-鲁宾1940年提出了能适应气液两相的8参数BWR状态方程，随后由Starling-Han在关联大量实验数据的基础上，对BWR方程进行修正，1970年提出了到目前认为用于天然气计算最精确的方程式之一的BWRS方程。 三、带压缩因子的状态方程Z压缩因子或压缩系数：表示实际气体与理想气体的差别。Z是一个状态参数，通过实验来确定。但对理想气体，在任何状态下都有Z=1。 ； 在0.230.31范围内，化为：表达式叫修正的对比态原理。习题：一、填空题1、 压缩因子或压缩系数是表示 。2、气体状态方程是描述 、 和 之间相互关系的方程。答案：1、实际气体与理想气体的差别

18、2、压力，比容，温度二、简答题什么是“PVT特性”？答：气体的压力P、密度（或比容v）和温度T这三者关系。测验：一、填空题1、当压力足够 、温度足够 ，可近似使用理想气体状态方程。2、当压力 或密度 时，分子间的相互作用力也变得越来越明显。答案：1、低，高 2、升高，增大2、 简答题1、什么是对比态原理。答：在相同的压力和温度下，不同流体的密度（或比容）是不同的，但是，处于相同对比状态的不同流体具有近似相同的对比密度（或对比容积）。2、什么是理想气体状态方程。答：pv=RT；pVM=RMT；pV=mRT=nRMT 假设：分子是质点没有体积；分子间无作用力。当压力足够低、温度足够高，可近似使用理

19、想气体状态方程。案例：已知：某天然气压力4.413MPa，温度5。气体组成体积分数（%）为：甲烷97.5，乙烷0.2，丙烷0.2，氮1.6，二氧化碳0.5。利用通用压缩因子图查其Z值。拓展学习：输气管道设计与管理，王树立，赵会军，化学工业出版社，2006输气管道设计与管理，姚光镇，石油大学出版社，1991干线输气管道设计和管理，苗成武编译，石油工业出版社，2003谢莉莉,刘劲松.天然气压缩因子的分析及其计算J. 上海计量测试. 2011 (05)第三节 天然气的物理性质、热力性质和燃烧性质学习指导：1.天然气物理性质：粘度、湿度2.天然气热力性质：比热和比热容，焓，熵，导热系数3.天然气的燃烧

20、性质：天然气燃烧热值，天然气的爆炸极限，华白数、燃烧势内容: 一、天然气物理性质 （一）粘度1.粘度分为动力粘度和运动粘度。动力粘度，单位Pa·S，常用泊（P）、厘泊（cp）。1 Pa·S =10P=1000cP在常压下混合动力粘度： 在不同温度下的粘度： 2.运动粘度，单位m2/S，常用托(St)、厘托（cst）。1m2/S=104 St =106 cst3.动力粘度与运动粘度的关系为：=/ （二）湿度 1.天然气含水量及水露点 天然气中含水汽多少用湿度或含水量来描述，与压力、温度和组成条件有关。 饱和含水量：一定条件下，天然气与液态水达到相平衡时气相中的含水汽量。 绝对

21、湿度：单位体积天然气中含有的水汽质量，单位为kg/m3或mg/m3。 饱和湿度：在一定温度和压力下，天然气含水汽量若达到饱和，则这个饱和时的含水汽量。 相对湿度：指同温度下，天然气实际的绝对湿度和饱和湿度之比。 水露点温度：在一定压力下，逐渐降低温度，天然气中水蒸气开始冷凝结露的温度，是表征天然气含水量的参数之一。2.天然气的烃露点 天然气烃露点：指一定组成的天然气，在一定压力下冷凝，当析出第一滴烃类液珠时的温度。 二、天然气的热力性质 1.比热和比热容比热：在不发生相变和化学变化的条件下，加热单位质量的物质时，温度升高1所吸收的热量。单位为kJ/（kg·K）或kJ/（kg·

22、;）。比热容:同样条件下，加热单位体积的物质时，温度升高1所吸收的热量，称为此物质的比热容，单位为kJ/（m3·K）或kJ/（m3·）。气体的比热还分为质量定容热容CV和质量定压热容CP。 ； （1） 对于理想气体而言,这两种比热之差等于气体常数 纯组分理想气体： 混合物质量定压热容： （2）实际气体比热容 1）计算法 2）查图法 或 2.焓 气体内能和体积与压力乘积之和称为气体的焓，H=U+pV或h=u+pv。 （1）理想气体焓单组分：hi0=Ai+BiT+CiT2+DiT3+EiT4+FiT5混合气体： （2）实际气体焓1）计算法 2）查图法 3.熵 熵是状态参数，随状

23、态变化而变化，只决定于初始状态与终了状态。与路径无关。熵的变化表征了可逆过程中热交换的方向与大小。 （1）理想气体熵单组分：si0=BilnT+2CiT+3/2DiT2+4/3EiT3+5/4FiT4+Gi混合气体：s0yi si'0 （2）实际气体熵1）计算法 2)查图法 4.导热系数 物质导热能力的特性参数，指沿着导热方向上温度梯度为1K/m时，单位时间内通过单位面积的热量，物质的基本性质之一，单位J/(m·s·k)或W/(m·k)。（1）查图、查表法对于混合气体的导热系数，在查得各组分的导热系数后，按下列方法计算1）压力较低，根据各组分摩尔组成按Ri

24、bblett公式计算yiiMi1/3/yiMi1/32）高压气体，按低压气体计算所得的导热系数，根据计算状态的对比压力和对比温度对其进行修正，查修正系数。 （2）计算法 1）低压单组分气体的导热系数用Misic和Thodos基于量纲分析提出的经验公式：对于甲烷、环烷烃和芳香烃，在Tr<1时： 对于其它碳氢化合物及其它对比温度范围 2）低压混合气体的导热系数低压下混合气体的导热系数可按Ribblet计算，平均误差在3%左右。3）温度对气体导热系数的影响 单组分： 混合气体： 4）压力对气体导热系数的影响压力对气体的影响可根据对比密度进行计算：r<0.5时 （-0）Zc5=（2.696

25、54×10-4）（e0.535r -1）0.5<r<2.0时 （-0）Zc5=（2.51972×10-4）（e0.67r 1.069）2.0<r<2.8时 （-0）Zc5=（5.74673×10-5）（e1.155r +2.016） 压力对混合气体导热系数的影响，仍可用上述公式计算，对比密度与气体种类无关，临界参数要按混合气体的视临界参数计算。 三、天然气的燃烧性质 1.天然气燃烧热值1m3燃气完全燃烧所放出的热量称为燃气的热值，简称热值。单位kJ/ m3。高热值（全热值）：在恒定压力1.01325×105 Pa、恒定温度T（25

26、）下燃气完全燃烧，生成的水蒸气完全以冷凝水的状态排出时所放出的热量；低热值（净热值）：在恒定压力1.01325×105 Pa、恒定温度T（25）下燃气完全燃烧，生成的水蒸气以气相排出时所放出的热量。 2.天然气的爆炸极限 可燃气体在空气中的浓度低于某一极限时，氧化反应产生的热量不足以弥补散失的热量，使燃烧不能进行，这一极限称为着火下限；当其浓度超过某一极限时，由于缺氧也无法燃烧，该极限称为着火上限。着火极限又称爆炸极限。而上、下限之间的范围称做爆炸范围。当气体不含氧或含有惰性气体时，爆炸极限范围将缩小。 3.华白数、燃烧势1）华白数（沃贝尔数、热负荷指数），是代表燃气性质对热负荷的综

27、合影响。等于燃气高热值Hs与相对密度开方的比值，单位kJ/m3。Ws = Hs/1/22）燃烧势是指燃气燃烧速度指数，是反映燃烧稳定状态的参数，即反映燃烧火焰产生离焰、黄焰、回火和不完全燃烧的倾向性参数。用来全面判定燃气的燃烧特性。当燃气的组分和性质变化较大，或者掺入的燃气与原来燃气性质相差较大时，燃气的燃烧速度会发生较大变化，仅用华白数已不能满足设计需要。燃烧势Cp=(aH2+bCO+cCH4+dCmHn)/1/2练习：一、选择题1、天然气的黏度与天然气的（ ）有关。 A、相对分子质量、组成、温度、压力 B、相对分子质量、密度、温度、压力 C、组成、密度、湿度、压力 D、相对分子质量、组成、

28、密度、压力2、在温度一定时，一定质量的天然气，压力越大密度（ ）。 A、越大 B、越小 C、不变 答案：1、A 2、A二、判断题：1、含有惰性气体越多，天然气的爆炸范围越大。（ ） 2、天然气在空气中的浓度低于可燃性下限，既不可能点燃，也不会发生爆炸。（ ） 3、天然气的相对分子质量随组成不同而没有变化。（ ）答案：1、× 2、 3、× 三、填空题：1、不计算水的汽化热的天然气热值称为天然气的_。2、在常温常压下，天然气的爆炸限为_。3、天然气的比容是指：_。4、天然气的热值是指：_。5、对于理想气体,绝热指数是指_，用符号 。答案：1、净热值 2、5%-15% 3、单位天

29、然气所占有的体积 4、单位数量的天然气在空气中燃烧所放出的热量 5、其比定压热容与必定容热容之比值),测验：1、 填空题1、熵是_随状态变化而变化，只决定于初始状态与终了状态,与路径无关。熵的变化表征了_。2、燃烧与爆炸的区别是_。3、温度越大，天然气的爆炸范围_，温度越低，天然气的爆炸范围_。4、压力增大，天然气的爆炸下限变化_，而上限明显_。答案：1、状态参数，可逆过程中热交换的方向与大小 2、氧化反应速度 3、越高，越小 4、不大，增大2、 选择题1、单位数量的天然气中所含水蒸气的质量称之为天然气的（ ）。 A、饱和绝对湿度 B、相对湿度 C、水露点 D、绝对湿度2、天然气的相对密度，是

30、指压力为（ ），温度为273.15k条件下天然气密度与空气密度的比值。 A、1MPa B、1KPa C、101.32KPa D、1Pa3、天然气临界温度下列描述正确的是（ ） A、使天然气变成液体的最高温度称为天然气的临界温度B、使天然气变成液体的最低温度称为天然气的临界温度C、使天然气有液体变成气体的最高温度称为天然气的临界温度D、使天然气有液体变成气体的最低温度称为天然气的临界温度答案：1、D 2、C 3、A3、 简答题1、气体的焓的意义？答：气体的焓是指气体内能和体积与压力乘积之和，表达式可以写为H=U+pV或h=u+pv。焓是一种热力学状态参数，在工程计算中，用焓差计算物质加热或冷却时

31、热量的变化。焓的零点通常取绝对温度和绝对压力都为0的状态。2、 物质导热能力的特性参数是指？答：物质导热能力的特性参数是指沿着导热方向上温度梯度为1K/m时，单位时间内通过单位面积的热量，是物质的基本性质之一，单位是J/(m·s·k)或W/(m·k)。案例：爆炸极限是指什么？答：可燃气体在空气中的浓度低于某一极限时，氧化反应产生的热量不足以弥补散失的热量，使燃烧不能进行，这一极限称为着火下限；当其浓度超过某一极限时，由于缺氧也无法燃烧，该极限称为着火上限。着火极限又称爆炸极限。而上、下限之间的范围称做爆炸范围。拓展学习：一、焦耳-汤姆逊系数的计算: 说明：让气体通

32、过多孔塞从高压区向低压区膨胀。过程稳定，绝热地进行。当流动充分缓慢时，在节流塞两侧气体有完全确定的压力和温度。尽管如此，因为气体不可能从低气压区向高气压区扩散，因而，过程不可逆的。这个过程没有传热，没有作轴功，没有位能变化，若忽略动能微小差异，则两侧焓相等。即h1=h2。在焦耳-汤姆逊膨胀中，初始焓和终止焓是相等的。因为气体在从初始平衡状态到终止平衡状态的路程上经过非平衡状态，过程是不可逆的。膨胀不是在等焓下进行的，而是仅满足初始焓等于终止焓的条件。进行一系列焦耳-汤姆逊膨胀实验。在每次实验高压P1值、温度T1值保持相同，低压维持不同的压力值，例如等，并测量出相应的温度值。然后可把这些数据画在T-P图上，得到离散点l，2a，2b等。因为h1=h2，所以通过这些点画出一条光滑曲线是等焓曲线。但这条曲线不代表气体通过节流塞