第1章天然气的物理化学性质

1、2022-6-1西南石油学院储运研究所1第一章第一章 天然气的物理化学性质天然气的物理化学性质第一节第一节 天然气的化学组成与分类天然气的化学组成与分类 一一.天然气输送方法天然气输送方法 大宗天然气的输送方法目前只有两种，一是用管大宗天然气的输送方法目前只有两种，一是用管道输送，二是将天然气液化后用专用的油轮运输。道输送，二是将天然气液化后用专用的油轮运输。1.液化天然气运输液化天然气运输2.管道输气管道输气液化天然气（液化天然气（LNG）是天然气经净）是天然气经净化处理后，通过低温冷却而成的液态化处理后，通过低温冷却而成的液态产物，其体积为原气态体积的产物，其体积为原气态体积的1/600。

2、为在常压下保持液态，必须将其冷却为在常压下保持液态，必须将其冷却至至-162以下。液态时，可以用液化以下。液态时，可以用液化天然气运输船运输。液化天然气运达天然气运输船运输。液化天然气运达接收的港口后，卸入接收站的低温储接收的港口后，卸入接收站的低温储罐中储存，然后通过加热再气化后，罐中储存，然后通过加热再气化后，以气态形式用管道输送至用户。目前以气态形式用管道输送至用户。目前我国正在积极发展液化天然气系统。我国正在积极发展液化天然气系统。广东、上海、大庆、长庆等地均已建广东、上海、大庆、长庆等地均已建或在建液化天然气生产装置。或在建液化天然气生产装置。2022-6-1西南石油学院储运研究所2

3、二二. .天然气气质要求天然气气质要求 1. 天然气质量的三项要求天然气质量的三项要求1）天然气组成）天然气组成 大量组分八个：大量组分八个：甲烷甲烷、乙烷、丙烷、总丁烷、总戊烷、乙烷、丙烷、总丁烷、总戊烷、C6+、氮、二氧、氮、二氧化碳；化碳； 少量组分五个：氢、不饱和烃总量、一氧化碳、氧、氦；少量组分五个：氢、不饱和烃总量、一氧化碳、氧、氦； 微量组分五个：硫化氢、硫醇、羰基硫、总硫、水分微量组分五个：硫化氢、硫醇、羰基硫、总硫、水分。2）物理性质）物理性质 标准状态下的总发热量、标准状态下的沃贝指数（标准状态下的总发热量、标准状态下的沃贝指数（Wobbe Index）、）、相对密度、压缩

4、因子和露点相对密度、压缩因子和露点3）其他要求）其他要求 在管输温度、压力条件下，不存在液相的水和烃类；在管输温度、压力条件下，不存在液相的水和烃类； 固体颗粒的含量不影响输送与利用；固体颗粒的含量不影响输送与利用； 存在的其他气体组分不影响输送和利用。存在的其他气体组分不影响输送和利用。2022-6-1西南石油学院储运研究所3 1）我国我国输气管道工程设计规范输气管道工程设计规范（GB50251)规定管输天然气气质要求：规定管输天然气气质要求： 进入输气管道的气体必须清除其中的杂质；进入输气管道的气体必须清除其中的杂质； 水露点应低于输气条件下最低管输气体温度水露点应低于输气条件下最低管输气

5、体温度5； 烃露点应低于或等于最低管输气体温度；烃露点应低于或等于最低管输气体温度； 气体中硫化氢含量不大于气体中硫化氢含量不大于20mg/m3； 如输送不符合上述质量的气体，必须采取相应的如输送不符合上述质量的气体，必须采取相应的保护措施保护措施。2022-6-1西南石油学院储运研究所42）GB17820-1999对天然气的质量要求对天然气的质量要求2022-6-1西南石油学院储运研究所53.部分国家、团体对天然气质量要求的规定部分国家、团体对天然气质量要求的规定1 1）美国材料试验学会）美国材料试验学会ASTM D-3ASTM D-3委员会委员会19811981年年7 7月对管输天然气的质

6、月对管输天然气的质量要求量要求2022-6-1西南石油学院储运研究所62022-6-1西南石油学院储运研究所72022-6-1西南石油学院储运研究所82022-6-1西南石油学院储运研究所92022-6-1西南石油学院储运研究所10三三.天然气的分类天然气的分类 1.按矿藏特点分类按矿藏特点分类 1）气井气（）气井气（gas well gas） 2）凝析井气（）凝析井气（condensate gas） 3）油田气（）油田气（oil field gas）2022-6-1西南石油学院储运研究所112.按天然气的烃类组成分类按天然气的烃类组成分类 1）C5界定法界定法干、湿气的划分干、湿气的划分 干

7、气（干气（dry gas）：指在）：指在1m3井口流出物井口流出物中，中， C5以上烃液含量低于以上烃液含量低于13.5cm3的天然的天然气。气。 湿气湿气(wet gas)：指在：指在1m3井口流出物中，井口流出物中， C5以上烃液含量高于以上烃液含量高于13.5cm3的天然气。的天然气。2022-6-1西南石油学院储运研究所122） C3界定法界定法贫、富气的划分贫、富气的划分 贫气（贫气（lean gas）：）：指在指在1m3井口流出物中，井口流出物中， C3以上烃类液体含量低于以上烃类液体含量低于94cm3的天然气的天然气。 富气（富气（rich gas）：）：指在指在1m3井口流出物

8、中，井口流出物中， C3以上烃类液体含量高于以上烃类液体含量高于94cm3的天然气的天然气。指适合作天然气加工厂原料并能从中提取产品的气体。指适合作天然气加工厂原料并能从中提取产品的气体。2022-6-1西南石油学院储运研究所133.按酸气（按酸气（acid gas)含量分类含量分类 酸性天然气（酸性天然气（sour gas）：每标立方米天：每标立方米天然气中含硫量大于然气中含硫量大于1克的气。克的气。 洁气（洁气（sweet gas）：每标立方米天然气：每标立方米天然气中含硫量小于中含硫量小于1克的称为净气。克的称为净气。2022-6-1西南石油学院储运研究所14四.天然气组成表示方法天然气

9、组成表示方法 1质量（俗称重量）组成质量（俗称重量）组成 如用符号如用符号gi表示组分表示组分i的质量组成，则的质量组成，则 1）用百分数表示时）用百分数表示时 100iiimmg10021nggg2022-6-1西南石油学院储运研究所152）用小数表示时）用小数表示时iiimmg121nggg2022-6-1西南石油学院储运研究所162体积组成体积组成1）用百分数表示时）用百分数表示时100iiiVVv10021nvvv2022-6-1西南石油学院储运研究所172）用小数表示时）用小数表示时iiiVVv121nvvv2022-6-1西南石油学院储运研究所18 3摩尔组成（即分子组成）摩尔组成

10、（即分子组成）如用符号如用符号yi表示组分表示组分i的摩尔组成，则的摩尔组成，则1）用百分数表示时）用百分数表示时100iiinny10021nyyy2022-6-1西南石油学院储运研究所192）用小数表示时）用小数表示时iiinny121nyyy2022-6-1西南石油学院储运研究所20 （1）如果已知天然气的质量组成）如果已知天然气的质量组成gi，要，要求换算为体积组成求换算为体积组成vi或摩尔组成或摩尔组成yi，可用，可用下式下式 iiiiiiiMgMgnny/2022-6-1西南石油学院储运研究所21iiiiiiiMyMymmg2022-6-1西南石油学院储运研究所22(3)已知天然气

11、的体积百分数已知天然气的体积百分数vi,利用下面方利用下面方法可换算为质量百分数法可换算为质量百分数gi。 第一步第一步 利用利用 求出组分求出组分i的摩尔数的摩尔数ni； 第二步第二步 求组分求组分i的质量的质量mi=niMi; 第三步第三步 组分组分i的质量百分数的质量百分数 。100iiimmg4 .22iivn 2022-6-1西南石油学院储运研究所232022-6-1西南石油学院储运研究所24121 天然气的压力、温度、临界天然气的压力、温度、临界值及其对比值值及其对比值 一、天然气的压力一、天然气的压力 在国际单位制中压力的单位为牛顿在国际单位制中压力的单位为牛顿/米米2（N/m2

12、）称为帕斯卡，符号为称为帕斯卡，符号为Pa， 2022-6-1西南石油学院储运研究所25当被测流体的实际压力低于大气压力时，当被测流体的实际压力低于大气压力时，压力表上测得的压力称为真空度。此时流压力表上测得的压力称为真空度。此时流体的实际压力为：体的实际压力为： 2022-6-1西南石油学院储运研究所26二天然气的温度二天然气的温度 常用的温标有四种：常用的温标有四种： （1）摄氏温度）摄氏温度 （2）华氏温标）华氏温标 (3）开氏温标（绝对）开氏温标（绝对温标）温标） (4）兰金温标（英制绝对温标）兰金温标（英制绝对温标） 这四种温标的关系如下：这四种温标的关系如下： t（ F）=1.8

13、t（ C）+32 T（K）=t（ C）+273.15 T（ R）=t（ F）+460 T（ R）=1.8T（K） 天然气的温度一般用天然气的温度一般用t C 和和 K表示表示。2022-6-1西南石油学院储运研究所27三、天然气的临界值三、天然气的临界值 1临界温度临界温度 对每一种纯的气体都存在着一特定的对每一种纯的气体都存在着一特定的温度，温度，高于此温度时，无论加多大压力高于此温度时，无论加多大压力也不可能使它由气体变为液体也不可能使它由气体变为液体，这个温，这个温度称为临界温度，用符号度称为临界温度，用符号Tc表示。表示。 临界温度是该气体能以液体状态存在临界温度是该气体能以液体状态存

14、在的最高温度。的最高温度。2022-6-1西南石油学院储运研究所282临界压力临界压力 在临界温度下在临界温度下，气相与液相相平衡时，气相与液相相平衡时所施加的压力。也可定义为相应于临界所施加的压力。也可定义为相应于临界温度的饱和压力，用符号温度的饱和压力，用符号Pc表示。它是表示。它是在临界温度下该气体由气态转变为液态在临界温度下该气体由气态转变为液态所需的最低压力。所需的最低压力。 按下式计算按下式计算ciicPyPciicTyT2022-6-1西南石油学院储运研究所29 在近似计算时，当天然气相对密度在近似计算时，当天然气相对密度 在在0.50.9范围内，可用下列经验公式计范围内，可用下

15、列经验公式计算天然气临界值。算天然气临界值。363. 0855. 4cP17693cT2022-6-1西南石油学院储运研究所30 按下面公式校正按下面公式校正酸性天然气酸性天然气的视临界参的视临界参数。数。ccTT)(BBTTPPcccc1 视临界温度的校正系数，视临界温度的校正系数， C。 B天然气中天然气中H2S的摩尔分数；的摩尔分数； 2022-6-1西南石油学院储运研究所31图图 - 视临视临界温度界温度修正系数修正系数 2022-6-1西南石油学院储运研究所32ccTTccccPTTP/当当H2S和和CO2含量都不超过含量都不超过20%时时 2022-6-1西南石油学院储运研究所33

16、四、天然气压力和温度的对比值四、天然气压力和温度的对比值 crPPP crTTT 对比压力对比压力 对比温度对比温度 视对比压力视对比压力 视对比温度视对比温度 crPPP crTTT 2022-6-1西南石油学院储运研究所34122 天然气的分子量天然气的分子量 把把0 C、101325Pa时体积为时体积为22.4立方米天然立方米天然气所具有的质量认为是天然气的分子量。气所具有的质量认为是天然气的分子量。 天然气的分子量，在数值上等于在标准状天然气的分子量，在数值上等于在标准状态下态下1 1摩尔天然气的质量。摩尔天然气的质量。 iiMyMiiMgM1NWM 2022-6-1西南石油学院储运研

17、究所35123 天然气的密度和相对密度（比重）天然气的密度和相对密度（比重） 密度定义密度定义 Vm体在此标准状态下的密度为体在此标准状态下的密度为 4 .220M气体在某压力、温度下的密度为：气体在某压力、温度下的密度为： ZTPM314. 82022-6-1西南石油学院储运研究所36天然气的重度天然气的重度 g二相对密度（即比重）二相对密度（即比重） 空天空天空天MM 空空=1.293kg/m3(在在0 C、101325Pa下下) 空空=1.205kg/m3(在在20 C、101325Pa下下)2022-6-1西南石油学院储运研究所37124 天然气的粘度天然气的粘度1动力粘度（绝对粘度）

18、动力粘度（绝对粘度） ： 动力粘度的单位是克动力粘度的单位是克/（厘米（厘米秒）。这个单秒）。这个单位又称为位又称为“泊泊” 1泊泊g/(cm s)=100厘泊厘泊在国际单位制中，动力粘度的单位为帕斯卡在国际单位制中，动力粘度的单位为帕斯卡 秒秒（Pa s），即千克），即千克/（米（米 秒）（秒）（kg/(m s)）。）。 1(Pa s)=10P(泊泊)=1000cp（厘泊）（厘泊）2022-6-1西南石油学院储运研究所382运动粘度运动粘度 一低压下的气体粘度一低压下的气体粘度 iiiiiMyMy二高压下（压力大于二高压下（压力大于6.9Mpa）的气体粘度）的气体粘度002022-6-1西南

19、石油学院储运研究所39101.325kPa下的粘度下的粘度02022-6-1西南石油学院储运研究所402022-6-1西南石油学院储运研究所412022-6-1西南石油学院储运研究所42125 天然气的热力学性质天然气的热力学性质 天然气的比热：天然气的比热： 气体的比热可分为质量比热、容积比热气体的比热可分为质量比热、容积比热和摩尔比热三种。三种比热的关系如下：和摩尔比热三种。三种比热的关系如下：MMCC 4 .22MCC 0CC 2022-6-1西南石油学院储运研究所43理想气体的理想气体的Cp、Cv之间存在一定的关系：之间存在一定的关系：RCCvpKCCvp2022-6-1西南石油学院储

20、运研究所44低压下气体在各种温度下的比热也可按下式计算低压下气体在各种温度下的比热也可按下式计算 A、B、C、D计算常数，不同气体的值见计算常数，不同气体的值见表表1-5 气体混合物（天然气）在低压下的比热可根据气体混合物（天然气）在低压下的比热可根据各组分的比热用摩尔分数加合法或质量分数加各组分的比热用摩尔分数加合法或质量分数加合法求得，即合法求得，即32DTCTBTACppiiCyCppiiCgpC2022-6-1西南石油学院储运研究所45在同一温度下，高压下的定压比热与低压在同一温度下，高压下的定压比热与低压下的定压比热之间有如下的关系：下的定压比热之间有如下的关系：pppCCC2022

21、-6-1西南石油学院储运研究所46图图1-9 大气压力下烃类气体的比热与温度的关系大气压力下烃类气体的比热与温度的关系 2022-6-1西南石油学院储运研究所47图图1-10 真实气体比热校正图真实气体比热校正图2022-6-1西南石油学院储运研究所482022-6-1西南石油学院储运研究所49 天然气：天然气：46055kJ/kg 其中：气田气：其中：气田气：3558841868kJ/Nm3 油田气：油田气：3558866989kJ/Nm3 煤煤 ：29308kJ/kg 干木材：干木材：12560kJ/kg2022-6-1西南石油学院储运研究所50天然气热值的求定天然气热值的求定 理想气体热

22、值可用下式计算：理想气体热值可用下式计算：iiHyH理想气体的热值，被气体混合物在理想气体的热值，被气体混合物在15.5 C和和101325Pa（绝）下的压缩系数（绝）下的压缩系数Z除，即修正为真实除，即修正为真实气体的热值气体的热值Hr，即，即ZHHr2022-6-1西南石油学院储运研究所51上述天然气热值计算是对干天然气而言，在上述天然气热值计算是对干天然气而言，在同样状态下含饱和水汽的湿天然气的热值较同样状态下含饱和水汽的湿天然气的热值较干天然气热值为低。湿天然气热值正比于天干天然气热值为低。湿天然气热值正比于天然气中干天然气的含量，即然气中干天然气的含量，即wddwdyyHHH1式中：

23、式中：Hd干天然气的热值，干天然气的热值，kJ/m3； Hw湿天然气的热值，湿天然气的热值，kJ/m3； yd干天然气在湿天然气混合物中所占的摩尔百分数；干天然气在湿天然气混合物中所占的摩尔百分数； yw在湿天然气混合物中水蒸汽所占的摩尔百分数。在湿天然气混合物中水蒸汽所占的摩尔百分数。 2022-6-1西南石油学院储运研究所52 假定湿天然气是理想气体混合物，则水假定湿天然气是理想气体混合物，则水蒸汽的摩尔分数等于其分压和总压之比。蒸汽的摩尔分数等于其分压和总压之比。Ppyw2022-6-1西南石油学院储运研究所53二、天然气的导热系数（或热导率）二、天然气的导热系数（或热导率） 物质传递热

24、量的性能叫导热性。物质传递热量的性能叫导热性。 在较高压力条件下在较高压力条件下 iiioiiMyMy0002022-6-1西南石油学院储运研究所54四、天然气的爆炸性四、天然气的爆炸性 天然气在空气中的含量达到一定比例时，天然气在空气中的含量达到一定比例时，就与空气构成爆炸性的混合气体，这种就与空气构成爆炸性的混合气体，这种气体遇到火源，就会发生燃烧和爆炸。气体遇到火源，就会发生燃烧和爆炸。 天然气在混合气中的最低含量叫天然气在混合气中的最低含量叫爆炸下爆炸下限，低于爆炸下限就不会爆炸限，低于爆炸下限就不会爆炸。最高含。最高含量叫爆炸上限，高于爆炸上限也不会爆量叫爆炸上限，高于爆炸上限也不会爆炸。炸。上下限之间叫爆炸范围或爆炸极限上下限之间叫爆炸范围或爆炸极限。 2022-6-1西南石油学院储运研究所55 在常温常压下，天然气的爆炸范围约为在常温常压下，天然气的爆炸范围约为515% 常温常压下，天然气的爆炸极限可由下常温常压下，天然气的爆炸极限可由下式计算式计算 iiLyL100式中式中 L爆炸的上限或下限；爆炸的上限或下限； Li组分组分i