天然气物理化学性质

..WordWord资料海底天然气物理化学性质第一节海底天然气组成表示法一、海底天然气组成海底天然气是由多种可燃和不可燃的气体组成的混合气体。以低分子饱和烃（CH占绝大部分，4乙烷H）、丙烷H）、丁烷H）和戊烷H）含量不多，庚烷以2 6 3 8 4 10 5 12上（C+）烷烃含量极少。另外，所含的少量非烃类气体一般有氮气（N）、二5 2氧化碳（CO）、氢气（H）、硫化氢（HS）和水汽（HO）以及微量的惰性气2 2 2 2体。理性质变化很大，它的主要物理性质见下表。海底天然气中主要成分的物理化学性质热值热值相临可燃性自 气体对 界 限分 密度 临界 燃 6℃常 常数名 分 压 粘度 /%子 /Kg· 温度 点 压) Kg·m·称 子 力 /KPa·S式m-3/全净(Kg·K)质 /MP 低 高℃ 热热-1量a限限值值6甲16.00.71-82.5.15.372334CH44.640.01(气)452.84烷 43 6 5 0 0 62 945乙CH230.01.3432.24.880.009(53.12.66160228.2烷 70 2 7 气) 36

2 45 51 890丙CH3烷8

44.

1.967

96.81

4.26

0.125(10℃)

52. 9.5137 00

93784

86248

19.23正58.1丁

2.59

.01

43.80 0.174 9

1. 8.4 121 108

14.59H 2 3 86 1 417 4384 10烷 0异i-C4丁

58.1

2.59 134.

3.65 0.194

1. 8.4

121 108

14.59H 2 3 9810烷

8 4 417 438氨 He

4.00

0.19

0.23 0.0184

211.73 7 .9 928.0氮 N2

1.25

-147

3.39 0.017

30.262 0 .13氧 O 32.02

1.42

5.04 0.014

26.498 .822.01氢 H2

0.08

54.1.29 0.00842 1

74.

127

107

420.76 99 .9

1 2 70 60 50二CO 44.02氧

1.963

31.1 7.38 0.0137

19.27化碳一6氧1.25-1401274.126126CO28.03.500.0166130.26化0.2.5244440碳硫2化HS34.01.52100.9.010.0116694.74.24.8791432氢0空28.1.29-1403.770.0145.29.27气973.757352二、海底天然气容积分数和摩尔分数2定义混合物中各组分的容积为V，总容积V；i摩尔分数y：i组分的摩尔数n与混合物总摩尔数n的比值。i iyV

；y1；

inn

ni ；y1i ii V Vi

i i n n ii由分压定律，存在PV=nR T；PV=nR Ti i M i M由分容定律，存在PV=nRT；PV=nR Ti i M MV y nipi； y' i iyV i n

i V n i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。三、海底天然气分子量MyMi i四、海底天然气密度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 1 yM；22.414 i i1i 20℃标准状态24.055 yMi 任意温度与压力下 yM/yV相对密度

i i ii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；a aP=101.325kPa，T=273.15K

=1.293kg/m30 0 aP=101.325kPa，T=293.15K

=1.206kg/m3。0 0 a对混合气体： yi i五、海底天然气虚拟临界参数和对比参数临界参数时，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：Ty

； Py

；yc i

c i

c i ci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0.5Tci/Tcj<2对比参数海底天然气的压力、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。PP/P； Tr c

T/T； c

/c

；或r

/c第二节天然气气体状态程一、理想气体状态程PV=RT；PV=RT；PV=mRT=nRTM M M可近似使用理想气体状态程。二、实际气体状态程德瓦耳程荷兰物理学家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程瑞得里奇-1949年提出的。解决了实际气体性质定量计算的问题。P RT aVb Tb)SRKSoave1972R-KP RT aVb Vb)PR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PR状态程。P RT aVb Vb)b)（5）L-E-E程是一个多参数状态程，其形式为：p RT a bcVb VVb Vb)（6）BWRS程本尼迪科特-韦勃-宾1940年提了能适应气液两相的8参数BWR状态程，Starling-HanBWR年提了到目前认为用于天然气计算最精确的程式之一的BWRS程。PRT(B

RT

C0

E0)2

(bRTa )3d0db(a )b

0c

T2 T3 T4 T2)2)T T2三、带压缩因子的状态程Z压缩因子或压缩系数：表示实际气体与理想气体的差别。ZZ=1。 f(P,Tr 1 r rcZ Pc

ZRTP ZP c c c r c RT r ZRTP ZTc c c rZf(P,T,Z,r r c r

) ； Z

(P,T,Z)2 r r cZ 0.23~0.31Zf(P,Tc 3 r

)表达式叫修正的对比态原理。第三节海底天然气的物理性质、热力性质和燃烧性质一、海底天然气物理性质（一）粘度粘度分为动力粘度和运动粘度。动力粘度μ，Pa·S，常用泊（P）、厘泊（cp）。1Pa·S=10P=1000cPy M 在常压下混合动力粘度： i i iy Mi i在不同温度下的粘度：T

i273CT 0 TC 273运动粘度ν，m2/S，常用托(St)、厘托（cst）。1m2/S=104St=106cst动力粘度与运动粘度的关系为： ν=μ/ρ（二）湿度海底天然气含水量及水露点绝对湿度：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。的温度，是表征天然气含水量的参数之一。海底天然气的烃露点滴烃类液珠时的温度。二、海底天然气的热力性质比热和比热容比热：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·℃）。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C。PC (u) ；CV TV

(h) ；T P对于理想气体而言,这两种比热之差等于气体常数CP

C0RV纯组分理想气体：C0 B2CT3DT24ET35FT4Pi i i i i i混合物质量定压热容：C0yC0P实际气体比热容1）计算法 2）查图法

i PiiV(C )VT

T(2P) 或C C 0 2 2 V V 00

T(2P)d2 T2 焓气体能和体积与压力乘积之和称为气体的焓，H=U+pV或h=u+pv。理想气体焓单组分：h0=A+BT+CT2+DT3+ET4+FT5i i i

i i i混合气体：h0yh0i ii实际气体焓1）计算法 2）查图法熵无关。熵的变化表征了可逆过程中热交换的向与大小。理想气体熵单组分：s0=BlnT+2CT+3/2DT2+4/3ET3+5/4FT4+Gi i i i i i i混合气体：s0＝∑yi si0实际气体熵1）计算法 查图法导热系数物质导热能力的特性参数，指沿着导热向上温度梯度为1K/m时，单位时间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)。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，按下列法计算1）压力较低，根据各组分摩尔组成按Ribblett公式计算λ＝∑yλM1/3/∑yM1/3ii i i i2）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。计算法1）用Misic和Thodos基于量纲分析提的经验公式：对于甲烷、环烷烃和芳香烃，在T<1时：4.45107cpMTr r对于其它碳氢化合物及其它对比温度围107

cM25.14 3 p2

T16M12r ccpcp23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

273.15C T 0 TC

273.15 T

混合气体：

T Y i22 1 iTi i 14）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：ρ<0.5时 （λ-λ）ГZ5=（2.69654×10-4）（e0.535ρr-1）x 0 c0.5<ρ<2.0时（λ-λ）ГZ5=（2.51972×10-4）（e0.67ρr–1.069）x 0 c2.0<ρ<2.8时（λ-λ）ГZ5=（5.74673×10-5）（e1.155ρr+2.016）x 0 c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、海底天然气的燃烧性质海底天然气燃烧热值1m3kJ/m3。高热值（全热值）：1.01325×105PaT（25℃）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）：1.01325×105T（25℃）下燃海底天然气的爆炸极限华白数、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合影响。等于燃气高热值Hs与相对密度Δ开的比值，单位kJ/m3。Ws=Hs/Δ1/22）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=(aH+bCO+cCH+dCH)/Δ1/22 4 m n一、焦耳-汤姆逊系数的计算:hh。1 2qhV2/2gzw h V2/2gz1 1 1 轴 2 2 2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-P1T1值保持相p2p2a、p2b、p2cT2值。T-Pl，2a，2bh1=h2…，所P1T1h在T-P图中等焓曲线在任一点的斜率叫做焦耳-汤姆逊系数Di

h转换点：D=0的点相应于等焓曲线的最大值。i转换曲线：所有转换点的轨迹。冷却效应：在转换曲线以的区域（其中D>0），由于节流作用，温度随着i压力降低而降低。热效应：在转换曲线以外的区域（其中D<0)，由于节流作用温度随压力降i低而升高。最大转换温度：转换曲线与温度坐标轴交点的温度。当初始温度高于最大转换温度时，冷却是不可能的。对于干线输气管道，一般D取3～5℃/MPa。i焦耳-汤姆逊系数计算：D

1

()T

1]

1(V

V]i C 2P

(P) C

PPTP二、着火浓度极限着火浓度极限（firingconcentrationlimit）是引起可燃气体混合系燃烧的比101kPa时，火焰从直径为10cm的管子下端向上传播时测得的着火浓度极限列于表3-20。能燃烧，仍有发生着火的危险。各种气体和蒸气与空气混合气体的着火浓度极限气体名称分子式浓度极限，％下限 上限氢H24．00 74．20一氧化碳CO12．50 74．20二硫化碳CS21．25 50．00硫化氢H2S4．