LNG液化天然气 Chapter 02 天然气性质

2天然气性质多组分体系描述分子量压缩因子粘度热力学性质导热系数热值1CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.1概述天然气是一个多组分体系，其物理性质取决于它的其组成和各组分的物性。在天然气处理与加工中，一些重要的物性有：压缩因子(天然气是可压缩气体)密度热力学性质(比热、焓、熵、潜热)传热性质(粘度、导热系数、表面张力)燃烧热2CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.2多组分体系描述一、天然气体系1、天然气构成烃类气体，CnH2n+n：C1、C2、……、C6、C7+非烃类气体：H2S、CO2、N2、He、H2O等2、体系指一定范围内一种或几种定量物质构成的整体。体系可分为单组分和多组分体系。甲烷、乙烷丙烷、丁烷水3CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.2多组分体系描述3、体系描述有n个组分每个组分的质量：mi每个组分的摩尔量：ni每个组分的体积：Vi二、天然气组成1、天然气组成表示方法质量分率：wi

摩尔分率：yi

体积分率：yi2、不同表示方式的关系4CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.2多组分体系描述因为所以又因所以且有5CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.3分子量一、天然气的视分子量1、定义在标准状态下，1摩尔天然气的质量，单位以kg/kmol或g/mol表示。2、计算公式天然气组成不同，视分子量也就不同。一般天然气的视分子量为16.82～17.98。6CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.3分子量二、天然气相对密度(relativedensity)1、定义在标准状态下，天然气的密度与干燥空气密度之比。2、计算公式式中：γg——天然气的相对密度；

ρg——标况下天然气的密度，kg/m3；

ρair——标况下干燥空气的密度，kg/m3。7CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.4压缩因子一、天然气的压缩因子1、定义一定数量的天然气，在相同压力温度下，实际体积和理想体积之比。2、表达式对1mol实际气体：8CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.4压缩因子3、实际气体状态方程理想气体方程为则实际气体方程为几种表示形式

nkmol：pV=ZnRT，V=m3

体积

1kmol：pVm=ZRT，Vm=m3/kmol千摩体积

1Kg：

pυ=ZRT/M，υ=m3/kg比容9CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.4压缩因子二、对应状态定律在相同的对应状态下，任何实际气体与理想气体定律的偏差都是相同的。在三个对比变量中，若有两个对比变量相同，则第三个对比变量也相同。1、纯物质其对比压力pr和对比温度Tr为10CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.4压缩因子2、混合气体对比状态参数用拟对比参数ppr和Tpr来表征。ppr和Tpr根据拟临界压力ppc和拟临界温度Tpc来确定。3、压缩因子的计算根据对应状态定律，可利用Tr和pr将Z表示出来：Z＝f(Tr，pr)11CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.4压缩因子S-K经验图如右所示，主要用于估算洁气的压缩因子。对含有非烃较多时，需要校正处理，如式2-14、式2-15以及式2-16。经验关系式实际气体状态方程12CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.4压缩因子三、天然气密度1、理想气体2、非理想气体式中：p——天然气的压力，kPa；

T——天然气的温度，K；

R——通用气体常数，8.314kPa.m3/(kmol.K)13CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.5粘度天然气的粘度随温度↗而↗，随分子量的↗而↙；在较低压力下，与p无关，高压时，不能忽略p影响。1、由单组分粘度确定低压混合粘度式中：μN0——低压下的粘度，mPa.s；

μi——相同p下组分i粘度，mPa.s；

yi——组分i的摩尔分率；

Mi——组分i的分子量。14CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.5粘度2、Carr粘度图μ1＝(μ)un＋(△μ)N2＋(△μ)CO2＋(△μ)H2S15CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.5粘度3、关联式法Lee等人的计算关系式：式中：μ—粘度，mPa.s

；T—温度，K；ρg—密度，g/cm3；

p—压力，kPa

；Mg—分子量，kg/kmol。16CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.6热力学性质一、比热(SpecificHeat)1、定义在不发生相变和化学变化时，加热单位质量物质，温度升高1℃所需要的热量。2、分类(1)真比热和平均比热

在极小的温度范围(dt)加热，可得到油品的真比热：17CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.6热力学性质单位质量的油品温度由t1升高到t2，可得在t1～t2间的平均比热：(2)恒压热容和恒容热容热容会随p及V的变化而变化，根据热力学定义：对理想气体：Cp－CV＝R18CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.6热力学性质对实际气体：Cp和CV差值相当于气体膨胀所做的功。绝热指数k：Cp和CV的比值，k＝Cp/CV3、恒压热容的计算(1)理想气体对纯组分：Cpi0＝B＋2CT＋3DT2＋4ET3＋5FT4对混合物：Cpm0＝∑yiCpi0(2)实际气体天然气的常压比热可由下式计算：19CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.6热力学性质Cpm＝∑yiCpi式中，Cpi——i组分的比热。实际气体的Cp也可由下式计算Cp＝Cp0＋△Cp△Cp为残余热容，借助EOS计算。20CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.6热力学性质二、焓(Enthalpy)根据热力学知识，焓的表达式为H＝(H－H0)＋H0

1、理想气体的焓式中：T——温度，K；

Ai、Bi、Ci、Di、Ei、Fi——i组分的常数；

Hi0——i组分的焓，kJ/kg。焓是状态函数，规定在0Ｋ、0kPa时，H00＝0。21CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.6热力学性质对混合物：Hm0＝∑yiHi02、实际气体的焓式中：ω——偏心因子；

等式右边第一项为压力对简单流体焓值的影响；等式右边第二项为压力对真实流体和简单流体焓值影响存在的偏差；

H——在p、T条件下，实际气体的焓。升高p时物质分子间引力恰好在分子中心的流体。一般为球形对称分子，如H2、Ar。22CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.6热力学性质三、熵(Entropy)根据热力学知识，熵的表达式为Sm＝(Sm－Sm0)混合＋Sm0

1、理想气体的熵式中：T——温度，K；

Bi、Ci、Di、Ei、Fi、Gi——i组分的常数；

Si0——i组分的熵，kJ/kg。熵是状态函数，在0Ｋ、1kPa时，S00＝1kJ/(kg.K)。23CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.6热力学性质对混合物：Sm0＝∑yiSi02、实际气体的熵式中：ω——偏心因子；

等式右边第一项为压力对简单流体熵值的影响；等式右边第二项为压力对真实流体和简单流体熵值影响存在的偏差；

S——在p、T条件下，实际气体的熵。24CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.7导热系数烃类流体的导热系数(ThermalConductivities)是重要基础数据。一、低压下纯烃的导热系数1、查图法：根据T在导热系数图中读取。2、经验关系式λ＝A＋BT＋CT2式中：λ——导热系数，Btu/(hr)(sqft)(℉)/ft；

T——温度，℉；

A、B、C——各组分的经验系数。25CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.7导热系数二、烃类混合物的气体导热系数在任意T、p压力下气体导热系数：式中：ηi、ηj——组分i和j的粘度；

Mi、Mj——组分i和j的分子量；Tb——沸点。26CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.8热值一、热值的定义1、热值(HeatsofCombustion)单位体积或单位质量天然完全燃烧时所产生的热量，单位是kJ/m3或kJ/kg。2、总热值在15℃、101.3kPa下，单位体积天然气完全燃烧，且水以液态形式存在时所放出的热量。3、净热值27CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.8热值在15℃、101.3kPa下，单位体积天然气完全燃烧，且水以气态形式存在时所放出的热量。说明：(1)总热值与净热值之差为水的冷凝潜热。(2)若天然气不含水汽，燃烧产生热值为干值。若天然气被水饱和，燃烧产生热值为饱和热值。二、热值的计算天然气的热值由各组分分率对热值的加权得到：28CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.8热值式中：x1、x2、…xn——每个组分的摩尔分率；

H1、H2、…Hn——各组分理想气体的热值。实际气体的热值与理想气体的热值关系如下：饱和热值与干热值之间的关系：式中：△Hvap,H2O—潜热，kJ/kg；MWH2O—摩尔分子量。29CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.8热值三、沃贝指数燃气的热负荷指数，等于燃气总热值与相对密度开方的比值，代表燃气性质对热负荷的综合影响。式中：WS——沃贝指数，kJ/m3；

Hgross——总热值，kJ/m3；

d——相对密度。30CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.9饱和蒸气压饱和蒸气压取决于液体的性质和T，是基础热力学数据。烃类在高温和低温下的蒸气压如下图。一、烃类饱和蒸气压图31CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.9饱和蒸气压二、烃类饱和蒸气压计算式1、Lee－Kesler方程式中：pvpr——对比蒸气压，pvp／pC；

pvp——饱和蒸气压，kPa；ω——偏心因子。32CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.9饱和蒸气压2、Riedel-Plank-Miller方程式中：Tr——对比温度，T／TC；

Tb——沸点，K；TC——临界温度，K。33CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.10爆炸极限一、天然气天然气爆炸极限为5%～15%。当空气中天然气浓度增加到不能引起爆炸浓度点称为爆炸上限，因为由于缺氧也无法维持燃烧爆炸。在爆炸下限限，因氧化反应产生的热量不足以弥补散失的热量，无法维持燃烧爆炸。民用气中加入了臭味剂四氢噻酚，具有臭鸡蛋气味，便于发现和识别泄漏。34CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.10爆炸极限二、液化石油气液化石油气主要成分为丙烷、丁烷等，通常以液态储存在液化气钢瓶内，爆炸极限为2%～9%。液化石油气发生跑漏后危险性最大：在钢瓶内是液态，一旦流出后会迅速膨胀250倍，瞬间就会充满现场。比重大，跑漏后不是向上飘散而是沉向地面，聚集在低洼处，不易飘散而且