第1章天然气的物理化学性质

第一章天然气的物理化学性质

第一节天然气的化学组成与分类一.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2.管道输气液化天然气（LNG）是天然气经净化处理后，通过低温冷却而成的液态产物，其体积为原气态体积的1/600。为在常压下保持液态，必须将其冷却至-162℃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，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。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。与输油不同，天然气的管道输送必然是上下游一体化的，开采、收集、处理、运输和分配是在统一的连续密闭的系统中进行的。2/20/20231西南石油学院储运研究所二.天然气气质要求1.天然气质量的三项要求1）天然气组成大量组分八个：甲烷、乙烷、丙烷、总丁烷、总戊烷、C6+、氮、二氧化碳；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。2）物理性质标准状态下的总发热量、标准状态下的沃贝指数（WobbeIndex）、相对密度、压缩因子和露点3）其他要求在管输温度、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；存在的其他气体组分不影响输送和利用。2/20/20232西南石油学院储运研究所1）我国《输气管道工程设计规范》（GB50251)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；

水露点应低于输气条件下最低管输气体温度5℃；

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20mg/m3；

如输送不符合上述质量的气体，必须采取相应的保护措施。2.我国天然气气质标准2/20/20233西南石油学院储运研究所2）GB17820-1999对天然气的质量要求2/20/20234西南石油学院储运研究所3.部分国家、团体对天然气质量要求的规定1）美国材料试验学会ASTMD-3委员会1981年7月对管输天然气的质量要求2/20/20235西南石油学院储运研究所1）美国材料试验学会ASTMD-3委员会1981年7月对管输天然气的质量要求2/20/20236西南石油学院储运研究所2）英国煤气1990.2工程标准资料2/20/20237西南石油学院储运研究所2）英国煤气1990.2工程标准资料2/20/20238西南石油学院储运研究所3）加拿大、法国、意大利和荷兰等国对天然气质量的要求2/20/20239西南石油学院储运研究所三.天然气的分类1.按矿藏特点分类1）气井气（gaswellgas）2）凝析井气（condensategas）3）油田气（oilfieldgas）2/20/202310西南石油学院储运研究所2.按天然气的烃类组成分类1）C5界定法——干、湿气的划分干气（drygas）：指在1m3井口流出物中，C5以上烃液含量低于13.5cm3的天然气。湿气(wetgas)：指在1m3井口流出物中，C5以上烃液含量高于13.5cm3的天然气。2/20/202311西南石油学院储运研究所2）C3界定法——贫、富气的划分贫气（leangas）：指在1m3井口流出物中，C3以上烃类液体含量低于94cm3的天然气。富气（richgas）：指在1m3井口流出物中，C3以上烃类液体含量高于94cm3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。2/20/202312西南石油学院储运研究所3.按酸气（acidgas)含量分类酸性天然气（sourgas）：每标立方米天然气中含硫量大于1克的气。洁气（sweetgas）：每标立方米天然气中含硫量小于1克的称为净气。2/20/202313西南石油学院储运研究所四.天然气组成表示方法1．质量（俗称重量）组成如用符号gi表示组分i的质量组成，则1）用百分数表示时

2/20/202314西南石油学院储运研究所2）用小数表示时2/20/202315西南石油学院储运研究所2．体积组成

1）用百分数表示时2/20/202316西南石油学院储运研究所2）用小数表示时2/20/202317西南石油学院储运研究所

3．摩尔组成（即分子组成）

如用符号yi表示组分i的摩尔组成，则

1）用百分数表示时2/20/202318西南石油学院储运研究所2）用小数表示时2/20/202319西南石油学院储运研究所

表示天然气组成的三种方法之间可以互相转换。1）如果已知天然气的质量组成gi，要求换算为体积组成vi或摩尔组成yi，可用下式

2/20/202320西南石油学院储运研究所（2）已知天然气的摩尔组成yi（或体积组成），要求换算为质量组成gi:2/20/202321西南石油学院储运研究所(3)已知天然气的体积百分数vi,利用下面方法可换算为质量百分数gi。第一步利用求出组分i的摩尔数ni；第二步求组分i的质量mi=niMi;第三步组分i的质量百分数。2/20/202322西南石油学院储运研究所第二节天然气的物理化学性质2/20/202323西南石油学院储运研究所1．2．1天然气的压力、温度、临界值及其对比值一、天然气的压力在国际单位制中压力的单位为牛顿/米2（N/m2）称为帕斯卡，符号为Pa，

1atm(标准大气压)=1.01325105Pa=760mmHg柱=10.33mH2O柱=1.033kgf/cm2=14.7lbf/in2

2/20/202324西南石油学院储运研究所流体压力=大气压力+表压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。此时流体的实际压力为：

流体压力=大气压力-真空度2/20/202325西南石油学院储运研究所二．天然气的温度常用的温标有四种：（1）摄氏温度（2）华氏温标(3）开氏温标（绝对温标）(4）兰金温标（英制绝对温标）这四种温标的关系如下：t（F）=1.8t（C）+32

T（K）=t（C）+273.15

T（R）=t（F）+460T（R）=1.8T（K）

天然气的温度一般用tC和K表示。2/20/202326西南石油学院储运研究所三、天然气的临界值1．临界温度对每一种纯的气体都存在着一特定的温度，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，这个温度称为临界温度，用符号Tc表示。临界温度是该气体能以液体状态存在的最高温度。2/20/202327西南石油学院储运研究所2．临界压力

在临界温度下，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温度的饱和压力，用符号Pc表示。它是在临界温度下该气体由气态转变为液态所需的最低压力。按下式计算2/20/202328西南石油学院储运研究所

在近似计算时，当天然气相对密度在0.5~0.9范围内，可用下列经验公式计算天然气临界值。2/20/202329西南石油学院储运研究所按下面公式校正酸性天然气的视临界参数。——视临界温度的校正系数，C。

B—天然气中H2S的摩尔分数；

2/20/202330西南石油学院储运研究所图

１-２

视临界温度修正系数

2/20/202331西南石油学院储运研究所当H2S和CO2含量都不超过20%时

2/20/202332西南石油学院储运研究所四、天然气压力和温度的对比值

对比压力

对比温度视对比压力

视对比温度

2/20/202333西南石油学院储运研究所1．2．2天然气的分子量

把0C、101325Pa时体积为22.4立方米天然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态下1摩尔天然气的质量。

2/20/202334西南石油学院储运研究所1．2．3天然气的密度和相对密度（比重）

密度定义

体在此标准状态下的密度为

气体在某压力、温度下的密度为：

2/20/202335西南石油学院储运研究所天然气的重度

二．相对密度（即比重）

空=1.293kg/m3(在0C、101325Pa下)

空=1.205kg/m3(在20C、101325Pa下)2/20/202336西南石油学院储运研究所1．2．4天然气的粘度1．动力粘度（绝对粘度）：

动力粘度的单位是克/（厘米·秒）。这个单位又称为“泊”

1泊g/(cms)=100厘泊在国际单位制中，动力粘度的单位为帕斯卡秒（Pas），即千克/（米秒）（kg/(ms)）。1(Pas)=10P(泊)=1000cp（厘泊）2/20/202337西南石油学院储运研究所2．运动粘度

一．低压下的气体粘度

二．高压下（压力大于6.9Mpa）的气体粘度2/20/202338西南石油学院储运研究所101.325kPa下的粘度μ02/20/202339西南石油学院储运研究所2/20/202340西南石油学院储运研究所2/20/202341西南石油学院储运研究所1．2．5天然气的热力学性质天然气的比热：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：2/20/202342西南石油学院储运研究所理想气体的Cp、Cv之间存在一定的关系：2/20/202343西南石油学院储运研究所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，不同气体的值见表1-5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合法求得，即2/20/202344西南石油学院储运研究所在同一温度下，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：2/20/202345西南石油学院储运研究所图1-9大气压力下烃类气体的比热与温度的关系

2/20/202346西南石油学院储运研究所图1-10真实气体比热校正图2/20/202347西南石油学院储运研究所天然气的热值：每千克或每立方米天然气完全燃烧所发出的热量称为天然气的燃烧热值，简称天然气热值，单位为kJ/kg或kJ/m3。天然气的燃烧热值决定了它的热力价值，是天然气很重要的质量指标，在下列几种常用燃料中天然气的燃烧热值最高。2/20/202348西南石油学院储运研究所天然气：46055kJ/kg其中：气田气：35588~41868kJ/Nm3油田气：35588~66989kJ/Nm3煤：29308kJ/kg干木材：12560kJ/kg2/20/202349西南石油学院储运研究所天然气热值的求定理想气体热值可用下式计算：理想气体的热值，被气体混合物在15.5C和101325Pa（绝）下的压缩系数Z除，即修正为真实气体的热值Hr，即2/20/202350西南石油学院储运研究所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，即式中：Hd——干天然气的热值，kJ/m3；Hw——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；yw——在湿天然气混合物中水蒸汽所占的摩尔百分数。

2/20/202351西南石油学院储运研究所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。2/20/202352西南石油学院储运研究所二、天然气的导热系数（或热导率）

物质传递热量的性能叫导热性。在较高压力条件下

2/20/202353西南石油学院储运研究所四、天然气的爆炸性天然气在空气中的含量达到一定比例时，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。

天然气在混合气中的最低含量叫爆炸下限，低于爆炸下限就不会爆炸。最高含量叫爆炸上限，高于爆炸上限也不会爆炸。上下限之间叫爆炸范围或爆炸极限。

2/20/202354西南石油学院储运研究所在常温常压下，天然气的爆炸范围约为5~15%常温常压