燃气性质(jieshao).ppt

自我介绍,徐文东电话址：华南理工大学化学与化工学院邮箱：wdxu,1991.91995.6：石油大学（北京）化工系石油炼制专业，学士1995.72000.9：华北油田第一炼厂联合车间2000.92002.6：石油大学（北京）化工学院，硕士学位2002.72005.6：石油大学（北京）化工学院化学工艺与技术，博士学位2005.62007.5：华南理工大学化工与能源学院博士后流动站工作，,项目情况,（1）中国博士后科学基金二等资助金，项目名称为LNG冷量的高效综合利用技术及其评价方法的研究（2）福建LNG冷能利用规划项目,（3）福建德化LNG卫星站冷能利用项目的前期规划（4）LNG冷能梯级利用的基础理论研究项目（5）唐山LNG冷能利用研究项目,课程学习的目的和意义,（1）巩固化工原理和物理化学等课程的基础知识（2）训练把基础知识应用于燃气方面的能力（3）熟悉城市燃气输配系统（4）培养从事燃气运作、管理、计划、设计等工作的基本素质,学习方法和要求,（1）以系统观念为指导，领略燃气输配的全局概况没有全局观点，深化具体项目时容易走弯路（2）以实际应用为目的，细化基础知识可以把零散的基础知识有机的结合起来，构建稳固的、发散性的知识结构体系（3）以问题为导向，贯穿授课的整个过程培养兴趣，产生互动，提高教学效果，同时培养学生提出问题和解决问题的能力,7水力工况,6管网水力,5管道及其附属设备,4城市管网,3输送,2供需,1性质,11储存,13管道,12储配,液化石油气,城市燃气,气井,10压送,9调压和计量,8技术经济,14LNG,第一章：燃气的分类及其性质,1.1燃气的分类及用途1.2燃气的基本性质1.3城市燃气的质量要求,1.1燃气的分类及用途,燃气是由多种可燃和不可燃的气体组成的混合气体。可燃气体：碳氢化合物、氢和一氧化碳；不可燃气体：二氧化碳、氮和氧等。燃气的种类很多，主要分为：天然气、人工燃气、液化石油气和沼气。供应的燃气热值应大于14700kJ/Nm3满足互换性要求：华白数、燃烧势等低发热值和高发热值？,1.2燃气的基本性质,这里以天然气为例介绍。1.2.1天然气的组成天然气是由多种可燃和不可燃的气体组成的混合气体。以低分子饱和烃类气体为主，并含有少量非烃类气体。在烃类气体中，甲烷占绝大部分，乙烷、丙烷、丁烷和戊烷含量不多，庚烷以上烷烃含量极少。另外，所含的少量非烃类气体一般有二氧化碳、一氧化碳、氮、氢、硫化氢和水汽以及微量的惰性气体氦、氩等。,天然气组成的三种表示方法,(1)体积组成：在标准状态下，组分的体积与总体积之比值，称为该组分的体积组成，用yi表示，即（11）显然，。(2)质量组成：组分的质量与总质量之比，称为该组分的质量组成，用wi表示，即（12）显然，。(3)摩尔组成：组分的摩尔数与总摩尔数之比，称为该组分的摩尔组成，也用yi表示，即（13）,质量组成和体积组成之间可以互相换算，基本公式为（14）（15）式中，组分i的分子的摩尔质量,1.2.2天然气的分类,(1)按矿藏特点可分为气田气、油田气和凝析气田气气田气：在气藏中的天然气以气相存在，主要含甲烷，含量一般占95以上(按体积百分组成计)；乙烷至丁烷含量不大，戊烷以上重烃含量甚微或不含。油田气(包括溶解气和气顶气)：也称油田伴生气，它是伴随原油共生，在油藏中与原油呈相平衡接触的气体。其特征是乙烷和丙烷含量高于气田气。凝析气田气(凝析气,实际上就是液态的石油溶解在天然气中形成的，含有石油轻质馏分)：即凝析气田采出的天然气，除含大量的甲烷外，戊烷或戊烷以上烃类含量较高，含有煤油和汽油的成分。,(2)按烃类组成可分为干气和湿气干气和湿气的划分，目前世界上无统一标准，一般可按烃类气体的湿度系数进行划分：湿度系数是指乙烷(C)以上的体积组成含量与甲烷体积组成含量的比值(C2+C1)。因此，将湿度系数小于5的天然气称为干气；反之，称为湿气。(3)按酸气含量分类根据天然气中含硫量的多少可划分为净气和酸气。把天然气含硫量少于1gm3的称为净气，大于1gm3的称为酸气。,1.2.3天然气基本物理性质,天然气是由互不发生化学反应的多种单一组分气体混合而成，其组分和组成无定值。它的基本物性参数可由单一组分气体的性质按混合法则求得。1.2.3.1天然气的分子量工程上将标准状态下，1kmol天然气的质量定义为天然气的平均分子量，简称分子量。其计算公式为：kg/kmol,1.2.3.2天然气的密度和相对密度（1）天然气的密度单位体积天然气的质量，称为天然气的密度，用符号（单位：kg/m3）表示。显然，天然气密度不仅取决于天然气的组成，还取决于所处的压力和温度状态。（2）天然气相对密度在标准状态下，天然气密度与干燥空气密度的比值称为相对密度。常用s表示。天然气的相对密度变化较大，对于一般干气，其相对密度s约为0.580.62，也有相对密度大于1的天然气。,1.2.3.3天然气的拟临界参数和拟对比参数(1)拟临界参数天然气的临界参数也随组成而变化，没有一恒定的数值，一般要通过实验的方法才能较准确地测定。工程上广泛采用拟临界压力和拟临界温度的概念来代表天然气临界参数。有以下几种方法计算天然气拟临界参数：1)已知天然气的体积组成，由下式计算：,2)已知天然气的相对密度s，可选用如下公式计算：对于凝析气：s0.7s0.7对于干气：s0.7s1或Z1.天然气的压缩因子随气体的组成、温度和压力的变化而变化。,1.2.3.6.1、根据Standing和Katz的图表确定天然气的压缩因子1941年，斯坦丁（Standing）和卡兹（Katz）用天然气样进行恒质膨胀试验，测得不同温度下的数据。根据天然气组成主要是化学特征相似的烷烃这一特征，成功地将对比状态定律扩大应用于天然气，从而得出天然气压缩因子Z与拟对比温度和拟对比压力的关系图版，通常称为两参数的Z函数图，,还有：实验法；计算机迭代法等,1.2.4气体状态方程1.2.4.1理想气体,理想气体是一种假想气体，它被假设为：气体分子是一些弹性的、不占有体积的质点，分子间没有相互的作用力（引力和斥力）。它实质上是实际气体的压力P0或比容V时的极限状态气体。在天然气输配工程中，一般将低压下的天然气视为理想气体进行状态计算，基本可满足工程上的要求。理想气体的状态方程为：PV=mRT,(1)波义耳定律一定量的气体在一定温度下，其压力与体积成反比。(2)盖、吕萨克定律一定量的气体在一定压力下，其体积与绝对温度成正比(3)查理定律一定量的气体在体积不变时，其压力与绝对温度成正比。(4)阿佛加德罗定律在相同状态(压力、温度)条件下，1kmol的各种气体，占有相同的容积，称为阿佛加德罗定律。特别的在标准状态下，其数值为22.4m3/kmol。,1.2.4.2实际气体分子本身所占的容积和分子之间的作用力都不可略去的气体称为实际气体。实际气体PV常数，且随压力而变化。1873年范德瓦尔提出了著名的范德瓦尔（VanderWaal）状态方程。RK方程是从VanderWaal方程发展而来的。VanderWaal方程仅适用于低压、工程应用受到限制，1949年瑞里奇邝（RedlichKwong）对它进行了修正，目的是使其能应用于高压情况。,为了扩大应用范围及提高在高压、低温下的精确度，BenedictWeddRubin于1940年提出了能适应气液的8参数BWR状态方程。这一方程是根据拟合轻烃的实验数据推导的，应用于烃类气体及非极性和轻微极性气体时有较高准确度，对非烃气体含量较多的混合物，较重的烃组分以及较低的温度（Tr0.6）适应性较差。因此Starling和Han在关联大量实验数据的基础上对BWR方程进行了修正，于1970年提出了BWRS方程。,1.2.4.3天然气的热值天然气的重要用途之一是作燃料。单位体积或单位质量的天然气完全燃烧时，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kJ/Nm3,1.2.5燃气爆炸极限与燃气混合安全性1.2.5.1燃气爆炸极限燃气在空气中的浓度在一定的范围内点火形成的燃烧氧化反应能维持进行，或发生爆炸式燃烧，燃气的这种浓度区间称为可燃浓度区间或爆炸浓度区间，简称爆炸区间。爆炸极限是爆炸浓度区间的两个边界值，分别称为爆炸上限和爆炸下限，并分别用符号U和L表示。爆炸极限、可燃浓度极限、火焰传播浓度极限、对于单一可燃气成分的燃气，其爆炸区间是以化学计量浓度值为中心的一个区间。对于某种可燃气成分的爆炸极限值需要用实验方法测量得出，同时也研究得出了关于一些可燃气成分的爆炸极限的理论计算公式或经验公式，在工程中可以应用。,对于仅为多种可燃气成分的燃气（可燃基。可燃基：燃气中全体可燃组分的总称），其爆炸极限可按各组分可燃气的爆炸极限，用恰特利尔（Lechatelier）法则上式计算得出；对含有惰性气体的燃气，爆炸上限可按下式计算：,Xn-惰性气体组分在该燃气无空气基中的组成分数,X”I可燃气组分i的组成分数(可燃基),燃气的爆炸极限还与其它影响燃烧和化学反应的条件有关，例如与燃气的压力、温度有关。随着压力的升高，爆炸极限区间的宽度一般会增加，略使爆炸下限下降，但对爆炸上限的影响较大。扎彼泰基斯（Zabetakis）等给出试验结果式用来修正压力对烃类气体爆炸上限的影响,Up-在压力P下的爆炸上限（%）;P-燃气压力(Mpa)（绝对）,燃气的爆炸浓度极限与燃气温度有关系。一般温度上升会使爆炸浓度区间变宽（下限降低，上限增高）。扎彼泰基斯等通过实验给出了下面两个关系式,综合压力和温度对爆炸浓度上限的影响，可得出烃类气体下列计算,1.2.5.2混合型燃气爆炸上限的直接计算公式,工程中应用的燃气，一般都不是单一可燃组分燃气，而是含有多种可燃组分以及惰性气体、氧气和极少量其它组分的混合型燃气，在本节定义多种可燃气组分及氮气、氧气的混合气为混合型燃气。对于混合型燃气（简称燃气），若对其中的氮、氧按3.76:1的比例将这两种组分扣除，一般仍留有一部分氮气及其他惰性气体组分，与可燃组分共同构成相对于原燃气的无空气基燃气。,1.2.5.3燃气混合安全性定律,燃气是否安全是指燃气中无空气基组分的浓度是否高于燃气无空气基的爆炸上限（或低于爆炸下限）。参与混合的燃气各单独存在时，其浓度差的最小者大于或等于对混合燃气所规定的安全浓度差时，则它们的混合过程形成的混合燃气的浓度差函数值自始至终都大于或等于安全浓度差，即燃气混合是动态安全的。,讨论,矿井气中甲烷和空气各占50%，温度为130，试确定安全输送压力；有人说加入氮气可以提高输送压力，对吗？,1.2.6水化物,1.2.6.1水化物及其生成条件在一定温度、压力下，气体或易挥发液体与水的聚合分子形成的结晶体称为水化物。它是一种笼形晶格包络物，水分子形成笼形晶格，而气体或易挥发液体的分子在笼形孔室中。天然气的水化物是白色结晶固体，密度为0.880.90g/cm3天然气各组分的水化物分子可写成：CH46H2O，C2H68H2O，C3H817H2O，i-C4H1017H2O，H2S6H2O，CO26H2O。戊烷，已烷，以及重烃类一般不形成水化物。水化物生成的主要条件是天然气被水蒸气饱和，以及一定的温度与压力；次要条件是含有杂质、高速、紊动、脉动与流向急剧改变等。,BC线是水化物生成的平衡曲线；其左侧是水化物存在区域，右侧是水化物不存在区域。可见较高压力与较低温度是生成水化物的主要条件。点C是水化物存在的临界温度。高于此温度，在任何高压下均不能生成水化物。各种气体的临界温度为：乙烷14.5，丙烷5.5，正丁烷1，异丁烷2.5，二氧化碳10，硫化氢29.5，甲烷与惰性气体(氩、氪、氙)无临界温度。,单一气体的水化物生成条件1甲烷；2乙烷；3丙烷；4丙烯,1.2.6.2防止水化物生成的方法水化物的生成，会缩小管道的流通断面，甚至堵塞管线、阀件和设备1.2.6.2.1天然气参数控制为防止天然气水化物的生成，在不同的场合相应采取不同的参数控制，如从气田或地下储气库采气时，采取脱水、降压或调节温度等措施后由长输管线供出。1.2.6.2.2采用抑制剂抑制剂进入天然气管道或设备，部份气相蒸发，部份与水形成水溶液，使水化物生成温度降低。有机抑制剂有甲醇(CH3OH)、乙二醇(C2H6O2)、二甘醇(C4H10O3)、三甘醇(C6H14O4)等。对于管线宜采用乙二醇，而在分离器，热交换器等设备中宜采用蒸气压较低的二甘醇，三甘醇。,1.3城市燃气的质量要求,一、人工燃气及天然气1、焦油与