天然气的物理化学性质.pdf

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 2 第一节第一节 天然气的组成天然气的组成 一 天然气的特点与组成一 天然气的特点与组成 天然气天然气广义广义指自然界的一切气体 指自然界的一切气体 狭义狭义则指采自地层的可燃气体 则指采自地层的可燃气体 石油工业中称采自气田或凝析气田石油工业中称采自气田或凝析气田 的可燃气体为的可燃气体为天然气天然气 又称 又称气田气气田气 在 在 油田中与石油一起开采出来的可燃气体油田中与石油一起开采出来的可燃气体 称为称为石油伴生气石油伴生气或或油田伴生气油田伴生气 3 天然气是一种多组分的混合气体 天然气是一种多组分的混合气体 主要成分为烷烃 其中主要成分为烷烃 其中CH4占绝大多数 占绝大多数 另有少量的乙烷 丙烷和丁烷 此外一另有少量的乙烷 丙烷和丁烷 此外一 般还含有般还含有H2S CO2 N2和水蒸气 以和水蒸气 以 及微量的惰性气体 如氦 及微量的惰性气体 如氦 He 和氩 和氩 Ar 等 在标准状况 等 在标准状况 0 101325Pa101325Pa 下 甲烷至丁烷以气体状态 下 甲烷至丁烷以气体状态 存在 戊烷以上为液态 存在 戊烷以上为液态 4 气田气气田气特点 甲烷含量特别多 占特点 甲烷含量特别多 占90 以上 以上 油田伴生气油田伴生气特点 含乙烷和乙烷以上的烃类特点 含乙烷和乙烷以上的烃类 较多 较多 就组成而言 不但各气田 油田的气体组成就组成而言 不但各气田 油田的气体组成 相差较大 即使同一产地的气体也因时期不相差较大 即使同一产地的气体也因时期不 同略有差异 同略有差异 5 二 混合气体组成的表示方法二 混合气体组成的表示方法 天然气是一种气体混合物 天然气是一种气体混合物 要了解它的性质 必须知道各要了解它的性质 必须知道各 组分性质间的关系 混合物的组分性质间的关系 混合物的 组成可用容积分数 摩尔分数 组成可用容积分数 摩尔分数 质量分数或它们的百分数来表质量分数或它们的百分数来表 示 示 6 1 容积分数和摩尔分数容积分数和摩尔分数 如果混合物中各组分的容积为如果混合物中各组分的容积为V V1 1 V V2 2 V V3 3 它们之和为总容积 它们之和为总容积V V 其中某一组 其中某一组 分分i i的分容积为的分容积为V Vi i 则其容积分数 则其容积分数 i ii V V V V i y 1 1 7 根据定义可知 混合物所有组分的容积分数之和根据定义可知 混合物所有组分的容积分数之和 为为1 即 即 同理 可以定义摩尔分数 它是同理 可以定义摩尔分数 它是i i组分的摩尔数组分的摩尔数n ni i 与混合物总摩尔数与混合物总摩尔数n n的比值 的比值 1 i y i ii n n n n i y 1 2 8 混合物所有组分的摩尔分数之和亦为混合物所有组分的摩尔分数之和亦为1 从混合气体分压定律知道 从混合气体分压定律知道 i i组分的分压为组分的分压为p pi i时 则存在时 则存在 piV niRmT Rm 通用气体常数 通用气体常数 对整个气体混合物 有对整个气体混合物 有 pV nRmT 1 i y 9 上两式相除得上两式相除得 由上式可见 任一组分的摩尔分数也可以用由上式可见 任一组分的摩尔分数也可以用 该组分的分压与混合物总压的比值表示 该组分的分压与混合物总压的比值表示 P p n n ii i y 10 由混合气体的分容定律可以得到分容积为由混合气体的分容定律可以得到分容积为 混合物的总容积为混合物的总容积为 两式相除得两式相除得 p TRn V Mi i p TnR V M i ii y n n V V 1 4 11 该式说明理想气体混 合物的容积分数和摩尔分 数相等 以后我们不再区 分两者 都用 表示 i y 12 2 质量分数和气体混合物的分子量质量分数和气体混合物的分子量 混合物总质量为混合物总质量为m m 等于各组分质量之和 等于各组分质量之和 其中其中i组分的质量为组分的质量为mi 则其质量分数为则其质量分数为 同理同理 i ii i m m m m x 1 5 1 i x 13 对于质量为对于质量为m mi i 分容积为 分容积为V Vi i 千摩尔质量为 千摩尔质量为M Mi i的气体 的气体 同理 对于混合物的总体有同理 对于混合物的总体有 两式相除得两式相除得 TR M m pV M i i i TR M m Vp M i i ii i i i M M m m V V 14 由于任何物质的千摩尔质量 在数值上都等于它的由于任何物质的千摩尔质量 在数值上都等于它的 分子量 故上式可写作分子量 故上式可写作 由上式得由上式得 所以所以 i ii xy 1 6 1 1 ii i ii yyx ii y 1 7 气体混合物的分子量 气体混合物中i组分的分子量 15 式 式 1 7 表明 气体混合物的分子量 又 表明 气体混合物的分子量 又 称视分子量 等于各组分的分子量与其摩尔分称视分子量 等于各组分的分子量与其摩尔分 数乘积之和 数乘积之和 注意注意 上述关系只对理想气体成立 在高压下 上述关系只对理想气体成立 在高压下 这些组分的相互关系不能用式 这些组分的相互关系不能用式 1 4 1 6 来计算 来计算 i ii y n n V V i ii xy 16 第二节 气体的状态方程式 气体状态方程 气体状态方程 描述气体压力 比容和温度描述气体压力 比容和温度 之间相互关系的方程 把压力 之间相互关系的方程 把压力 比容和温度这三者关系称之为比容和温度这三者关系称之为 PVTPVT特性 特性 17 一 理想气体及其与实际气体的偏差 理想气体理想气体 理想气体又称 完全气体 理想气体又称 完全气体 是一种假想的气体 认为它的分是一种假想的气体 认为它的分 子本身不占体积 分子之间没有子本身不占体积 分子之间没有 吸引力 吸引力 18 理想气体是理论上假想的一种把实际气体性质理想气体是理论上假想的一种把实际气体性质 加以简化的气体 人们把假想的 在任何情况下都加以简化的气体 人们把假想的 在任何情况下都 严格遵守气体三定律的气体称为理想气体 就是说 严格遵守气体三定律的气体称为理想气体 就是说 一切实际气体并不严格遵循这些定律 只有在温度一切实际气体并不严格遵循这些定律 只有在温度 较高 压强不大时 偏离才不显著 所以一般可认较高 压强不大时 偏离才不显著 所以一般可认 为温度不低于为温度不低于0 压强不高于 压强不高于1 01 105Pa时的时的 气体为理想气体 气体为理想气体 19 从微观角度来看是指 从微观角度来看是指 分子本身的体积分子本身的体积 和分子间的作用力都可以忽略不计的气体 和分子间的作用力都可以忽略不计的气体 称为是理想气体 称为是理想气体 当实际气体的状态变化规律与理想气体当实际气体的状态变化规律与理想气体 比较接近时 在计算中常把它看成是理想气比较接近时 在计算中常把它看成是理想气 体 这样 可使问题大为简化而不会发生大体 这样 可使问题大为简化而不会发生大 的偏差 的偏差 20 理想气体状态方程式为 理想气体状态方程式为 对对1kg1kg气体气体 pvpv RT RT 1 1 8 8 对对1kmol1kmol气体气体 pvpvM M R RM MT T 1 1 8a8a 对对m kgm kg或或n moln mol气体气体 pVpV mRTmRT nRnRM MT T 1 1 8b 8b R 每千克气体的气体常数 RM 每千摩气体的气体常数 V m千克或n千摩气体的体积 21 RM是每千摩气体的气是每千摩气体的气 体常数 对于各种气体有体常数 对于各种气体有 一个共同的数值 又称一个共同的数值 又称通通 用气体常数用气体常数 22 由于在标态 由于在标态 T T0 0 273 15K273 15K p p0 0 101325Pa101325Pa 下 下 各种气体的千摩尔容积理论上均相等 且各种气体的千摩尔容积理论上均相等 且 V VM M0 0 22 414m 22 414m3 3 kmolkmol 所以 所以 3143 8 100015 273 414 22101325 0 0 0 T VP R M M kJ kmol K 23 气体常数气体常数R R与通用气体常数与通用气体常数R RM M的关系为的关系为 M R R M M M 千摩尔气体的质量 千摩尔气体的质量 kg kg kmolkmol 其数值等于气体的分子量其数值等于气体的分子量 R R 单位为单位为kJ kJ kg Kkg K 24 实际上没有一种气体完全符合实际上没有一种气体完全符合 理想气体状态方程 但在压力足够理想气体状态方程 但在压力足够 低 温度足够高 即密度足够小的低 温度足够高 即密度足够小的 情况下 例如在常温低压下 情况下 例如在常温低压下 CHCH4 4分分 子本身体积小 分子间距大 分子子本身体积小 分子间距大 分子 间引力小 因而其间引力小 因而其PVTPVT特性接近理特性接近理 想气体的规律 想气体的规律 25 在输气干线中压力高达几个甚至几十个在输气干线中压力高达几个甚至几十个 兆帕 兆帕 10106 6PaPa 时 天然气与理想气体之间的 时 天然气与理想气体之间的 性质差别较大 在工程上用压缩因子性质差别较大 在工程上用压缩因子Z Z来表来表 示真实气体与理想气体示真实气体与理想气体PVTPVT特性的差别 其特性的差别 其 状态方程写作状态方程写作 对对1kg1kg气体气体 pvpv ZRT ZRT 1 1 1010 26 设理想气体的比容为设理想气体的比容为 在相同的压力和温度条件下 在相同的压力和温度条件下 上式表明 压缩因子上式表明 压缩因子Z Z即真实气体与理想气体比容的比值 即真实气体与理想气体比容的比值 是表征这两种气体性质差异的参数 是表征这两种气体性质差异的参数 在数值上在数值上 其值大小与气体的组成和状态有关 工程上常用其值大小与气体的组成和状态有关 工程上常用图图1 1所示所示 通用压缩因子图查得 该图是根据适合于任何一种气体的对比通用压缩因子图查得 该图是根据适合于任何一种气体的对比 态原理而制作的 态原理而制作的 v Z v RT pv Z v 27 图 1 1 28 对比态原理是被广泛应用于推算流体热力学性质的方法对比态原理是被广泛应用于推算流体热力学性质的方法 之一 之一 由于各种物质在临界状态都具有相似的性质由于各种物质在临界状态都具有相似的性质 范德瓦范德瓦 尔斯 尔斯 Van Der Weals 选取临界点为参考点 以临界性选取临界点为参考点 以临界性 质为对比基础 这时流体的温度 压力和比容分别用对比参质为对比基础 这时流体的温度 压力和比容分别用对比参 数值来表示 物质的参数与同名临界参数的比值称为对比参数值来表示 物质的参数与同名临界参数的比值称为对比参 数 数 c r p p p c r T T T c r v v v 1 11 29 年 月 日生于荷兰的莱 年 月 日生于荷兰的莱 顿 于 年发表了第二项重大发现 顿 于 年发表了第二项重大发现 当时他称之为 对应态定律 这个定律指当时他称之为 对应态定律 这个定律指 出 如果压强表示成临界压强的单调函数 出 如果压强表示成临界压强的单调函数 体积表示成临界体积的单调函数 温度表示体积表示成临界体积的单调函数 温度表示 成临界温度的单调函数 就可得到适用于所成临界温度的单调函数 就可得到适用于所 有物质的物态方程的普遍形式 因为在这个有物质的物态方程的普遍形式 因为在这个 方程中 方程中 c这三个常数可用特殊物这三个常数可用特殊物 质的临界值来表示 因此在方程中消失 质的临界值来表示 因此在方程中消失 30 p pr r T Tr r v vr r分别为对比压力 对比温度 对比容分别为对比压力 对比温度 对比容 积 对比参数都是无因次量 将具有相同对比压力积 对比参数都是无因次量 将具有相同对比压力 和对比温度的不同物质的状态称为和对比温度的不同物质的状态称为对应状态对应状态 实验 实验 证明 处于对应状态的各种流体具有相同的对比容证明 处于对应状态的各种流体具有相同的对比容 积 这就是积 这就是对应态定律对应态定律 其数学表达式为 其数学表达式为 F pF pr r T Tr r v vr r 0 0 1 1 1212 31 F pF pr r T Tr r v vr r 0 0 1 1 1212 式 式 1 1 1212 是用对比参数表达 是用对比参数表达 的状态方程式 其中不包括与物质种的状态方程式 其中不包括与物质种 类有关的参数 因而它对各种物质是类有关的参数 因而它对各种物质是 通用的 通用的 32 由 由 1 10 式 式 Z Zc c为临界状态时的压缩因子 两式为临界状态时的压缩因子 两式 相除得相除得 RT pv Z c cc c RT vp Z r rr c T vp ZZ 33 按对应态定律 上式中的按对应态定律 上式中的p pr r T Tr r和和v vr r 只有两个独立变量 因此可写为只有两个独立变量 因此可写为 Z fZ f p pr r T Tr r Z Zc c 1 1 1313 实际上大多数物质实际上大多数物质Z Zc c的数值变化不大 的数值变化不大 在在0 230 23 0 310 31左右 因而可近似认为是左右 因而可近似认为是 一常数 故式 一常数 故式 1 1 1313 简化为 简化为 34 Z Z f f p pr r T Tr r 上式说明上式说明各种物质对应态的压缩因子各种物质对应态的压缩因子 相等相等 可根据对比参数用图解或计算的方 可根据对比参数用图解或计算的方 法求得压缩因子法求得压缩因子Z Z 35 图 1 1 36 从图从图1 1 1 1可以看出 对于所有的等温线 压力趋于零时 可以看出 对于所有的等温线 压力趋于零时 Z Z都都趋于趋于1 1 接近理想气体 在临界点附近 接近理想气体 在临界点附近 p pr r 1 1 T Tr r 1 1 Z Z值都远小于值都远小于1 1 说明这些气体偏离理想气体很远 当 说明这些气体偏离理想气体很远 当 压力超过临界压力压力超过临界压力1010倍 倍 p pr r 1010时 所有的时 所有的Z Z值都大于值都大于1 1 Z Z 1 1可解释为分子间的吸引力影响占有优势 可解释为分子间的吸引力影响占有优势 Z Z 1 1则是在高压则是在高压 下 分子间的间隙已经很小 分子本身的体积已经影响到气体下 分子间的间隙已经很小 分子本身的体积已经影响到气体 的压缩性 不同气体的压缩因子虽然不同 但上述特点是一致的压缩性 不同气体的压缩因子虽然不同 但上述特点是一致 的 它反映了物质热力学性质的相似性 的 它反映了物质热力学性质的相似性 37 求气体混合物的压缩因子时 还要知道它的求气体混合物的压缩因子时 还要知道它的 视临界参数 视临界压力视临界参数 视临界压力p pcm cm和视临界温度 和视临界温度T Tcm cm 确 确 定它们最简便的方法是使用定它们最简便的方法是使用凯 凯 KayKay 法则 法则 即 即 p pcm cm y yi i p pci ci T Tcm cm y yi i T Tci ci 1 1 1515 凯法则仅凯法则仅适用于混合气体中各组分的临界压适用于混合气体中各组分的临界压 力和临界比容比较接近力和临界比容比较接近 且任意二组分的临界温 且任意二组分的临界温 度满足度满足 0 5 0 5 2 2的条件下 的条件下 c c T T 38 混合气体中 任意二组分之间临界压力相差超混合气体中 任意二组分之间临界压力相差超 过过2020 时 为了提高精度 视临界压力可用下式计 时 为了提高精度 视临界压力可用下式计 算 算 式中式中Z Zci ci v vci ci为组分的临界压缩因子和临界比 为组分的临界压缩因子和临界比 容 容 R RM M为通用气体常数 为通用气体常数 cii ciicii ii M cm vy TyZy y R p 1 16 39 例题例题1 1 求运行的输气管的气体体积 工程求运行的输气管的气体体积 工程 标准状态 标准状态 p 101325Pa T 293 15K 已知输气管长已知输气管长125km 内径 内径700mm 平均 平均 压力为压力为44 13 105Pa 温度为 温度为5 气体的 气体的 容积分数是 甲烷容积分数是 甲烷97 597 5 乙烷 乙烷0 20 2 丙烷 丙烷 0 20 2 氮 氮1 61 6 二氧化碳 二氧化碳0 50 5 40 解 解 1 求气体的视临界参数求气体的视临界参数 pcm yipci 44 85 105Pa Tcm yiTci 191 16K 2 求对比态参数求对比态参数 pr 0 984 Tr 1 455 85 44 13 44 16 191 15 278 41 3 查图查图1 1得得 Z 0 89 4 求气体体积求气体体积 输气管容积输气管容积 V1 0 72 125000 48081 25m3 4 42 pVpV0 0 ZRTZRT0 0 p p1 1V V1 1 Z Z1 1RTRT1 1 V0 11 01 1 ZpT ZTp V 89 015 278101325 15 2931013 4425 48081 5 2479784m3 注 Z 1 43 通用图给计算带来了方便 但其精度不高 由通用图给计算带来了方便 但其精度不高 由 于现代计算技术的发展 选用适合于天然气的状态于现代计算技术的发展 选用适合于天然气的状态 方程 用计算机求解可得到精度较高的结果 例如方程 用计算机求解可得到精度较高的结果 例如 根据根据BWRS方程可以求解方程可以求解Z的方程式为的方程式为 Z 1 22 3 2 52 33 exp1 RT C T d a RT a RT d RT a b RT E RT D RT C RT A B 44 工业上还用一些经验公式来计算气体的压缩因子 工业上还用一些经验公式来计算气体的压缩因子 1 全苏气体研究所公式全苏气体研究所公式 对干燥天然气对干燥天然气 Z Z 1 18a 对脱去轻油的石油伴生气对脱去轻油的石油伴生气 Z Z 1 18b 15 1 117 0100 100 p 25 1 15 0100 100 p 45 2 美国加利福尼亚天然汽油协会 美国加利福尼亚天然汽油协会 CNGACNGA 公式 公式 Z 1 19 该式适用于气体的相对密度 该式适用于气体的相对密度 0 55 0 7 p p 0 0 68 9468 94 10105 5PaPa T T 272 2272 2 333 3K333 3K的天然气的天然气 825 3 785 15 1010072 5 1 1 T p 46 第三节第三节 天然气的物性及其计算天然气的物性及其计算 一 气体的密度一 气体的密度 定义定义 单位体积气体的质量称为 单位体积气体的质量称为密度密度 注注 气体的体积和压力与温度有关 气体的体积和压力与温度有关 说明密度时就必须指明它的压力 温说明密度时就必须指明它的压力 温 度状态 度状态 如果不指明压力 温度状态 如果不指明压力 温度状态 通常就是指标准状况下的参数 通常就是指标准状况下的参数 47 1 1千摩气体的质量为千摩气体的质量为M M 容积为 容积为V VM M 所以气体的密度又可写为 所以气体的密度又可写为 1千摩气体的质量千摩气体的质量 M M 千克 的值就是它的分子量 千克 的值就是它的分子量 理想气 理想气 体的体的V VM M 22 414m m3 3 kmolkmol 所以对于理想气体 所以对于理想气体 M V M 1 29 414 22 1 30 48 对气体混合物 密度可写为对气体混合物 密度可写为 Mii ii m Vy y 1 31 49 气体密度的倒数称为气体密度的倒数称为比容比容 v v 比容的比容的定义定义 单位质量气体的容积 单位为 单位质量气体的容积 单位为m m3 3 kg kg 它也是温度 压力的函数 它也是温度 压力的函数 相对密度相对密度 同一温度 压力下气体的密度与干空气 同一温度 压力下气体的密度与干空气 的密度之比 的密度之比 1 a 1 32 50 根据根据 得得 式中式中 a a M Ma a V Vma ma和 和 a a分别为空气的密度 千摩尔质量 千摩尔分别为空气的密度 千摩尔质量 千摩尔 体积和分子量 近似计算中可以认为体积和分子量 近似计算中可以认为V Vma ma V VM M 则 则 M V M M Ma aM Ma a V V V V M M 1 33 aa M M 1 34 51 空气的分子量为一常数 空气的分子量为一常数 a a 28 966 故 故 混合气体的相对密度可由下式求得混合气体的相对密度可由下式求得 966 28 1 35 Mii Ma a ii a m Vy V y 1 36 天然气的相对密度一般为天然气的相对密度一般为0 58 0 62 石油伴生气为 石油伴生气为0 7 0 85 52 二 天然气的粘度 气体和液体一样 在运动时都表气体和液体一样 在运动时都表 现出一种叫做粘度或内摩擦的性质 现出一种叫做粘度或内摩擦的性质 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律 流体两层之间 流体两层之间 的摩擦力的摩擦力F F与垂直于流体流动方向的与垂直于流体流动方向的 速度梯度 接触面积成正比 即速度梯度 接触面积成正比 即 dr dw AF 1 36 53 式中式中 F F 内摩擦力 内摩擦力 N N A A 两层间的接触面积 两层间的接触面积 m m2 2 速度梯度 速度梯度 1 s1 s 与流体种类有关的比例系数 与流体种类有关的比例系数 叫做动力粘滞系数 简称叫做动力粘滞系数 简称动力粘度动力粘度 PaPa s s dr dw 54 内摩擦力除以接触面积得切应力内摩擦力除以接触面积得切应力 由上式可看出 由上式可看出 动力粘度的物理意义动力粘度的物理意义是 速度是 速度 梯度为梯度为1时 单位面积上的内摩擦力 动力粘时 单位面积上的内摩擦力 动力粘 度的单位为度的单位为PaPa s s 1PaPa s 10s 103 3cP 10cP 103 3m m PaPa s s dr dw A F 1 40 55 气体的动力粘度定义和表示方法与液体一 样 但形成的内摩擦的原因却不尽相同 当两层气体有相对运动时 气体的分子之间不 仅具有与运动方向一致的相对移动而造成的内摩擦 而且由于气体分子无秩序的热运动 两层气体分子之 间可以互相扩散和交换 当流动速度较快的气层分子 跑到流速较慢的一层里面去时 这些具有较大动能的 气体分子 将使较慢的气层产生加速作用 反之 流 动速度较慢的气层的分子跑进较快的气层里时 则对 气层产生一种阻滞气层运动的作用 结果两层气体之 间就产生了内摩擦 56 温度升高 气体的无秩序热运动增强 气温度升高 气体的无秩序热运动增强 气 层之间的加速和阻滞作用跟着增加 内摩擦也层之间的加速和阻滞作用跟着增加 内摩擦也 就增加 所以 就增加 所以 气体的粘度随着温度的升高而气体的粘度随着温度的升高而 加大加大 与液体的粘度随温度升高而降低不同 与液体的粘度随温度升高而降低不同 随着压力升高 气体的性质逐渐接近液体 温随着压力升高 气体的性质逐渐接近液体 温 度对粘度的影响 也越来越接近于液体 度对粘度的影响 也越来越接近于液体 57 表1 8为甲烷在不同压力 温度下的动力粘 度 从表中可以看出 气体的粘度随压力增高而 增高 在低压时 气体粘度随温度升高而增加在低压时 气体粘度随温度升高而增加 随着压力的增加 温度升高对粘度增大的影响越 来越小 当压力很高时 当压力很高时 100 105PaPa以上 以上 气体粘度随温度升高而降低 明显表现出类似于气体粘度随温度升高而降低 明显表现出类似于 液体的性质液体的性质 58 绝对压力 105帕 0 25 75 1 013 1 027 1 108 1 260 20 265 1 068 1 135 1 290 60 795 1 220 1 260 1 355 101 325 1 420 1 370 1 455 151 988 1 795 1 680 1 635 202 650 2 165 1 990 1 810 303 976 2 800 2 510 2 230 405 301 3 360 3 005 2 620 607 951 3 890 3 330 表1 8 甲烷的动力粘度 高压 低压 59 低压时低压时 可根据下式来估计温度对动力粘度 可根据下式来估计温度对动力粘度 的影响 的影响 m T T 0 0 1 41 在温度T0 273 15K时的动力粘度 m 经验指数 见表1 10 0 60 甲烷 乙 烷 丙烷 丁烷 戊烷 一氧化 碳 二氧化 碳 氮 氦 0 76 0 9 0 92 0 97 0 99 0 695 0 82 0 68 0 68 表1 10 指数m的值 61 运动粘度运动粘度 为动力粘度与密度的比值 单位 为动力粘度与密度的比值 单位 为为m2 s 1 47 62 三 天然气的湿度 1 湿天然气湿天然气 天然气与水蒸气 天然气与水蒸气 的混合气体的混合气体 2 绝对湿度绝对湿度 每立方米湿天然 每立方米湿天然 气中所含有的水蒸气量 气中所含有的水蒸气量 单位单位 为为kg mkg m3 3或或g mg m3 3 63 根据气体分压定律 得绝对湿度 TR m pV M TR p V m W M a 1 48 64 式中式中 Wa 天然气的绝对湿度 天然气的绝对湿度 kg m3 m 气体中所含的水蒸气量 气体中所含的水蒸气量 kg V 湿气的体积 湿气的体积 m3 水蒸气的分子量 水蒸气的分子量 18 p 湿气中的水蒸气分压 湿气中的水蒸气分压 Pa RM 通用气体常数 通用气体常数 RM 8314J kmol K T 气体的温度 气体的温度 K TR p V m W M a 65 将 18 10 3kg mol RM 8314J kmol代入 1 48 得 T p Wa 3 10165 2 1 49 66 3 饱和时的绝对湿度 天然气中水分较少时 水分以过热蒸气状天然气中水分较少时 水分以过热蒸气状 态存在 当水分逐渐增多 在一定温度下 水态存在 当水分逐渐增多 在一定温度下 水 分只能增加至某一个最大值 即天然气已被水分只能增加至某一个最大值 即天然气已被水 蒸气所饱和 气体中的水蒸气分压也达到该温蒸气所饱和 气体中的水蒸气分压也达到该温 度下的最大值度下的最大值 饱和蒸气压饱和蒸气压 67 饱和时的绝对湿度饱和时的绝对湿度 由于水的饱和蒸气压是温度的函数 所以饱和时由于水的饱和蒸气压是温度的函数 所以饱和时 的绝对湿度的绝对湿度W Wa a0 0也也只随温度而变化 只随温度而变化 T p Wa 030 10165 2 1 50 68 4 相对湿度 定义 湿天然气的实际绝对湿度与同温度下饱 和时的绝对湿度之比 定义式 0 a a W W 1 50a 69 当气体饱和时 由 1 T p Wa 3 10165 2 T p Wa 030 10165 2 得 0 p p 1 51b 即 相对湿度等于气体中水蒸气分压与同温度 下水的饱和蒸气压之比 70 未饱和的湿天然气 在一定压力下冷却时 随着未饱和的湿天然气 在一定压力下冷却时 随着 温度的降低 水的饱和蒸气压逐步下降 湿天然气中温度的降低 水的饱和蒸气压逐步下降 湿天然气中 的水蒸气分压就逐步接近水的饱和蒸气压 当降低某的水蒸气分压就逐步接近水的饱和蒸气压 当降低某 一温度时 一温度时 p p p p0 0 1 1 湿天然气处于饱和状态 湿天然气处于饱和状态 如果继续降温 将从气体中析出水滴 那个使气体在如果继续降温 将从气体中析出水滴 那个使气体在 一定压力下处于饱和并将析出水滴的温度称为气体在一定压力下处于饱和并将析出水滴的温度称为气体在 该压力下的该压力下的露点露点 71 含水量含水量 湿天然气中 单位体积 湿天然气中 单位体积干气干气所含的所含的 水蒸气量 单位 水蒸气量 单位 kg mkg m3 3或或g cmg cm3 3 72 含水量含水量 g g w g g g w g w w w V w w w V w W TR w pp m w w w 0 TR w ppppp m g g wg 0 g g w pp p W 0 0 1 52 联立 得含水量公式联立 得含水量公式 73 由于天然气的密度在标准状况下由于天然气的密度在标准状况下 g g g g 22 414kg m 22 414kg m3 3 若若W W的的单位取单位取g mg m3 3 则则 气体饱和时 气体饱和时 1 1 故气体饱和时的含水量 故气体饱和时的含水量 0 0 0 0 803 414 22 100018 pp p pp p W 1 53 0 0 0 803 pp p W 1 54 式中式中p p0 0仅仅是温度的单值函数 若不考虑实际气体与理想气仅仅是温度的单值函数 若不考虑实际气体与理想气 体得差别 则任何气体的饱和含水量只是总压力与温度的函数 体得差别 则任何气体的饱和含水量只是总压力与温度的函数 相同压力 温度下 饱和含水量是一样的相同压力 温度下 饱和含水量是一样的 g g w pp p W 0 0 74 实际上 由于气体组成不同 与理想气体偏差不实际上 由于气体组成不同 与理想气体偏差不 同 当压力较大时 就必须使用同 当压力较大时 就必须使用图图1 3的经验数据 的经验数据 该图表示了天然气 按标准状态计算体积 的饱和含该图表示了天然气 按标准状态计算体积 的饱和含 水量与天然气温度 压力的关系 该图的值一般大于水量与天然气温度 压力的关系 该图的值一般大于 公式 公式 1 54 的计算值 压力愈高 温度愈低 与 的计算值 压力愈高 温度愈低 与 理想气体偏差愈大 很明显 理想气体偏差愈大 很明显 在同样条件下 含有重在同样条件下 含有重 烃较多的天然气的饱和含水量要大于含重烃较少的天烃较多的天然气的饱和含水量要大于含重烃较少的天 然气然气 图 图1 3只能作一般估算使用 只能作一般估算使用 75 图 1 3 76 四 气体的导热系数四 气体的导热系数 导热系数导热系数 是在温差是在温差1K1K时 每秒通过时 每秒通过 面积为面积为1m1m2 2 厚度为 厚度为1m1m物料层的热量 物料层的热量 热量的单位是热量的单位是J J 因此 因此 的单位为的单位为 J J m m s s K K 即 即W mW m K K 77 1 1 低压气体的导热系数低压气体的导热系数 低压组分气体的导热系数可用低压组分气体的导热系数可用MisicMisic和和 ThodosThodos基于量纲分析而提出的经验公式计算 基于量纲分析而提出的经验公式计算 对于甲烷 环烷烃 芳香烃 在对于甲烷 环烷烃 芳香烃 在T Tr r 1 1时时 r p T c 7 1045 4 1 55 78 对于其它碳氢化合物 及其它的对比温度范围对于其它碳氢化合物 及其它的对比温度范围 上两式中上两式中 p r c T 3 2 7 14 552 1410 1 56 3 2 2 1 6 1 0088 1 c c p T 1 57 79 式中 式中 低压气体的导热系数 低压气体的导热系数 W mW m K K T Tc c 临界温度 临界温度 K K p pc c 临界压力 临界压力 10105 5帕 帕 分子量 分子量 T Tr r 对比温度 对比温度 c cp p 定压比热 定压比热 J J kgkg K K 80 2 2 温度对低压气体导热系数的影响温度对低压气体导热系数的影响 以以T T0 0 273 15K273 15K时的导热系数时的导热系数 来计算其它温度下的导来计算其它温度下的导 热系数 此时热系数 此时 温度温度T T时的导热系数 时的导热系数 n n 指数 见表指数 见表1 1 1212 0 0 温度温度T T0 0时的导热系数时的导热系数 n T T 0 0 81 3 3 压力对气体导热系数的影响压力对气体导热系数的影响 低压和中压下 压力对气体导热系数的影响较小 但在高压低压和中压下 压力对气体导热系数的影响较小 但在高压 下气体导热系数是随压力而增加的 可依对比密度下气体导热系数是随压力而增加的 可依对比密度 r r不同 不同 按下式公式计算 按下式公式计算 r r 0 5 0 5时时 0 5 0 5 r r 2 0 2 0时时 2 0 2 0 r r 2 8 cv 这是因为在等压状态下加给系 这是因为在等压状态下加给系 统的部分热量要消耗于气体膨胀 对于理想气体统的部分热量要消耗于气体膨胀 对于理想气体 来说 这两种比热之差等于气体常数来说 这两种比热之差等于气体常数R 即 即 cp cv R 89 注意 对于真实气体来说对于真实气体来说cp cv R 1 75 注意 90 气体混合物在低压下的定压比热为 气体混合物在低压下的定压比热为 式中式中 气体混合物低压下的定压比热 气体混合物低压下的定压比热 J J molmol K K 组分组分i i的摩尔分数 的摩尔分数 组分组分i i低压下的定压比热 低压下的定压比热 J J molmol K K 00 piip cyc 1 76 0 p c i y 0 pi c 91 计算低压下的定压比热也可用下述拟和方程 计算低压下的定压比热也可用下述拟和方程 式中式中 气体定压下的定压比热 气体定压下的定压比热 J mol K T 气体的温度气体的温度 式 式 1 77 中的 中的B C D F为计算常数 不同气体的各常数为计算常数 不同气体的各常数 值见表值见表1 15 教材 教材P34 4320 5432FTETDTCTBc p 1 77 0 p c 92 在同一温度下高压定压比热与低压定压比热之间有在同一温度下高压定压比热与低压定压比热之间有 如下关系 如下关系 这一关系对单一组分或气体混合物都适用 这一关系对单一组分或气体混合物都适用 可由图可由图1 4查得 比热和摩尔比热的单位换算公式为查得 比热和摩尔比热的单位换算公式为 ppp ccc 0 1 78 p c 1 1KkgkJKkmolkJ 93 图1 4 94 例题例题1 1 2 2 求甲烷在求甲烷在T T 133 735K133 735K p 4 04p 4 04 10105 5PaPa下的定压下的定压 比热 甲烷分子量比热 甲烷分子量 16 04316 043 解 解 1 1 由公式 由公式 1 1 7777 求 求 0 p c 2737 33 07403 2 735 1331049685 855735 133107905 3724 735 133104022 573735 1331018007 2223959 2 414311 2740 KkmolkJ KkgkJ cp 95 2 求对比参数 求对比参数 Tc 191 05K pc 44 9 105 由图1 4查得 7 0 05 191 735 133 r T 5 5 4 04 10 0 09 44 9 10 r p 9 9KkmolkJKmolJc p 96 求求c cp p 在高压下真实气体的定容和定压比热与理想气体的值差别很在高压下真实气体的定容和定压比热与理想气体的值差别很 大 根据热力学分析 高压下的定容比热为大 根据热力学分析 高压下的定容比热为 2737 4292737 33 0 ppp ccc 1 78 2exp2 3 5 2 20126 22 3 5 2 2 2 5 0 4 0 3 00 2 2 0 2 0 T c T ad T d T E T D T C cd T T cc vvv 1 79 97 高压下定压比热与定容比热之差为高压下定压比热与定容比热之差为 2 2 pv T p TT cc p T 1 80 98 在低压下作热力计算时 通常所用的气体绝热指数在低压下作热力计算时 通常所用的气体绝热指数 在高压下求解绝热过程中的状态参数 需要使用不同状态下的状在高压下求解绝热过程中的状态参数 需要使用不同状态下的状 态指数 如温度绝热指数态指数 如温度绝热指数 或容积绝热指数或容积绝热指数 此时 此时 只能称为定压 定容比热比 而不能称为绝热指数 只能称为定压 定容比热比 而不能称为绝热指数 T k 1 81 V k p v c k c p v c k c 99 由绝热过程中由绝热过程中PVTPVT三者关系 如三者关系 如 或或 或或 1 22 11 T T k k Tp Tp 1 T T k k TpC 1 82 22 11 v k p p v k pC 1 83 100 2 1 T Tp T p Tkp kcp 对上述两式取对数并求微分 经热力学推演得到对上述两式取对数并求微分 经热力学推演得到 1 84 p V v c p k p cT 1 85 101 2 2 热值热值 热值热值 每 每m3或每或每kg天然气燃烧所发出的热量称为天然气天然气燃烧所发出的热量称为天然气 的热值 的热值 高热值高热值 燃烧生成的水全部冷凝为液体 此时测定的热值 燃烧生成的水全部冷凝为液体 此时测定的热值 低热值低热值 燃烧生成的水保持气相 此时测定的热值称为低 燃烧生成的水保持气相 此时测定的热值称为低 热值或净热值 热值或净热值 注 高 低热值二者相差一个汽化潜热 约差注 高 低热值二者相差一个汽化潜热 约差7 10 可用热值测定仪测天然气热值 可用热值测定仪测天然气热值 102 各燃料热值粗略范围 各燃料热值粗略范围 气田气气田气 3232 42MJ m42MJ m3 3 伴生气伴生气 3636 67MJ m67MJ m3 3 重组分多 重组分多 城市煤气城市煤气 1313 14MJ m14MJ m3 3 103 3 3 爆炸性 可燃性极限 爆炸性 可燃性极限 天然气和空气混合 当天然气浓度在一定范围内天然气和空气混合 当天然气浓度在一定范围内 时 遇明火就会发生燃烧和爆炸 燃烧时 燃烧波的时 遇明火就会发生燃烧和爆炸 燃烧时 燃烧波的 传播速度较慢 约传播速度较慢 约0 30 3 2 4m s2 4m s 而爆炸时 会迅即 而爆炸时 会迅即 产生高压高温 波速达到产生高压高温 波速达到10001000 3000m s3000m s 对管线和 对管线和 容器的破坏力很大 天然气产生爆炸的浓度范围为容器的破坏力很大 天然气产生爆炸的浓度范围为 5 5 1515 随温度 压力升高 爆炸浓度的上限提高 随温度 压力升高 爆炸浓度的上限提高 爆炸范围扩大 爆炸范围扩大 104 105 4 4 节流效应节流效应 假如降低气体的压力而不释放气体的能量 而且气体是理想假如降低气体的压力而不释放气体的能量 而且气体是理想 的 状态是绝热的 那么系统的总能量保持不变 也就是说 的 状态是绝热的 那么系统的总能量保持不变 也就是说 状态变化属于等焓变化 气体的温度也保持不变 状态变化属于等焓变化 气体的温度也保持不变 然而假如上述变化的气体是真实气体 那么其容积变化将不然而假如上述变化的气体是真实气体 那么其容积变化将不 同于理想气体的情况 其内能和温度将发生变化 同于理想气体的情况 其内能和温度将发生变化 如图所示如图所示 气体在流道中经过突然缩小的断面 如管道上的针形阀 孔气体在流道中经过突然缩小的断面 如管道上的针形阀 孔 板等 产生强烈的涡流 使压力下降 这种现象称为节流 板等 产生强烈的涡流 使压力下降 这种现象称为节流 如果在节流过程中气体与外界没有热交换 就称为绝热节流 如果在节流过程中气体与外界没有热交换 就称为