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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 天然气的管道输送是上下游一体化的 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 二 天然气的组成 天然气是以烷烃 CnH2n 2 为主的各种烃类和少量非烃类气体所组成的气体混合物 其化学组成绝大部分是甲烷 CH4 乙烷 C2H6 丙烷 C3H8 丁烷 C4H10 和戊烷 C5H12 含量不多 天然气中也含有其它一些气体 如硫化氢 H2S 二氧化碳 CO2 氮 N2 及水汽 H2O 有时还含有微量的稀有气体 如氦 He 和氩 Ar 等 三 天然气的分类 1 按矿藏特点分类1 气田气 nonassociatedgas 气田气主要含甲烷 含量约为80 98 2 凝析气 condensategas 除含有大量的甲烷 乙烷外 还含有一定数量的丙 丁烷 戊烷及戊烷以上烃类含量较高 含有汽油和煤油的组分 3 油田气 oilfieldgas 包括溶解气和气顶气 它的特征是乙烷和乙烷以上的烃类含量一般较高 其组成与分去凝析油以后的凝析气田气相类似 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 甜气 sweetgas 每标立方米天然气中含硫量小于1克的称为甜气 净气 四 天然气组成表示方法 质量组成体积组成摩尔组成 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 2 体积组成 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 在标准状态 101325Pa 0 时 任何1千摩尔的气体体积都是22 4m3 因此混合气体中任何组分的体积组成在数值上等于其摩尔组成 即 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 要求换算为体积组成摩尔组成yi 可用下式 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 第二节天然气的物理化学性质 一 天然气的摩尔质量 分子量 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 换言之 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 不同组成的天然气 其分子量也有所不同 M 气体的平均分子量 kg kmolyi 气体第i组分的摩尔分数Mi 气体第i组分的分子量 kg kmol 二 天然气的临界参数和对比参数 1 临界参数任何纯气体在温度低于某一数值时都可以等温压缩成液体 但当高于这一温度时 无论压力多大 都不能使其液化 可以使气体压缩成液体的这一极限温度称为临界温度 当温度处于临界温度时 使气体压缩成液体所需的压力称为临界压力 此时的状态称为临界状态 气体临界状态下的温度 压力分别为临界温度 临界压力 用符号Tc及Pc表示 临界温度是该气体能以液体状态存在的最高温度 临界压力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 2 虚拟临界温度和虚拟临界压力计算 虚拟临界值按下式计算 3 对比压力和对比温度的计算 对比压力 对比温度 Tr 气体混合物的对比温度 K Pr 气体混合物的对比压力 kPa 绝 T 气体混合物的操作温度 K P 气体混合物的操作压力 kPa 绝 Tc 气体混合物的虚拟临界温度 K Pc 气体混合物的虚拟临界压力 kPa 绝 三 天然气的状态方程 1 天然气的计量单位及标准条件以立方米为计量单位 我国规定压力为101 325kPa 温度为20 C作为天然气计量的标准条件 用符号Nm3GPA GasProcessorsAssociation 标准 压力为101 325kPa 温度为15 C 或14 696psia 60 用符号Sm3基准条件 压力为101325Pa 温度为0 C 用符号Bm3 使用图表和公式时要特别注意单位 2 状态方程 对于理想气体 其中 Rm 8 314kJ kmol K n为气体摩尔数 实际气体状态方程 对于某一定量的气体 存在下述关系 R为气体常数 R Rm M PR SRK BWRS SHBWR 方程BWRS状态方程 3 常用状态方程 A0 B0 C0 D0 E0 a b c d 为状态方程的11个参数 对于纯组分 对于混合物 Kij表示i j组分间的交互作用系数 四 天然气密度计算 1 利用BWRS状态方程计算天然气密度采用迭代法进行求解 正割法是一种有效可靠的迭代方法将BWRS方程式改写成以下函数形式 正割法的迭代公式如下 2 天然气的密度简捷计算0 标准状态 20 标准状态 任意温度与压力下 还可根据状态方程计算 3 天然气的相对密度天然气相对密度为在同一温度 压力下气体的密度与干空气的密度之比 天然气相对密度 Z Za 天然气和空气的压缩系数 M Ma 天然气和空气的平均分子量 五 逸度的计算 逸度是由Lewis首先提出的一个热力学性质 以f表示 理想气体的逸度就是它的压力 故其单位与压力相同 对于实际气体则以逸度代替压力 f P 称为逸度系数 可将逸度看成校正压力或 有效 压力 逸度也是表征体系的逃逸趋势 逸度也就因此得名 混合物中i组分的逸度fi按下式计算 六 天然气的压缩系数 在规定的压力和温度条件下 一给定质量气体的实际 真实 体积除以在相同条件下按理想气体定律计算出的该气体的体积 称为气体的压缩系数 用符号Z表示 Gascompressibilitycoefficient factor R 气体常数 kJ kg K M 气体摩尔质量 kg kmolm 气体质量 kg 真实气体状态方程式 Z t p 的计算 GB T17747 1 2 3 1999 天然气压缩因子的计算 AGA8 1992 ISO12213 2 1997SRK方程 PR BWRS方程计算 由对比压力和对比温度采用查图法 经验相关式计算 1 用BWRS方程求天然气压缩系数 2 压缩系数的简捷计算根据经验公式来计算天然气的压缩系数美国加利福尼亚天然气协会 CNGA 公式 适用条件 前苏联气体研究所公式对于干燥天然气对于脱去轻油的石油伴生气 输气管的平均压力 MPa 绝 七 天然气的焓值计算 理想气体单组分 混合理想气体 实际混合气体的焓 八 天然气的熵值计算 理想天然气气体单组分混合理想气体实际混合气体 理想气体的Cp Cv之间存在一定的关系 九 天然气的比热计算 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求得 即 气体的定压比热与压力有关 当压力大于4 59 102kPa时 应进行压力校正 纯烃真实气体的定压比热可由下列公式进行校正计算 简单流体定压比热的压力校正项 非简单流体定压比热的压力校正项 气体混合物的定压比热 图1 1气体定压比热压力校正图 简单流体 图1 2气体定压比热压力校正图 非简单流体 纯烃真实气体的比热实际气体比热容 十 流体混合物的偏心因子计算 流体混合物的偏心因子可按纯组分偏心因子的分子分率平均值进行计算 十一 焦耳 汤姆逊系数计算 焦耳 汤姆逊系数可按下式计算 气体的粘度表示由于气体分子或质点之间存在吸引力和摩擦力而阻碍质点相互位移的特性 气体粘度包括运动粘度 和动力粘度 低压下 气体的粘度随温度的升高而增加 高压下 气体的粘度随温度的升高而减小 十二 天然气的粘度 在高压力下 天然气的粘度可根据各组分在一定温度和压力下的粘度按下式计算 该式的平均误差为1 5 最大误差为5 十三 天然气的导热系数计算 物质传递热量的性能叫导热性 导热性用导热系数 定量表示 导热系数 是在温差1K时 每秒通过面积为1m2 厚度为1m物料层的热量 热量单位是焦耳 因此 的单位为J m s K 气体的导热系数随压力和温度的升高而增加 天然气在常压下的导热系数可按下式计算 在较高压力下 可利用常压下导热系数对压力的校正值求得 即 可根据pr和Tr查图得到 十四 天然气的热值 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天然气的热值表示方法 高热值和低热值天然气在燃烧时会生成水蒸气 而水蒸汽冷凝会放出热量 因此 把水蒸气的气化潜热计算在内的叫高热值 反之即为低热值工程上通常都用低热值 几种常见燃料的热值 天然气 46055kJ kg气田气 35588 41868kJ Nm3油田气 35588 66989kJ Nm3煤 29308kJ kg干木材 12560kJ kg 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 5 C和101325Pa绝 下的压缩系数Z除 即修正为真实气体的热值Hr 即 十五 天然气的烃露点 在一定压力下 天然气经冷却到气相中析出第一滴微小的液体时的温度 称为露点 十六 沃泊指数Wobbeindex在规定参比条件下的体积高位发热量除以相同的规定计量参比条件下的相对密度的平方根 用符号Ws表示 沃泊指数代表燃气性质对热负荷的综合影响 天然气发热量和沃泊指数的计算方法请参阅GB T11062 1998 天然发热量 密度 相对密度和沃泊指数的计算方法 十七 天然气的爆炸极限 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 在常温常压下 天然气的爆炸范围约为5 15 常温常压下 天然气的爆炸极限可由下式计算 式中L 爆炸的上限或下限Li 组分i的爆炸上限或下限 用体积百分数表示yi 组分i的体积百分数 当天然气中含有不可燃组分时应当对爆炸极限进行校正 式中 L 是按式 1 79 计算的爆炸极限 y0 不可燃组分的