LNG液化天然气 Chapter 02 天然气性质

1、Southwest Petroleum University College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU12 天然气性质天然气性质n多组分体系描述多组分体系描述n分子量分子量n压缩因子压缩因子n粘度粘度n热力学性质热力学性质n导热系数导热系数n热值热值Southwest Petroleum University College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU22.1 概述概述天然气是一个多组分体系，其物理性质取决于它的其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

2、分的物性。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：在天然气处理与加工中，一些重要的物性有：压缩因子压缩因子(天然气是可压缩气体天然气是可压缩气体)密度密度热力学性质热力学性质(比热、焓、熵、潜热比热、焓、熵、潜热)传热性质传热性质(粘度、导热系数、表面张力粘度、导热系数、表面张力)燃烧热燃烧热Southwest Petroleum University College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU32.2 多组分体系描述多组分体系描述一、天然气体系一、天然气体系1、天然气构成、天然气构成烃类气体，烃类气体，CnH2

3、n+n：C1、C2、C6、C7+非烃类气体：非烃类气体：H2S、CO2、N2、 He、H2O等等2、体系、体系指一定范围内一种或几种定量物质构成的整体。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。可分为单组分和多组分体系。甲烷、乙烷甲烷、乙烷丙烷、丁烷丙烷、丁烷水水Southwest Petroleum University College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU42.2 多组分体系描述多组分体系描述3、体系描述、体系描述有有n个个组分组分每个组分的质量：每个组分的质量：mi每个组分的摩尔量：每个

4、组分的摩尔量：ni每个组分的体积：每个组分的体积：Vi二、天然气组成二、天然气组成1、天然气组成表示方法、天然气组成表示方法质量分率：质量分率：wi 摩尔分率：摩尔分率：yi 体积分率：体积分率：yi2、不同表示方式的关系、不同表示方式的关系Southwest Petroleum University College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU52.2 多组分体系描述多组分体系描述iiiMnm )(iiiiiiiMnMnmmwiinV4 .22iiiiiiinnnnVVy)4 .22(4 .22)/(/ )(/ )()/()/(ii

5、iiiiiiiiiiiiiMwMwMmwMmwMmMmy因为因为所以所以又因又因所以所以且有且有Southwest Petroleum University College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU62.3 分子量分子量一、天然气的视分子量一、天然气的视分子量1、定义、定义在标准状态下，在标准状态下，1摩尔天然气的质量，单位以摩尔天然气的质量，单位以kg/kmol或或g/mol表示。表示。2、计算公式、计算公式niiigMyM1天然气组成不同，视分子量也就不同。一般天然气的天然气组成不同，视分子量也就不同。一般天然气的视分子量为视

6、分子量为16.8217.98。Southwest Petroleum University College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU72.3 分子量分子量二、天然气相对密度二、天然气相对密度(relative density)1、定义、定义在标准状态下，天然气的密度与干燥空气密度之比。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、计算公式式中：式中： g天然气的相对密度；天然气的相对密度； g标况下天然气的密度，标况下天然气的密度，kg/m3； air标况下干燥空气的密度，标况下干燥空气的密度，kg/m3。9625.

7、28/gairgairairggairggMMMVMVMSouthwest Petroleum University College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU82.4 压缩因子压缩因子一、天然气的压缩因子一、天然气的压缩因子1、定义、定义一定数量的天然气，在相同压力温度下，实际体积和一定数量的天然气，在相同压力温度下，实际体积和理想体积之比。理想体积之比。2、表达式、表达式idealactualVVTpTpZ气体的理想气体体积时和在相同气体的实际体积时和在某1mol1mol对对1mol实际气体：实际气体：ZVVactualidea

8、lSouthwest Petroleum University College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU92.4 压缩因子压缩因子3、实际气体状态方程、实际气体状态方程理想气体方程为理想气体方程为nRTpVidealZnRTpVnRTZpVactualactual 则实际气体方程为则实际气体方程为几种表示形式几种表示形式 nkmol：pV = ZnRT，V = m3 体积体积 1kmol：pVm =ZRT， Vm = m3/kmol 千摩体积千摩体积 1Kg： p= ZRT/M， = m3/kg 比容比容Southwest Pet

9、roleum University College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU102.4 压缩因子压缩因子二、对应状态定律二、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。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。个对比变量也相同。1、 纯物质纯物质其对比压力其对比压力pr和对比温度和对比温度Tr为为CrCrPPPTTT Southwest Petroleum Univer

10、sity College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU112.4 压缩因子压缩因子2、混合气体、混合气体对比状态参数用拟对比参数对比状态参数用拟对比参数ppr和和Tpr来表征。来表征。ppr和和Tpr根据拟临界压力根据拟临界压力ppc和拟临界温度和拟临界温度Tpc来确定。来确定。ciipcciipcPyPTyT 3、压缩因子的计算、压缩因子的计算根据对应状态定律，可利用根据对应状态定律，可利用Tr和和pr将将Z表示出来：表示出来：Zf (Tr，pr)pcprpcprPPPTTT/ /Southwest Petroleum Univer

11、sity College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU122.4 压缩因子压缩因子S-K经验图经验图如右所示，主要用于如右所示，主要用于估算洁气的压缩因子。估算洁气的压缩因子。对含有非烃较多时，对含有非烃较多时，需要校正处理，如式需要校正处理，如式2-14、式式2-15以及式以及式2-16。经验关系式经验关系式实际气体状态方程实际气体状态方程Southwest Petroleum University College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU132.4 压缩因子压缩因子三

12、、天然气密度三、天然气密度1、理想气体、理想气体RTpMpRTMVmgg/2、非理想气体、非理想气体ZRTpMpZRTMVmgg/式中：式中：p天然气的压力，天然气的压力，kPa； T天然气的温度，天然气的温度，K； R通用气体常数，通用气体常数， 8.314 kPa.m3/(kmol.K)Southwest Petroleum University College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU142.5 粘度粘度天然气的粘度随温度天然气的粘度随温度 而而 ，随分子量的，随分子量的 而而 ；在；在较低压力下，与较低压力下，与p无关，高

13、压时，不能忽略无关，高压时，不能忽略p影响。影响。1、由单组分粘度确定低压混合粘度、由单组分粘度确定低压混合粘度2/12/10)()(iiiiiNMyMy式中：式中：N0低压下的粘度，低压下的粘度，mPa.s； i相同相同p下组分下组分i粘度，粘度，mPa.s； yi组分组分i的摩尔分率；的摩尔分率； Mi组分组分i的分子量。的分子量。Southwest Petroleum University College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU152.5 粘度粘度2、Carr粘度图粘度图1()un()N2()CO2()H2SSouthwe

14、st Petroleum University College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU162.5 粘度粘度3、关联式法、关联式法Lee等人的计算关系式：等人的计算关系式：)exp(104ygXK式中：式中：粘度，粘度，mPa.s ；T温度，温度，K ；g 密度，密度，g/cm3； p压力，压力，kPa ； Mg分子量，分子量，kg/kmol。XyMTXg2 . 04 . 2 01. 08 . 19865 . 3TMTMKgg8 . 119209)87. 1)(02. 04 . 9(5 . 1ZRTpMgSouthwest Pet

15、roleum University College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU172.6 热力学性质热力学性质一、比热一、比热(Specific Heat)1、定义、定义在不发生相变和化学变化时，加热单位质量物质，温在不发生相变和化学变化时，加热单位质量物质，温度升高度升高1所需要的热量。所需要的热量。2、分类、分类(1)真比热和平均比热真比热和平均比热 在极小的温度范围在极小的温度范围(dt)加热，可得到油品的真比热：加热，可得到油品的真比热：dtdQC Southwest Petroleum University College

16、 of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU182.6 热力学性质热力学性质单位质量的油品温度由单位质量的油品温度由t1升高到升高到t2，可得在，可得在t1t2间的平间的平均比热：均比热：21ttQC平(2)恒压热容和恒容热容恒压热容和恒容热容热容会随热容会随p及及V的变化而变化，根据热力学定义：的变化而变化，根据热力学定义：PPTPTHTQC 0limVVTVTUTQC 0lim对理想气体：对理想气体：CpCVRSouthwest Petroleum University College of Chemistry & Chemical E

17、ngineering,SWPU192.6 热力学性质热力学性质对实际气体：对实际气体：Cp和和CV差值相当于气体膨胀所做的功。差值相当于气体膨胀所做的功。绝热指数绝热指数k： Cp和和CV的比值，的比值，kCp/CV3、恒压热容的计算、恒压热容的计算(1)理想气体理想气体对纯组分：对纯组分：Cpi0B2CT3DT24ET35FT4对混合物：对混合物：Cpm0yiCpi0(2)实际气体实际气体天然气的常压比热可由下式计算：天然气的常压比热可由下式计算：Southwest Petroleum University College of Chemistry & Chemical Engine

18、ering,SWPU202.6 热力学性质热力学性质CpmyiCpi式中，式中，Cpii组分的比热。组分的比热。 实际气体的实际气体的Cp也可由下式计算也可由下式计算Cp Cp0CpCp为残余热容，借助为残余热容，借助EOS计算。计算。RTpTpTdVTpTCTVp222Southwest Petroleum University College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU212.6 热力学性质热力学性质二、焓二、焓(Enthalpy)根据热力学知识，焓的表达式为根据热力学知识，焓的表达式为H(HH0)H0 1、理想气体的焓、理想气

19、体的焓54320TFTETDTCTBAHiiiiiii式中：式中： T温度，温度，K ； Ai、Bi、Ci、Di、Ei、Fii组分的常数；组分的常数； Hi0i组分的焓，组分的焓，kJ/kg。 焓是状态函数，规定在焓是状态函数，规定在0、0 kPa时，时，H000。Southwest Petroleum University College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU222.6 热力学性质热力学性质对混合物：对混合物： Hm0yiHi02、实际气体的焓、实际气体的焓)1(0)0(00CCCRTHHRTHHRTHH式中：式中：偏心因子

20、；偏心因子； 等式右边第一项为压力对等式右边第一项为压力对简单流体简单流体焓值的影响；焓值的影响； 等式右边第二项为压力对等式右边第二项为压力对真实流体真实流体和简单流体焓值影和简单流体焓值影响存在的偏差；响存在的偏差； H在在p、T条件下，实际气体的焓。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。Southwest Petroleum University College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU232.6 热力学性质热力学性质三、熵三、熵(Entropy)根据热力学知识，

21、熵的表达式为根据热力学知识，熵的表达式为Sm(SmSm0)混合混合Sm0 1、理想气体的熵、理想气体的熵式中：式中： T温度，温度，K ； Bi、Ci、Di、Ei、Fi、Gii组分的常数；组分的常数； Si0i组分的熵，组分的熵，kJ/kg。 熵是状态函数，在熵是状态函数，在0、1 kPa时，时，S001kJ/(kg.K)。iiiiiiiGTFTETDTCTBS43204534232lnSouthwest Petroleum University College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU242.6 热力学性质热力学性质对混合物：对

22、混合物： Sm0yiSi02、实际气体的熵、实际气体的熵式中：式中：偏心因子；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；响存在的偏差； S在在p、T条件下，实际气体的熵。条件下，实际气体的熵。pRSSRSSRSSln)()()() 1(0)0(00混合Southwest Petroleum University College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU252.7 导热系数

23、导热系数烃类流体的导热系数烃类流体的导热系数(Thermal Conductivities)是重要是重要基础数据。基础数据。一、低压下纯烃的导热系数一、低压下纯烃的导热系数1、查图法：、查图法：根据根据T在导热系数图中读取。在导热系数图中读取。2、经验关系式、经验关系式ABTCT2式中：式中： 导热系数，导热系数，Btu/(hr)(sqft)( )/ft； T温度，温度， ； A、B、C各组分的经验系数。各组分的经验系数。Southwest Petroleum University College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU262.

24、7 导热系数导热系数二、烃类混合物的气体导热系数二、烃类混合物的气体导热系数在任意在任意T、p压力下气体导热系数：压力下气体导热系数：ninjjjiiimyAy11,1TSTSTSTSMMAjjijiijjiji1111141,22/14/3,bjiTSS5 . 1,jijiSSS,式中：式中：i、j组分组分i和和j的粘度；的粘度； Mi、Mj组分组分i和和j的分子量；的分子量；Tb沸点。沸点。Southwest Petroleum University College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU272.8 热值热值一、热值的定义一

25、、热值的定义1、热值、热值(Heats of Combustion)单位体积或单位质量天然完全燃烧时所产生的热量，单位体积或单位质量天然完全燃烧时所产生的热量，单位是单位是kJ/m3或或kJ/kg。2、总热值、总热值在在15、101.3kPa下，单位体积天然气完全燃烧，且下，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。水以液态形式存在时所放出的热量。3、净热值、净热值Southwest Petroleum University College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU282.8 热值热值在在15、101.3kPa下，

26、单位体积天然气完全燃烧，且下，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。水以气态形式存在时所放出的热量。说明：说明：(1)总热值与净热值之差为水的冷凝潜热。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。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：天然气的热值由各组分分率对热值的加权得到：Southwest Petroleum University College of Chemistry &

27、 Chemical Engineering,SWPU292.8 热值热值式中：式中：x1、x2、xn每个组分的摩尔分率；每个组分的摩尔分率； H1、H2、Hn各组分理想气体的热值。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：实际气体的热值与理想气体的热值关系如下：stdidealrealZHH/nnidealHxHxHxH2211饱和热值与干热值之间的关系：饱和热值与干热值之间的关系：stdOHOHOHvapstdOHstddrywetRTpMWHpppHH2222)()(,式中：式中：Hvap,H2O潜热，潜热，kJ/kg；MWH2O摩尔分子量。摩尔分子量。Southwe

28、st Petroleum University College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU302.8 热值热值三、沃贝指数三、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。的比值，代表燃气性质对热负荷的综合影响。dHWgrossS/式中：式中：WS沃贝指数，沃贝指数，kJ/m3； Hgross总热值，总热值，kJ/m3； d相对密度。相对密度。Southwest Petroleum University College of Chemist

29、ry & Chemical Engineering,SWPU312.9 饱和蒸气压饱和蒸气压饱和蒸气压取决于液体的性质和饱和蒸气压取决于液体的性质和T，是基础热力学数，是基础热力学数据。烃类在高温和低温下的蒸气压如下图。据。烃类在高温和低温下的蒸气压如下图。一、烃类饱和蒸气压图一、烃类饱和蒸气压图Southwest Petroleum University College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU322.9 饱和蒸气压饱和蒸气压二、烃类饱和蒸气压计算式二、烃类饱和蒸气压计算式1、LeeKesler方程方程)()(ln)1(

30、)0(rrvprTfTfp6)0(169347. 0ln28862. 109648. 692714. 5rrrTTTf6)1(43577. 0ln4721.136875.152518.15rrrTTTf式中：式中：pvpr对比蒸气压，对比蒸气压，pvppC； pvp饱和蒸气压，饱和蒸气压，kPa； 偏心因子。偏心因子。Southwest Petroleum University College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU332.9 饱和蒸气压饱和蒸气压2、Riedel-Plank-Miller方程方程式中：式中：Tr对比温度，对比温

31、度，TTC； Tb沸点，沸点，K； TC临界温度，临界温度，K。)1)(3(1 ln321rrrrvprTTkTGTpCbbrTTT/hG4605. 04835. 0)325.101/ln()1/(CbrbrpTTh)1)(3/()1 ()/(2brbrbrTTTGhkSouthwest Petroleum University College of Chemistry & Chemical Engineering,SWPU342.10 爆炸极限爆炸极限一、天然气一、天然气天然气爆炸极限为天然气爆炸极限为 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。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。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，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。便于发现和识别泄漏。Southwest Petroleum University College of Chemistry & C