第1章 天然气物理化学性质

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Chapter1 physical and Chapter1 physical and chemical character of NGchemical character of NG第一节第一节 天然气的化学组成与分类天然气的化学组成与分类Chemical element and Chemical element and classificationclassification一、天然气输送方法一、天然气输送方法 大宗天然气的输送方法目前只有两种：大宗天然气的输送方法目前只有两种：u 管道输送管道输送u 液化天然气运输液化天然气运输液化天

2、然气（液化天然气（LNGLNG）是天然气经净）是天然气经净化处理后，通过低温冷却而成的液态化处理后，通过低温冷却而成的液态产物，其体积为原气态体积的产物，其体积为原气态体积的1/6001/600。为在常压下保持液态，必须将其冷却为在常压下保持液态，必须将其冷却至至-162-162以下。液态时，可以用液化以下。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，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。目前以气态形式用管道输送至用户。目前我国正在积极发展

3、液化天然气系统。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。或在建液化天然气生产装置。二、天然气气质要求二、天然气气质要求1. 1. 天然气质量的三项要求天然气质量的三项要求1 1）天然气组成）天然气组成大量组分八个大量组分八个：甲烷、乙烷、丙烷、：甲烷、乙烷、丙烷、总丁烷、总戊烷、总丁烷、总戊烷、C C6+6+、氮、二氧化碳；、氮、二氧化碳；少量组分五个少量组分五个：氢、不饱和烃总量、：氢、不饱和烃总量、一氧化碳、氧、氦；一氧化碳、氧、氦；微量组分五个微量组分五个：硫化氢、硫醇、羰基：硫化氢、硫醇、羰基硫、总硫、水

4、分。硫、总硫、水分。2 2）物理性质）物理性质 标准状态下的总发热量、标准状态下的沃标准状态下的总发热量、标准状态下的沃贝指数（贝指数（Wobbe IndexWobbe Index）、相对密度、压缩因）、相对密度、压缩因子和露点。子和露点。3 3）其他要求）其他要求u在管输温度、压力条件下，不存在液相的在管输温度、压力条件下，不存在液相的 水和烃类；水和烃类；u固体颗粒的含量不影响输送与利用；固体颗粒的含量不影响输送与利用；u存在的其他气体组分不影响输送和利用。存在的其他气体组分不影响输送和利用。 1 1 ） 我 国） 我 国 输 气 管 道 工 程 设 计 规 范输 气 管 道 工 程 设

5、计 规 范 （GB50251-94)GB50251-94)规定管输天然气气质要求：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；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水露点应低于输气条件下最低管输气体温度 55； 烃露点应低于或等于最低管输气体温度；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气体中硫化氢含量不大于20mg/m20mg/m3 3； 如输送不符合上述质量的气体，必须采取相如输送不符合上述质量的气体，必须采取相 应的保护措施。应的保护措施。2 2）GB17820-1999GB17820-1999对天然气的质量

6、要求对天然气的质量要求项项 目目一类一类二类二类三类三类高热值高热值(MJ/m(MJ/m3 3) )31.431.4总硫总硫( (以硫计）以硫计）(mg/m(mg/m3 3) )100100200200460460硫化氢硫化氢(mg/m(mg/m3 3) )662020460460二氧化碳二氧化碳( (，V/V%)V/V%)3.03.03.03.0- -水露点水露点()()在交接点处，比最低环境温度在交接点处，比最低环境温度低低5 5 。3.部分国家、团体对天然气质量要求的规定部分国家、团体对天然气质量要求的规定 1 1）美国材料试验学会）美国材料试验学会ASTM D-3ASTM D-3委员会

7、委员会19811981年年7 7月对管输天然气的质量要求。月对管输天然气的质量要求。 1 1）美国材料试验学会）美国材料试验学会ASTM D-3ASTM D-3委员会委员会19811981年年7 7月对管输天然气的质量要求。月对管输天然气的质量要求。三、天然气的分类三、天然气的分类1.1.按矿藏特点分类按矿藏特点分类气井气（气井气（gas well gasgas well gas）凝析井气（凝析井气（condensate gascondensate gas）油田气（油田气（oil field gasoil field gas）2.2.按天然气的烃类组成分类按天然气的烃类组成分类1 1）C C5

8、 5界定法界定法干、湿气的划分干、湿气的划分u干气（干气（dry gasdry gas）：指在：指在1m1m3 3井口流出物中，井口流出物中， C C5 5以上烃液含量低于以上烃液含量低于13.5cm13.5cm3 3的天然气。的天然气。u湿气湿气( (wet gas)wet gas)：指在指在1m1m3 3井口流出物中，井口流出物中， C C5 5以上烃液含量高于以上烃液含量高于13.5cm13.5cm3 3的天然气。的天然气。2 2） C C3 3界定法界定法贫、富气的划分贫、富气的划分 贫气（贫气（lean gaslean gas）：指在：指在1m1m3 3井口流出物中，井口流出物中，

9、C C3 3以上烃类液体含量低于以上烃类液体含量低于94cm94cm3 3的天然气。的天然气。 富气（富气（rich gasrich gas）：指在指在1m1m3 3井口流出物中，井口流出物中， C C3 3以上烃类液体含量高于以上烃类液体含量高于94cm94cm3 3的天然气。的天然气。3.3.按酸气（按酸气（acid gas)acid gas)含量分类含量分类u酸性天然气（酸性天然气（sour gassour gas）：每标立方米：每标立方米天然气中含硫量大于天然气中含硫量大于1 1克的气。克的气。u洁气（洁气（sweet gassweet gas）：每标立方米天然气：每标立方米天然气中含

10、硫量小于中含硫量小于1 1克的气。克的气。四、天然气组成表示方法天然气组成表示方法1 1质量（俗称重量）组成质量（俗称重量）组成如用符号如用符号g gi i表示组分表示组分i i的质量组成，则的质量组成，则1 1）用百分数表示时）用百分数表示时 100iiimmg10021nggg2 2）用小数表示时）用小数表示时iiimmg121nggg2 2体积组成体积组成 1 1）用百分数表示时）用百分数表示时100iiiVVv10021nvvv2 2）用小数表示时）用小数表示时iiiVVv121nvvv 3 3摩尔组成（即分子组成）摩尔组成（即分子组成）如用符号如用符号y yi i表示组分表示组分i

11、i的摩尔组成，则的摩尔组成，则1 1）用百分数表示时）用百分数表示时100iiinny10021nyyy2 2）用小数表示时）用小数表示时iiinny121nyyy 1 1）如果已知天然气的质量组成）如果已知天然气的质量组成g gi i，要求换算，要求换算为体积组成为体积组成v vi i或摩尔组成或摩尔组成y yi i，可用下式，可用下式 iiiiiiiMgMgnny/iiiiiiiMyMymmg(3)(3)已知天然气的体积百分数已知天然气的体积百分数v vi i, ,利用下面利用下面方法可换算为质量百分数方法可换算为质量百分数g gi i。第一步第一步 利用求出组分利用求出组分i i的摩尔数

12、的摩尔数n ni i；第二步第二步 求组分求组分i i的质量的质量m mi i=n=ni im mI I; ;第三步第三步 组分组分i i的质量百分数的质量百分数100iiimmg1.2.1 1.2.1 天然气的压力、温度、临天然气的压力、温度、临界值界值(critical valuation)及其对比及其对比值值(reduced valuation) 一、天然气的压力一、天然气的压力 在国际单位制中压力的单位为牛顿在国际单位制中压力的单位为牛顿/ /米米2 2（N/mN/m2 2）称为帕斯卡，符号为）称为帕斯卡，符号为PaPa， u当被测流体的实际压力低于大气压力当被测流体的实际压力低于大气

13、压力 时，压力表上测得的压力称为真空度。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：此时流体的实际压力为：二、天然气的温度二、天然气的温度常用的温标有四种：常用的温标有四种：（1 1）摄氏温度）摄氏温度 （2 2）华氏温标）华氏温标 (3(3）开氏温标（绝对）开氏温标（绝对温标）温标） (4(4）兰金温标（英制绝对温标）兰金温标（英制绝对温标）这四种温标的关系如下：这四种温标的关系如下： t（ F）=1.8 t（ C）+32 T（K）=t（ C）+273.15 T（ R）=t（ F）+460 T（ R）=1.8T（K） 天然气的温度一般用天然气的温度一般用t t C C表示。表示

14、。三、天然气的临界值三、天然气的临界值1 1临界温度临界温度 对每一种纯的气体都存在着一特定的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，用符号度称为临界温度，用符号T Tc c表示。表示。 临界温度是该气体能以液体状态存在临界温度是该气体能以液体状态存在的最高温度。的最高温度。2 2临界压力临界压力 在临界温度下，气相与液相相平衡在临界温度下，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，用符号界温

15、度的饱和压力，用符号P Pc c表示。它表示。它是在临界温度下该气体由气态转变为液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。态所需的最低压力。 按下式计算按下式计算ciicPyPciicTyT 在近似计算时，当天然气相对密度在近似计算时，当天然气相对密度 在在0.50.90.50.9范围内，可用下列经验公范围内，可用下列经验公式计算天然气临界值。式计算天然气临界值。363. 0855. 4cP17693cT按下面公式校正酸性天然气的视临界参数。按下面公式校正酸性天然气的视临界参数。ccTT)(BBTTPPcccc1图图 1-1 1-1 视临界温度修正系数视临界温度修正系数 当当H H

16、2 2S S和和COCO2 2含量都不超过含量都不超过20%20%时时 ：ccTTccccPTTP/四、天然气压力和温度的对比值四、天然气压力和温度的对比值 crPPP 对比压力对比压力 对比温度对比温度 crPPP crTTT 1.2.2 1.2.2 天然气的分子量天然气的分子量 (Molecular value of NG) (Molecular value of NG) 把把0 0 C C、101325Pa101325Pa时体积为时体积为22.422.4立方立方米天然气所具有的质量认为是天然气的米天然气所具有的质量认为是天然气的分子量。分子量。换言之，天然气的分子量，在换言之，天然气的分

17、子量，在数值上等于在标准状态下数值上等于在标准状态下1 1摩尔天然气摩尔天然气的质量。的质量。 iiMyMiiMgM1NWM 1.2.3 1.2.3 天然气的密度天然气的密度(density)(density)和和相对密度（比重）相对密度（比重）(reduced (reduced density)density) 一、密度定义： Vm 气体在此标准状态下的密度为：气体在此标准状态下的密度为： 4 .220M气体在某压力、温度下的密度为：气体在某压力、温度下的密度为： ZTPM314. 8天然气的重度天然气的重度 g二、相对密度（即比重）二、相对密度（即比重） 空天空天空天MM 空空=1.293

18、kg/m3(在在0 C、101325Pa下下) 空空=1.205kg/m3(在在20 C、101325Pa下下)1.2.4 1.2.4 天然气的粘度天然气的粘度(Viscosity (Viscosity of NG) of NG) 1 1动力粘度（绝对粘度）动力粘度（绝对粘度） ： 动力粘度的单位是克动力粘度的单位是克/ /（厘米（厘米秒）。这个秒）。这个单位又称为单位又称为“泊泊” ” ，1 1泊泊g/(cmg/(cm s)=100s)=100厘泊。厘泊。 在国际单位制中，动力粘度的单位为帕斯卡在国际单位制中，动力粘度的单位为帕斯卡 秒（秒（PaPa s s），即千克），即千克/ /（米（米

19、 秒）（秒）（kg/(mkg/(m s)s)）。）。 1(Pa s)=10P(泊泊)=1000cp（厘泊）（厘泊）2 2运动粘度运动粘度 1)1)低压下的气体粘度低压下的气体粘度 iiiiiMyMy2)2)高压下（压力大于高压下（压力大于6.9Mpa6.9Mpa）的气体粘度）的气体粘度00101.325kPa下的粘度01.2.5 1.2.5 天然气的热力学性质天然气的热力学性质(Thermodynamic character of NG)(Thermodynamic character of NG) 一、天然气的比热一、天然气的比热 气体的比热可分为质量比热、容积比热和气体的比热可分为质量比热

20、、容积比热和摩尔比热三种。三种比热的关系如下：摩尔比热三种。三种比热的关系如下：MMCC 422.MCC 0CC 理想气体的定压比热理想气体的定压比热CpCp、定容比热、定容比热CvCv之间存在一定的关系：之间存在一定的关系：RCCvpKCCvp 低压下气体在各种温度下的定压摩尔比低压下气体在各种温度下的定压摩尔比热也可按下式计算热也可按下式计算 气体混合物（天然气）在低压下的比气体混合物（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，即法或质量分数加合法求得，即32DTCTBTACppiiCyCppiiCgpC 在同一温度下，

21、高压下的定压比热与低在同一温度下，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：压下的定压比热之间有如下的关系：pppCCC图图1-2 1-2 大气压力下烃类气体的比热与温度的关系大气压力下烃类气体的比热与温度的关系 图图1-3 1-3 真实气体比热校正图真实气体比热校正图二、天然气的导热系数（或热导率）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物质传递热量的性能叫导热性 在较高压力条件下在较高压力条件下 iiioiiMyMy000天然气：天然气：46055kJ/kg46055kJ/kg其中：气田气：其中：气田气：35588-41868kJ/Nm35588-41868k

22、J/Nm3 3 油田气：油田气：35588-66989kJ/Nm35588-66989kJ/Nm3 3 煤煤 ：29308kJ/kg29308kJ/kg 干木材：干木材：12560kJ/kg12560kJ/kg 规定量的气体在空气中完全燃烧时所规定量的气体在空气中完全燃烧时所释放出的热量。在燃烧反应时，压力释放出的热量。在燃烧反应时，压力p p保持保持恒定，所有燃烧产物降至规定的反应物温恒定，所有燃烧产物降至规定的反应物温度度t t相同的温度，除燃烧中生成的水在温度相同的温度，除燃烧中生成的水在温度t t下全部冷凝为液态外，其余所有燃烧产物下全部冷凝为液态外，其余所有燃烧产物为气态。用符号为气

23、态。用符号H Hs s表示。表示。规定量的气体在空气中完全燃烧时所规定量的气体在空气中完全燃烧时所释放出的热量。在燃烧反应时，压力释放出的热量。在燃烧反应时，压力p p保持保持恒定，所有燃烧产物的温度降至指定的反恒定，所有燃烧产物的温度降至指定的反应物温度应物温度t t相同的温度，所有燃烧产物为气相同的温度，所有燃烧产物为气态。用符号态。用符号H Hi i表示。表示。 在规定参比条件下的体积高位发热量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。用符号度的平方根。用符号W Ws s表示。沃泊指数代表示。沃泊指数代表燃气性质对

24、热负荷的综合影响。表燃气性质对热负荷的综合影响。 dHWss 天然气发热量和沃泊指数的计算方法天然气发热量和沃泊指数的计算方法请参阅请参阅GB/T110621998GB/T110621998天然发热量、天然发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法密度、相对密度和沃泊指数的计算方法。天然气热值的求定天然气热值的求定理想气体热值可用下式计算：理想气体热值可用下式计算：理想气体的热值，被气体混合物在理想气体的热值，被气体混合物在15.515.5 C C和和101325Pa101325Pa（绝）下的压缩系数（绝）下的压缩系数Z Z除，即修正为除，即修正为真实气体的热值真实气体的热值HrHr，即，即i

25、iHyHZHHr 上述天然气热值计算是对干天然气而言，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，即天然气中干天然气的含量，即式中：式中：H Hd d干天然气的热值，干天然气的热值，kJ/mkJ/m3 3； H Hw w湿天然气的热值，湿天然气的热值，kJ/mkJ/m3 3； y yd d干天然气在湿天然气混合物中所占的摩尔百分数；干天然气在湿天然气混合物中所占的摩尔百分数； y yw w在湿天然气混合物中水蒸汽所占的摩尔百分数

26、。在湿天然气混合物中水蒸汽所占的摩尔百分数。 wddwdyyHHH1 假定湿天然气是理想气体混合物，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则水蒸汽的摩尔分数等于其分压和总压之比。之比。Ppyw四、天然气的爆炸性四、天然气的爆炸性 天然气在空气中的含量达到一定比例时，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。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天然气在混合气中的最低含量叫爆炸下爆炸下限，低于爆炸下限就不会爆炸限，低于爆炸下限就不会爆炸。最高含量最高

27、含量叫爆炸上限，高于爆炸上限也不会爆炸。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在常温常压下，天然气的爆炸范围约为为5-15%5-15%，常温常压下，天然气的爆炸极限，常温常压下，天然气的爆炸极限可由下式计算：可由下式计算： 式中式中 LL爆炸的上限或下限；爆炸的上限或下限； L Li i组分组分i i的爆炸上限或下限，用体积百分数表示，的爆炸上限或下限，用体积百分数表示， 查表查表1-21-2、表、表1-31-3； y yi i组分组分i i的体积百分数。的体积百分数。 iiLyL100 当天然气中含

28、有不可燃组分时应当对当天然气中含有不可燃组分时应当对爆炸极限进行校正：爆炸极限进行校正： （%） 式中：式中：LL是按式（是按式（1-491-49）计算的爆炸极限；）计算的爆炸极限； y y0 0不可燃组分的体积组成。不可燃组分的体积组成。 00001111yyLyyLL1.2.6 1.2.6 气体状态方程式及压缩气体状态方程式及压缩系数系数Equation of state and Equation of state and compressibility factorcompressibility factor一、天然气的计量单位及标准条件一、天然气的计量单位及标准条件 以立方米为计量单位。以立方米为计量单位。 我国定压力为我国定压力为101325Pa101325Pa，温