天然氣物理化學(xué)性質(zhì)

1、-作者xxxx-日期xxxx天然氣物理化學(xué)性質(zhì)【精品文檔】海底天然氣物理化學(xué)性質(zhì)第一節(jié) 海底天然氣組成表示法 一、海底天然氣組成海底天然氣是由多種可燃和不可燃的氣體組成的混合氣體。以低分子飽和烴類(lèi)氣體為主，并含有少量非烴類(lèi)氣體。在烴類(lèi)氣體中，甲烷（CH4 ）占絕大部分，乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）和戊烷（C5H12）含量不多，庚烷以上（C5+）烷烴含量極少。另外，所含的少量非烴類(lèi)氣體一般有氮?dú)猓∟2）、二氧化碳（CO2）、氫氣（H2）、硫化氫（H2S）和水汽（H2O）以及微量的惰性氣體。由于海底天然氣是多種氣態(tài)組分不同比例的混合物，所以也像石油那樣，其物理性質(zhì)變化很大

2、，它的主要物理性質(zhì)見(jiàn)下表。海底天然氣中主要成分的物理化學(xué)性質(zhì)名稱(chēng)分子式相對(duì)分子質(zhì)量密度/Kgm-3臨界溫度/臨界壓力/MP粘 度/KPS自燃點(diǎn)/可燃性限/%熱 值/KJm-3，常壓)氣體常數(shù)/Kgm(KgK)-1低限高限全熱值凈熱值甲烷CH40.01(氣)6453726233494乙烷C2H60.009(氣)5306615160289丙烷C3H80.125(10)5109378486248正丁烷n-C4H10490121417108438異丁烷i-C4H10121417108438氨He氮N2氧O2氫H25104.11277010760二氧化碳CO2一氧化碳CO6101264412644硫化氫

3、H2S290空氣 二、海底天然氣容積分?jǐn)?shù)和摩爾分?jǐn)?shù)定義混合物中各組分的容積為Vi，總?cè)莘eV；摩爾分?jǐn)?shù)y：i組分的摩爾數(shù)n與混合物總摩爾數(shù)n的比值。； ； 由分壓定律，存在PV= nRT；PV=n RT由分容定律，存在PV= nRMT；PV=n RT； 結(jié)論：對(duì)于理想氣體混合物，任意組分的摩爾分?jǐn)?shù)可以用該組分的分壓與混合物總壓的比值表示，且摩爾分?jǐn)?shù)與容積分?jǐn)?shù)相等。 三、海底天然氣分子量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1kmol天然氣的質(zhì)量定義為天然氣的平均分子量，簡(jiǎn)稱(chēng)分子量。 四、海底天然氣密度（1）平均密度混合氣體密度指單位體積混合氣體的質(zhì)量。按下面公式計(jì)算：0標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) ； 20標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) 任意溫度與壓力下 （2）

4、相對(duì)密度在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氣體的密度與干空氣的密度之比稱(chēng)為相對(duì)密度。對(duì)單組分氣體： ：空氣密度，kg/m3；在=101.325kPa，=273.15K時(shí)；=1.293 kg/m3在=101.325kPa，=293.15 K時(shí)；=1.206 kg/m3。對(duì)混合氣體： 五、海底天然氣虛擬臨界參數(shù)和對(duì)比參數(shù) （1）臨界參數(shù)使氣體壓縮成液態(tài)的極限溫度稱(chēng)為該氣體的臨界溫度。當(dāng)溫度等于臨界溫度時(shí)，使氣體壓縮成液體所需壓力稱(chēng)為臨界壓力，此時(shí)狀態(tài)稱(chēng)為臨界狀態(tài)。混合氣體的虛擬臨界參數(shù)可按凱（Kay）法則計(jì)算：； ； 適用：各組分的臨界壓力和臨界比容接近（20%），且任意二組分的臨界溫度滿足0.5 T/T 2的條件，

5、否則，可能有很大計(jì)算誤差。（2）對(duì)比參數(shù)海底天然氣的壓力、溫度、密度與其臨界壓力、臨界溫度和臨界密度之比稱(chēng)為天然氣對(duì)比壓力、對(duì)比溫度和對(duì)比密度。； ； ；或 第二節(jié) 天然氣氣體狀態(tài)方程 一、理想氣體狀態(tài)方程PV=RT；PVM=RMT；PV=mRT=nRMT 假設(shè)：分子是質(zhì)點(diǎn)沒(méi)有體積；分子間無(wú)作用力。當(dāng)壓力足夠低、溫度足夠高，可近似使用理想氣體狀態(tài)方程。 二、實(shí)際氣體狀態(tài)方程（1）范德瓦耳方程荷蘭物理學(xué)家范德瓦耳考慮了分子體積和分子間吸力的影響： (P+a/V2)（V-b）RT（2）R-K方程瑞得里奇-鄺（Redlich-Kwong）方程是在范得瓦爾方程的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，于1949年提出的。解決

6、了實(shí)際氣體性質(zhì)定量計(jì)算的問(wèn)題。 （3）SRK方程Soave于1972年在R-K方程的基礎(chǔ)上提出了另外的形式，解決在計(jì)算飽和氣相密度時(shí)精度較差的問(wèn)題。 （4）PR狀態(tài)方程為進(jìn)一步提高對(duì)熱力學(xué)性質(zhì)和氣液平衡數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，Peng和Robinson在Soave模型基礎(chǔ)上于1976年改進(jìn)，提出PR狀態(tài)方程。 （5）L-E-E方程是一個(gè)多參數(shù)狀態(tài)方程，其形式為：（6）BWRS方程本尼迪科特-韋勃-魯賓1940年提出了能適應(yīng)氣液兩相的8參數(shù)BWR狀態(tài)方程，隨后由Starling-Han在關(guān)聯(lián)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)BWR方程進(jìn)行修正，1970年提出了到目前認(rèn)為用于天然氣計(jì)算最精確的方程式之一的BWRS

7、方程。 三、帶壓縮因子的狀態(tài)方程Z壓縮因子或壓縮系數(shù)：表示實(shí)際氣體與理想氣體的差別。Z是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。但對(duì)理想氣體，在任何狀態(tài)下都有Z=1。 ； 在0.230.31范圍內(nèi)，化為：表達(dá)式叫修正的對(duì)比態(tài)原理。第三節(jié) 海底天然氣的物理性質(zhì)、熱力性質(zhì)和燃燒性質(zhì) 一、海底天然氣物理性質(zhì) （一）粘度1.粘度分為動(dòng)力粘度和運(yùn)動(dòng)粘度。動(dòng)力粘度，單位PaS，常用泊（P）、厘泊（cp）。1 PaS =10P=1000cP在常壓下混合動(dòng)力粘度： 在不同溫度下的粘度： 2.運(yùn)動(dòng)粘度，單位m2/S，常用托(St)、厘托（cst）。1m2/S=104 St =106 cst3.動(dòng)力粘度與運(yùn)動(dòng)粘度的關(guān)系為：

8、=/ （二）濕度 1.海底天然氣含水量及水露點(diǎn) 天然氣中含水汽多少用濕度或含水量來(lái)描述，與壓力、溫度和組成條件有關(guān)。 飽和含水量：一定條件下，天然氣與液態(tài)水達(dá)到相平衡時(shí)氣相中的含水汽量。 絕對(duì)濕度：?jiǎn)挝惑w積天然氣中含有的水汽質(zhì)量，單位為kg/m3或mg/m3。 飽和濕度：在一定溫度和壓力下，天然氣含水汽量若達(dá)到飽和，則這個(gè)飽和時(shí)的含水汽量。 相對(duì)濕度：指同溫度下，天然氣實(shí)際的絕對(duì)濕度和飽和濕度之比。 水露點(diǎn)溫度：在一定壓力下，逐漸降低溫度，天然氣中水蒸氣開(kāi)始冷凝結(jié)露的溫度，是表征天然氣含水量的參數(shù)之一。2.海底天然氣的烴露點(diǎn) 海底天然氣烴露點(diǎn)：指一定組成的天然氣，在一定壓力下冷凝，當(dāng)析出第一滴

9、烴類(lèi)液珠時(shí)的溫度。 二、海底天然氣的熱力性質(zhì) 1.比熱和比熱容比熱：在不發(fā)生相變和化學(xué)變化的條件下，加熱單位質(zhì)量的物質(zhì)時(shí)，溫度升高1所吸收的熱量。單位為KJ/（kgK）或KJ/（kg）。比熱容:同樣條件下，加熱單位體積的物質(zhì)時(shí)，溫度升高1所吸收的熱量，稱(chēng)為此物質(zhì)的比熱容，單位為KJ/（m3K）或KJ/（m3）。氣體的比熱還分為質(zhì)量定容熱容CV和質(zhì)量定壓熱容CP。 ； （1） 對(duì)于理想氣體而言,這兩種比熱之差等于氣體常數(shù) 純組分理想氣體： 混合物質(zhì)量定壓熱容： （2）實(shí)際氣體比熱容 1）計(jì)算法 2）查圖法 或 2.焓 氣體內(nèi)能和體積與壓力乘積之和稱(chēng)為氣體的焓，H=U+pV或h=u+pv。 （1）

10、理想氣體焓單組分：hi0=A+BT+CiT2+DiT3+EiT4+FiT5混合氣體： （2）實(shí)際氣體焓1）計(jì)算法 2）查圖法 3.熵 熵是狀態(tài)參數(shù)，隨狀態(tài)變化而變化，只決定于初始狀態(tài)與終了狀態(tài)。與路徑無(wú)關(guān)。熵的變化表征了可逆過(guò)程中熱交換的方向與大小。 （1）理想氣體熵單組分：si0=BlnT+2CiT+3/2DiT2+4/3EiT3+5/4FiT4+G混合氣體：s0y si0 （2）實(shí)際氣體熵1）計(jì)算法 2)查圖法 4.導(dǎo)熱系數(shù) 物質(zhì)導(dǎo)熱能力的特性參數(shù)，指沿著導(dǎo)熱方向上溫度梯度為1K/m時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的熱量，物質(zhì)的基本性質(zhì)之一，單位J/(msk)或W/(mk)。（1）查圖、查表法對(duì)

11、于混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，在查得各組分的導(dǎo)熱系數(shù)后，按下列方法計(jì)算1）壓力較低，根據(jù)各組分摩爾組成按Ribblett公式計(jì)算yiiMi1/3/yiMi1/32）高壓氣體，按低壓氣體計(jì)算所得的導(dǎo)熱系數(shù)，根據(jù)計(jì)算狀態(tài)的對(duì)比壓力和對(duì)比溫度對(duì)其進(jìn)行修正，查修正系數(shù)。 （2）計(jì)算法 1）低壓?jiǎn)谓M分氣體的導(dǎo)熱系數(shù)用Misic和Thodos基于量綱分析提出的經(jīng)驗(yàn)公式：對(duì)于甲烷、環(huán)烷烴和芳香烴，在Tr1時(shí)： 對(duì)于其它碳?xì)浠衔锛捌渌鼘?duì)比溫度范圍 2）低壓混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)低壓下混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)可按Ribblet計(jì)算，平均誤差在3%左右。3）溫度對(duì)氣體導(dǎo)熱系數(shù)的影響 單組分： 混合氣體： 4）壓力對(duì)氣體導(dǎo)熱系數(shù)的

12、影響壓力對(duì)氣體的影響可根據(jù)對(duì)比密度進(jìn)行計(jì)算：0.5時(shí) （-0）Zc510-4）（er -1）0.52.0時(shí) （-0）Zc510-4）（er 1.069）2.00），由于節(jié)流作用，溫度隨著壓力降低而降低。熱效應(yīng)：在轉(zhuǎn)換曲線以外的區(qū)域（其中Di0 )，由于節(jié)流作用溫度隨壓力降低而升高。 最大轉(zhuǎn)換溫度：轉(zhuǎn)換曲線與溫度坐標(biāo)軸交點(diǎn)的溫度。當(dāng)初始溫度高于最大轉(zhuǎn)換溫度時(shí)，冷卻是不可能的。對(duì)于干線輸氣管道，一般Di取35/MPa。焦耳-湯姆遜系數(shù)計(jì)算：二、著火濃度極限著火濃度極限（firing concentration limit）是引起可燃?xì)怏w混合系燃燒的比例范圍?？扇?xì)怏w混合系不是在任何組成時(shí)都能燃燒的

13、，只有氧化劑與可燃劑在一定的比例范圍內(nèi)才有可能燃燒，越出這個(gè)范圍就不能使火焰正常傳播。對(duì)于一定的可燃?xì)怏w濃度極限可分為上限和下限，下限與可燃?xì)怏w的不足有關(guān)；上限與氧不足或可燃物過(guò)剩有關(guān)。另外上下限還在一定程度上與實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)。在101kPa和室溫時(shí)，火焰從直徑為10cm的管子下端向上傳播時(shí)測(cè)得的著火濃度極限列于表3-20。可燃性混合物的爆炸極限范圍越寬、爆炸下限越低和爆炸上限越高時(shí)，其爆炸危險(xiǎn)性越大。這是因?yàn)楸O限越寬則出現(xiàn)爆炸條件的機(jī)會(huì)就多；爆炸下限越低則可燃物稍有泄漏就會(huì)形成爆炸條件；爆炸上限越高則有少量空氣滲入容器，就能與容器內(nèi)的可燃物混合形成爆炸條件。應(yīng)當(dāng)指出，可燃性混合物的濃度高于爆炸上限時(shí)，雖然不會(huì)著火和爆炸，但當(dāng)它從容器或管道里逸出，重新接觸空氣時(shí)卻能燃燒，仍有發(fā)生著火的危險(xiǎn)。各種氣體和蒸氣與空氣混合氣體的著火濃度極限氣體名稱(chēng)分子式濃度極限，下限上限氫一氧化碳二硫化碳硫化氫氨甲烷乙烷乙烯乙炔甲醇乙醇二乙醚甲基乙醚丙酮苯甲苯二氯乙烷H2COCS2H2SNH3CH4C2H6C2H4C2H2CH3OHC2H5OH(C2H5)2OCH3OC2H