天然氣物理化學性質.doc

海底天然氣物理化學性質第一節(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。以低分子飽和烴類氣體為主，并含有少量非烴類氣體。在烴類氣體中，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，所含的少量非烴類氣體一般有氮氣（N2）、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，其物理性質變化很大，它的主要物理性質見下表。海底天然氣中主要成分的物理化學性質名稱分子式相對分子質量密度/Kgm-3臨界溫度/臨界壓力/MP粘 度/KPS自燃點/可燃性限/%熱 值/KJm-3(15.6，常壓)氣體常數/Kgm(KgK)-1低限高限全熱值凈熱值甲烷CH416.0430.716-82.54.640.01(氣)6455.015.0372623349452.84乙烷C2H630.0701.34232.274.880.009(氣)5303.212.45661516028928.2丙烷C3H844.0971.96796.814.260.125(10)5102.379.50937848624819.23正丁烷n-C4H1058.122.593152.013.800.1744901.868.4112141710843814.59異丁烷i-C4H1058.122.593134.983.650.1941.88.4412141710843814.59氨He4.0030.197-267.90.230.0184211.79氮N228.021.250-147.133.390.01730.26氧O232.01.428-118.825.040.01426.49氫H22.0160.0899-239.91.290.008425104.174.21277010760420.75二氧化碳CO244.01.96331.17.380.013719.27一氧化碳CO28.01.250-140.23.500.016661012.574.2126441264430.26硫化氫H2S34.091.521100.49.010.011662904.374.224.87空氣28.971.293-140.753.770.017345.529.27 二、海底天然氣容積分數和摩爾分數定義混合物中各組分的容積為Vi，總容積V；摩爾分數y：i組分的摩爾數n與混合物總摩爾數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； 結論：對于理想氣體混合物，任意組分的摩爾分數可以用該組分的分壓與混合物總壓的比值表示，且摩爾分數與容積分數相等。 三、海底天然氣分子量標準狀態(tài)下，1kmol天然氣的質量定義為天然氣的平均分子量，簡稱分子量。 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量。按下面公式計算：0標準狀態(tài) ； 20標準狀態(tài) 任意溫度與壓力下 （2）相對密度在標準狀態(tài)下，氣體的密度與干空氣的密度之比稱為相對密度。對單組分氣體： ：空氣密度，kg/m3；在=101.325kPa，=273.15K時；=1.293 kg/m3在=101.325kPa，=293.15 K時；=1.206 kg/m3。對混合氣體： 五、海底天然氣虛擬臨界參數和對比參數 （1）臨界參數使氣體壓縮成液態(tài)的極限溫度稱為該氣體的臨界溫度。當溫度等于臨界溫度時，使氣體壓縮成液體所需壓力稱為臨界壓力，此時狀態(tài)稱為臨界狀態(tài)?；旌蠚怏w的虛擬臨界參數可按凱（Kay）法則計算：； ； 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，否則，可能有很大計算誤差。（2）對比參數海底天然氣的壓力、溫度、密度與其臨界壓力、臨界溫度和臨界密度之比稱為天然氣對比壓力、對比溫度和對比密度。； ； ；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：分子是質點沒有體積；分子間無作用力。當壓力足夠低、溫度足夠高，可近似使用理想氣體狀態(tài)方程。 二、實際氣體狀態(tài)方程（1）范德瓦耳方程荷蘭物理學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上進行修正，于1949年提出的。解決了實際氣體性質定量計算的問題。 （3）SRK方程Soave于1972年在R-K方程的基礎上提出了另外的形式，解決在計算飽和氣相密度時精度較差的問題。 （4）PR狀態(tài)方程為進一步提高對熱力學性質和氣液平衡數據預測的準確性，Peng和Robinson在Soave模型基礎上于1976年改進，提出PR狀態(tài)方程。 （5）L-E-E方程是一個多參數狀態(tài)方程，其形式為：（6）BWRS方程本尼迪科特-韋勃-魯賓1940年提出了能適應氣液兩相的8參數BWR狀態(tài)方程，隨后由Starling-Han在關聯大量實驗數據的基礎上，對BWR方程進行修正，1970年提出了到目前認為用于天然氣計算最精確的方程式之一的BWRS方程。 三、帶壓縮因子的狀態(tài)方程Z壓縮因子或壓縮系數：表示實際氣體與理想氣體的差別。Z是一個狀態(tài)參數，通過實驗來確定。但對理想氣體，在任何狀態(tài)下都有Z=1。 ； 在0.230.31范圍內，化為：表達式叫修正的對比態(tài)原理。第三節(jié) 海底天然氣的物理性質、熱力性質和燃燒性質 一、海底天然氣物理性質 （一）粘度1.粘度分為動力粘度和運動粘度。動力粘度，單位PaS，常用泊（P）、厘泊（cp）。1 PaS =10P=1000cP在常壓下混合動力粘度： 在不同溫度下的粘度： 2.運動粘度，單位m2/S，常用托(St)、厘托（cst）。1m2/S=104 St =106 cst3.動力粘度與運動粘度的關系為：=/ （二）濕度 1.海底天然氣含水量及水露點 天然氣中含水汽多少用濕度或含水量來描述，與壓力、溫度和組成條件有關。 飽和含水量：一定條件下，天然氣與液態(tài)水達到相平衡時氣相中的含水汽量。 絕對濕度：單位體積天然氣中含有的水汽質量，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到飽和，則這個飽和時的含水汽量。 相對濕度：指同溫度下，天然氣實際的絕對濕度和飽和濕度之比。 水露點溫度：在一定壓力下，逐漸降低溫度，天然氣中水蒸氣開始冷凝結露的溫度，是表征天然氣含水量的參數之一。2.海底天然氣的烴露點 海底天然氣烴露點：指一定組成的天然氣，在一定壓力下冷凝，當析出第一滴烴類液珠時的溫度。 二、海底天然氣的熱力性質 1.比熱和比熱容比熱：在不發(fā)生相變和化學變化的條件下，加熱單位質量的物質時，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時，溫度升高1所吸收的熱量，稱為此物質的比熱容，單位為KJ/（m3K）或KJ/（m3）。氣體的比熱還分為質量定容熱容CV和質量定壓熱容CP。 ； （1） 對于理想氣體而言,這兩種比熱之差等于氣體常數 純組分理想氣體： 混合物質量定壓熱容： （2）實際氣體比熱容 1）計算法 2）查圖法 或 2.焓 氣體內能和體積與壓力乘積之和稱為氣體的焓，H=U+pV或h=u+pv。 （1）理想氣體焓單組分：hi0=A+BT+CiT2+DiT3+EiT4+FiT5混合氣體： （2）實際氣體焓1）計算法 2）查圖法 3.熵 熵是狀態(tài)參數，隨狀態(tài)變化而變化，只決定于初始狀態(tài)與終了狀態(tài)。與路徑無關。熵的變化表征了可逆過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）實際氣體熵1）計算法 2)查圖法 4.導熱系數 物質導熱能力的特性參數，指沿著導熱方向上溫度梯度為1K/m時，單位時間內通過單位面積的熱量，物質的基本性質之一，單位J/(msk)或W/(mk)。（1）查圖、查表法對于混合氣體的導熱系數，在查得各組分的導熱系數后，按下列方法計算1）壓力較低，根據各組分摩爾組成按Ribblett公式計算yiiMi1/3/yiMi1/32）高壓氣體，按低壓氣體計算所得的導熱系數，根據計算狀態(tài)的對比壓力和對比溫度對其進行修正，查修正系數。 （2）計算法 1）低壓單組分氣體的導熱系數用Misic和Thodos基于量綱分析提出的經驗公式：對于甲烷、環(huán)烷烴和芳香烴，在Tr1時： 對于其它碳氫化合物及其它對比溫度范圍 2）低壓混合氣體的導熱系數低壓下混合氣體的導熱系數可按Ribblet計算，平均誤差在3%左右。3）溫度對氣體導熱系數的影響 單組分： 混合氣體： 4）壓力對氣體導熱系數的影響壓力對氣體的影響可根據對比密度進行計算：0.5時 （-0）Zc5=（2.6965410-4）（e0.535r -1）0.52.0時 （-0）Zc5=（2.5197210-4）（e0.67r 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：在轉換曲線以外的區(qū)域（其中Di0 )，由于節(jié)流作用溫度隨壓力降低而升高。 最大轉換溫度：轉換曲線與溫度坐標軸交點的溫度。當初始溫度高于最大轉換溫度時，冷卻是不可能的。對于干線輸氣管道，一般Di取35/MPa。焦耳-湯姆遜系數計算：二、著火濃度極限著火濃度極限（firing concentration limit）是引起可燃氣體混合系燃燒的比例范圍?？扇細怏w混合系不是在任何組成時都能燃燒的，只有氧化劑與可燃劑在一定的比例范圍內才有可能燃燒，越出這個范圍就不能使火焰正常傳播。對于一定的可燃氣體濃度極限可分為上限和下限，下限與可燃氣體的不足有關；上限與氧不足或可燃物過剩有關。另外上下限還在一定程度上與實驗條件有關。在101kPa和室溫時，火焰從直徑為10cm的管子下端向上傳播時測得的著火濃度極限列于表3-20?？扇夹曰旌衔锏谋O限范圍越寬、爆炸下限越低和爆炸上限越高時，其爆炸危險性越大。這是因為爆炸極限越寬則出現爆炸條件的機會就多；爆炸下限越低則可燃物稍有泄漏就會形成爆炸條件；爆炸上限越高則有少量空氣滲入容器，就能與容器內的可燃物混合形成爆炸條件。應當指出，可燃性混合物的濃度高于爆炸上限時，雖然不會著火和爆炸，但當它從容器或管道里逸出，重新接觸空氣時卻能燃燒，仍有發(fā)生著火的危險。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H2COCS2H2SNH3CH4C2H6C2H4C2