天然氣物理化學(xué)性質(zhì)

..WordWord資料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（CH占絕大部分，4乙烷H）、丙烷H）、丁烷H）和戊烷H）含量不多，庚烷以2 6 3 8 4 10 5 12上（C+）烷烴含量極少。另外，所含的少量非烴類氣體一般有氮?dú)猓∟）、二5 2氧化碳（CO）、氫氣（H）、硫化氫（HS）和水汽（HO）以及微量的惰性氣2 2 2 2體。理性質(zhì)變化很大，它的主要物理性質(zhì)見下表。海底天然氣中主要成分的物理化學(xué)性質(zhì)熱值熱值相臨可燃性自 氣體對 界 限分 密度 臨界 燃 6℃常 常數(shù)名 分 壓 粘度 /%子 /Kg· 溫度 點(diǎn) 壓) Kg·m·稱 子 力 /KPa·S式m-3/全凈(Kg·K)質(zhì) /MP 低 高℃ 熱熱-1量a限限值值6甲16.00.71-82.5.15.372334CH44.640.01(氣)452.84烷 43 6 5 0 0 62 945乙CH230.01.3432.24.880.009(53.12.66160228.2烷 70 2 7 氣) 36

2 45 51 890丙CH3烷8

44.

1.967

96.81

4.26

0.125(10℃)

52. 9.5137 00

93784

86248

19.23正58.1丁

2.59

.01

43.80 0.174 9

1. 8.4 121 108

14.59H 2 3 86 1 417 4384 10烷 0異i-C4丁

58.1

2.59 134.

3.65 0.194

1. 8.4

121 108

14.59H 2 3 9810烷

8 4 417 438氨 He

4.00

0.19

0.23 0.0184

211.73 7 .9 928.0氮 N2

1.25

-147

3.39 0.017

30.262 0 .13氧 O 32.02

1.42

5.04 0.014

26.498 .822.01氫 H2

0.08

54.1.29 0.00842 1

74.

127

107

420.76 99 .9

1 2 70 60 50二CO 44.02氧

1.963

31.1 7.38 0.0137

19.27化碳一6氧1.25-1401274.126126CO28.03.500.0166130.26化0.2.5244440碳硫2化HS34.01.52100.9.010.0116694.74.24.8791432氫0空28.1.29-1403.770.0145.29.27氣973.757352二、海底天然氣容積分?jǐn)?shù)和摩爾分?jǐn)?shù)2定義混合物中各組分的容積為V，總?cè)莘eV；i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。i iyV

；y1；

inn

ni ；y1i ii V Vi

i i n n ii由分壓定律，存在PV=nR T；PV=nR Ti i M i M由分容定律，存在PV=nRT；PV=nR Ti i M MV y nipi； y' i iyV i n

i V n i結(jié)論：對于理想氣體混合物，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MyMi i四、海底天然氣密度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) 1 yM；22.414 i i1i 20℃標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)24.055 yMi 任意溫度與壓力下 yM/yV相對密度

i i ii在標(biāo)準(zhǔn)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；a aP=101.325kPa，T=273.15K

=1.293kg/m30 0 aP=101.325kPa，T=293.15K

=1.206kg/m3。0 0 a對混合氣體： yi i五、海底天然氣虛擬臨界參數(shù)和對比參數(shù)臨界參數(shù)時(shí)，使氣體壓縮成液體所需壓力稱為臨界壓力，此時(shí)狀態(tài)稱為臨界狀態(tài)?；旌蠚怏w的虛擬臨界參數(shù)可按凱（Kay）法則計(jì)算：Ty

； Py

；yc i

c i

c i ci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0.5Tci/Tcj<2對比參數(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為天然氣對比壓力、對比溫度和對比密度。PP/P； Tr c

T/T； c

/c

；或r

/c第二節(jié)天然氣氣體狀態(tài)程一、理想氣體狀態(tài)程PV=RT；PV=RT；PV=mRT=nRTM M M可近似使用理想氣體狀態(tài)程。二、實(shí)際氣體狀態(tài)程德瓦耳程荷蘭物理學(xué)家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程瑞得里奇-1949年提出的。解決了實(shí)際氣體性質(zhì)定量計(jì)算的問題。P RT aVb Tb)SRKSoave1972R-KP RT aVb Vb)PR為進(jìn)一步提高對熱力學(xué)性質(zhì)和氣液平衡數(shù)據(jù)預(yù)測的準(zhǔn)確性， Peng和Robinson在Soave模型基礎(chǔ)上于1976年改進(jìn)，提PR狀態(tài)程。P RT aVb Vb)b)（5）L-E-E程是一個(gè)多參數(shù)狀態(tài)程，其形式為：p RT a bcVb VVb Vb)（6）BWRS程本尼迪科特-韋勃-賓1940年提了能適應(yīng)氣液兩相的8參數(shù)BWR狀態(tài)程，Starling-HanBWR年提了到目前認(rèn)為用于天然氣計(jì)算最精確的程式之一的BWRS程。PRT(B

RT

C0

E0)2

(bRTa )3d0db(a )b

0c

T2 T3 T4 T2)2)T T2三、帶壓縮因子的狀態(tài)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。ZZ=1。 f(P,Tr 1 r rcZ Pc

ZRTP ZP c c c r c RT r ZRTP ZTc c c rZf(P,T,Z,r r c r

) ； Z

(P,T,Z)2 r r cZ 0.23~0.31Zf(P,Tc 3 r

)表達(dá)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(zhì)、熱力性質(zhì)和燃燒性質(zhì)一、海底天然氣物理性質(zhì)（一）粘度粘度分為動力粘度和運(yùn)動粘度。動力粘度μ，Pa·S，常用泊（P）、厘泊（cp）。1Pa·S=10P=1000cPy M 在常壓下混合動力粘度： i i iy Mi i在不同溫度下的粘度：T

i273CT 0 TC 273運(yùn)動粘度ν，m2/S，常用托(St)、厘托（cst）。1m2/S=104St=106cst動力粘度與運(yùn)動粘度的關(guān)系為： ν=μ/ρ（二）濕度海底天然氣含水量及水露點(diǎn)絕對濕度：單位體積天然氣中含有的水汽質(zhì)量，單位為kg/m3或mg/m3。飽時(shí)的含水汽量。相對濕度：指同溫度下，天然氣實(shí)際的絕對濕度和飽和濕度之比。的溫度，是表征天然氣含水量的參數(shù)之一。海底天然氣的烴露點(diǎn)滴烴類液珠時(shí)的溫度。二、海底天然氣的熱力性質(zhì)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/（kg·K）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，稱為此物質(zhì)的比熱容，單位為KJ/（m3·K）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C。PC (u) ；CV TV

(h) ；T P對于理想氣體而言,這兩種比熱之差等于氣體常數(shù)CP

C0RV純組分理想氣體：C0 B2CT3DT24ET35FT4Pi i i i i i混合物質(zhì)量定壓熱容：C0yC0P實(shí)際氣體比熱容1）計(jì)算法 2）查圖法

i PiiV(C )VT

T(2P) 或C C 0 2 2 V V 00

T(2P)d2 T2 焓氣體能和體積與壓力乘積之和稱為氣體的焓，H=U+pV或h=u+pv。理想氣體焓單組分：h0=A+BT+CT2+DT3+ET4+FT5i i i

i i i混合氣體：h0yh0i ii實(shí)際氣體焓1）計(jì)算法 2）查圖法熵?zé)o關(guān)。熵的變化表征了可逆過程中熱交換的向與大小。理想氣體熵單組分：s0=BlnT+2CT+3/2DT2+4/3ET3+5/4FT4+Gi i i i i i i混合氣體：s0＝∑yi si0實(shí)際氣體熵1）計(jì)算法 查圖法導(dǎo)熱系數(shù)物質(zhì)導(dǎo)熱能力的特性參數(shù)，指沿著導(dǎo)熱向上溫度梯度為1K/m時(shí)，單位時(shí)間通過單位面積的熱量，物質(zhì)的基本性質(zhì)之一，單位J/(m·s·k)或W/(m·k)。查圖、查表法對于混合氣體的導(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λ＝∑yλM1/3/∑yM1/3ii i i i2）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)的對比壓力和對比溫度對其進(jìn)行修正，查修正系數(shù)。計(jì)算法1）用Misic和Thodos基于量綱分析提的經(jīng)驗(yàn)公式：對于甲烷、環(huán)烷烴和芳香烴，在T<1時(shí)：4.45107cpMTr r對于其它碳?xì)浠衔锛捌渌鼘Ρ葴囟葒?07

cM25.14 3 p2

T16M12r ccpcp23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）溫度對氣體導(dǎo)熱系數(shù)的影響

273.15C T 0 TC

273.15 T

混合氣體：

T Y i22 1 iTi i 14）壓力對氣體導(dǎo)熱系數(shù)的影響壓力對氣體的影響可根據(jù)對比密度進(jìn)行計(jì)算：ρ<0.5時(shí) （λ-λ）ГZ5=（2.69654×10-4）（e0.535ρr-1）x 0 c0.5<ρ<2.0時(shí)（λ-λ）ГZ5=（2.51972×10-4）（e0.67ρr–1.069）x 0 c2.0<ρ<2.8時(shí)（λ-λ）ГZ5=（5.74673×10-5）（e1.155ρr+2.016）x 0 c壓力對混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)的影響，仍可用上述公式計(jì)算，對比密度與氣體種類無關(guān)，臨界參數(shù)要按混合氣體的視臨界參數(shù)計(jì)算。三、海底天然氣的燃燒性質(zhì)海底天然氣燃燒熱值1m3kJ/m3。高熱值（全熱值）：1.01325×105PaT（25℃）下燃?xì)馔耆紵?，生成的水蒸氣完全以冷凝水的狀態(tài)排出時(shí)所放出的熱量；低熱值（凈熱值）：1.01325×105T（25℃）下燃海底天然氣的爆炸極限華白數(shù)、燃燒勢1）華白數(shù)（沃貝爾數(shù)、熱負(fù)荷指數(shù)），是代表燃?xì)庑再|(zhì)對熱負(fù)荷的綜合影響。等于燃?xì)飧邿嶂礖s與相對密度Δ開的比值，單位kJ/m3。Ws=Hs/Δ1/22）燒火焰產(chǎn)生離焰、黃焰、回火和不完全燃燒的傾向性參數(shù)。用來全面判定燃?xì)獾娜紵匦浴．?dāng)燃?xì)獾慕M分和性質(zhì)變化較大，或者摻入的燃?xì)馀c原來燃?xì)庑再|(zhì)相差較大時(shí)，燃?xì)獾娜紵俣葧l(fā)生較大變化，僅用華白數(shù)已不能滿足設(shè)計(jì)需要。燃燒勢Cp=(aH+bCO+cCH+dCH)/Δ1/22 4 m n一、焦耳-湯姆遜系數(shù)的計(jì)算:hh。1 2qhV2/2gzw h V2/2gz1 1 1 軸 2 2 2在焦耳-湯姆遜膨脹中，初始焓和終止焓是相等的。因?yàn)闅怏w在從初始平衡焓下進(jìn)行的，而是僅滿足初始焓等于終止焓的條件。進(jìn)行一系列焦耳-P1T1值保持相p2p2a、p2b、p2cT2值。T-Pl，2a，2bh1=h2…，所P1T1h在T-P圖中等焓曲線在任一點(diǎn)的斜率叫做焦耳-湯姆遜系數(shù)Di

h轉(zhuǎn)換點(diǎn)：D=0的點(diǎn)相應(yīng)于等焓曲線的最大值。i轉(zhuǎn)換曲線：所有轉(zhuǎn)換點(diǎn)的軌跡。冷卻效應(yīng)：在轉(zhuǎn)換曲線以的區(qū)域（其中D>0），由于節(jié)流作用，溫度隨著i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D<0)，由于節(jié)流作用溫度隨壓力降i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。對于干線輸氣管道，一般D取3～5℃/MPa。i焦耳-湯姆遜系數(shù)計(jì)算：D

1

()T

1]

1(V

V]i C 2P

(P) C

PPTP二、著火濃度極限著火濃度極限（firingconcentrationlimit）是引起可燃?xì)怏w混合系燃燒的比101kPa時(shí)，火焰從直徑為10cm的管子下端向上傳播時(shí)測得的著火濃度極限列于表3-20。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分子式濃度極限，％下限 上限氫H24．00 74．20一氧化碳CO12．50 74．20二硫化碳CS21．25 50．00硫化氫H2S4．