第1章天然氣的物理化學性質

1、2022-4-8西南石油學院儲運研究所1第一章第一章 天然氣的物理化學性質天然氣的物理化學性質第一節(jié)第一節(jié) 天然氣的化學組成與分類天然氣的化學組成與分類 一一.天然氣輸送方法天然氣輸送方法 大宗天然氣的輸送方法目前只有兩種，一是用管大宗天然氣的輸送方法目前只有兩種，一是用管道輸送，二是將天然氣液化后用專用的油輪運輸。道輸送，二是將天然氣液化后用專用的油輪運輸。1.液化天然氣運輸液化天然氣運輸2.管道輸氣管道輸氣液化天然氣（液化天然氣（LNG）是天然氣經凈）是天然氣經凈化處理后，通過低溫冷卻而成的液態(tài)化處理后，通過低溫冷卻而成的液態(tài)產物，其體積為原氣態(tài)體積的產物，其體積為原氣態(tài)體積的1/600。

2、為在常壓下保持液態(tài)，必須將其冷卻為在常壓下保持液態(tài)，必須將其冷卻至至-162以下。液態(tài)時，可以用液化以下。液態(tài)時，可以用液化天然氣運輸船運輸。液化天然氣運達天然氣運輸船運輸。液化天然氣運達接收的港口后，卸入接收站的低溫儲接收的港口后，卸入接收站的低溫儲罐中儲存，然后通過加熱再氣化后，罐中儲存，然后通過加熱再氣化后，以氣態(tài)形式用管道輸送至用戶。目前以氣態(tài)形式用管道輸送至用戶。目前我國正在積極發(fā)展液化天然氣系統(tǒng)。我國正在積極發(fā)展液化天然氣系統(tǒng)。廣東、上海、大慶、長慶等地均已建廣東、上海、大慶、長慶等地均已建或在建液化天然氣生產裝置。或在建液化天然氣生產裝置。2022-4-8西南石油學院儲運研究所2

3、二二. .天然氣氣質要求天然氣氣質要求 1. 天然氣質量的三項要求天然氣質量的三項要求1）天然氣組成）天然氣組成 大量組分八個：大量組分八個：甲烷甲烷、乙烷、丙烷、總丁烷、總戊烷、乙烷、丙烷、總丁烷、總戊烷、C6+、氮、二氧、氮、二氧化碳；化碳； 少量組分五個：氫、不飽和烴總量、一氧化碳、氧、氦；少量組分五個：氫、不飽和烴總量、一氧化碳、氧、氦； 微量組分五個：硫化氫、硫醇、羰基硫、總硫、水分微量組分五個：硫化氫、硫醇、羰基硫、總硫、水分。2）物理性質）物理性質 標準狀態(tài)下的總發(fā)熱量、標準狀態(tài)下的沃貝指數（標準狀態(tài)下的總發(fā)熱量、標準狀態(tài)下的沃貝指數（Wobbe Index）、）、相對密度、壓縮

4、因子和露點相對密度、壓縮因子和露點3）其他要求）其他要求 在管輸溫度、壓力條件下，不存在液相的水和烴類；在管輸溫度、壓力條件下，不存在液相的水和烴類； 固體顆粒的含量不影響輸送與利用；固體顆粒的含量不影響輸送與利用； 存在的其他氣體組分不影響輸送和利用。存在的其他氣體組分不影響輸送和利用。2022-4-8西南石油學院儲運研究所3 1）我國我國輸氣管道工程設計規(guī)范輸氣管道工程設計規(guī)范（GB50251)規(guī)定管輸天然氣氣質要求：規(guī)定管輸天然氣氣質要求： 進入輸氣管道的氣體必須清除其中的雜質；進入輸氣管道的氣體必須清除其中的雜質； 水露點應低于輸氣條件下最低管輸氣體溫度水露點應低于輸氣條件下最低管輸氣

5、體溫度5； 烴露點應低于或等于最低管輸氣體溫度；烴露點應低于或等于最低管輸氣體溫度； 氣體中硫化氫含量不大于氣體中硫化氫含量不大于20mg/m3； 如輸送不符合上述質量的氣體，必須采取相應的如輸送不符合上述質量的氣體，必須采取相應的保護措施保護措施。2022-4-8西南石油學院儲運研究所42）GB17820-1999對天然氣的質量要求對天然氣的質量要求2022-4-8西南石油學院儲運研究所53.部分國家、團體對天然氣質量要求的規(guī)定部分國家、團體對天然氣質量要求的規(guī)定1 1）美國材料試驗學會）美國材料試驗學會ASTM D-3ASTM D-3委員會委員會19811981年年7 7月對管輸天然氣的質

6、月對管輸天然氣的質量要求量要求2022-4-8西南石油學院儲運研究所62022-4-8西南石油學院儲運研究所72022-4-8西南石油學院儲運研究所82022-4-8西南石油學院儲運研究所92022-4-8西南石油學院儲運研究所10三三.天然氣的分類天然氣的分類 1.按礦藏特點分類按礦藏特點分類 1）氣井氣（）氣井氣（gas well gas） 2）凝析井氣（）凝析井氣（condensate gas） 3）油田氣（）油田氣（oil field gas）2022-4-8西南石油學院儲運研究所112.按天然氣的烴類組成分類按天然氣的烴類組成分類 1）C5界定法界定法干、濕氣的劃分干、濕氣的劃分 干

7、氣（干氣（dry gas）：指在）：指在1m3井口流出物井口流出物中，中， C5以上烴液含量低于以上烴液含量低于13.5cm3的天然的天然氣。氣。 濕氣濕氣(wet gas)：指在：指在1m3井口流出物中，井口流出物中， C5以上烴液含量高于以上烴液含量高于13.5cm3的天然氣。的天然氣。2022-4-8西南石油學院儲運研究所122） C3界定法界定法貧、富氣的劃分貧、富氣的劃分 貧氣（貧氣（lean gas）：）：指在指在1m3井口流出物中，井口流出物中， C3以上烴類液體含量低于以上烴類液體含量低于94cm3的天然氣的天然氣。 富氣（富氣（rich gas）：）：指在指在1m3井口流出物

8、中，井口流出物中， C3以上烴類液體含量高于以上烴類液體含量高于94cm3的天然氣的天然氣。指適合作天然氣加工廠原料并能從中提取產品的氣體。指適合作天然氣加工廠原料并能從中提取產品的氣體。2022-4-8西南石油學院儲運研究所133.按酸氣（按酸氣（acid gas)含量分類含量分類 酸性天然氣（酸性天然氣（sour gas）：每標立方米天）：每標立方米天然氣中含硫量大于然氣中含硫量大于1克的氣?？说臍?。 潔氣（潔氣（sweet gas）：每標立方米天然氣）：每標立方米天然氣中含硫量小于中含硫量小于1克的稱為凈氣?？说姆Q為凈氣。2022-4-8西南石油學院儲運研究所14四.天然氣組成表示方法天

9、然氣組成表示方法 1質量（俗稱重量）組成質量（俗稱重量）組成 如用符號如用符號gi表示組分表示組分i的質量組成，則的質量組成，則 1）用百分數表示時）用百分數表示時 100iiimmg10021nggg2022-4-8西南石油學院儲運研究所152）用小數表示時）用小數表示時iiimmg121nggg2022-4-8西南石油學院儲運研究所162體積組成體積組成1）用百分數表示時）用百分數表示時100iiiVVv10021nvvv2022-4-8西南石油學院儲運研究所172）用小數表示時）用小數表示時iiiVVv121nvvv2022-4-8西南石油學院儲運研究所18 3摩爾組成（即分子組成）摩爾

10、組成（即分子組成）如用符號如用符號yi表示組分表示組分i的摩爾組成，則的摩爾組成，則1）用百分數表示時）用百分數表示時100iiinny10021nyyy2022-4-8西南石油學院儲運研究所192）用小數表示時）用小數表示時iiinny121nyyy2022-4-8西南石油學院儲運研究所20 （1）如果已知天然氣的質量組成）如果已知天然氣的質量組成gi，要，要求換算為體積組成求換算為體積組成vi或摩爾組成或摩爾組成yi，可用，可用下式下式 iiiiiiiMgMgnny/2022-4-8西南石油學院儲運研究所21iiiiiiiMyMymmg2022-4-8西南石油學院儲運研究所22(3)已知天

11、然氣的體積百分數已知天然氣的體積百分數vi,利用下面方利用下面方法可換算為質量百分數法可換算為質量百分數gi。 第一步第一步 利用利用 求出組分求出組分i的摩爾數的摩爾數ni； 第二步第二步 求組分求組分i的質量的質量mi=niMi; 第三步第三步 組分組分i的質量百分數的質量百分數 。100iiimmg4 .22iivn 2022-4-8西南石油學院儲運研究所232022-4-8西南石油學院儲運研究所24121 天然氣的壓力、溫度、臨界天然氣的壓力、溫度、臨界值及其對比值值及其對比值 一、天然氣的壓力一、天然氣的壓力 在國際單位制中壓力的單位為牛頓在國際單位制中壓力的單位為牛頓/米米2（N/

12、m2）稱為帕斯卡，符號為稱為帕斯卡，符號為Pa， 2022-4-8西南石油學院儲運研究所25當被測流體的實際壓力低于大氣壓力時，當被測流體的實際壓力低于大氣壓力時，壓力表上測得的壓力稱為真空度。此時流壓力表上測得的壓力稱為真空度。此時流體的實際壓力為：體的實際壓力為： 2022-4-8西南石油學院儲運研究所26二天然氣的溫度二天然氣的溫度 常用的溫標有四種：常用的溫標有四種： （1）攝氏溫度）攝氏溫度 （2）華氏溫標）華氏溫標 (3）開氏溫標（絕對）開氏溫標（絕對溫標）溫標） (4）蘭金溫標（英制絕對溫標）蘭金溫標（英制絕對溫標） 這四種溫標的關系如下：這四種溫標的關系如下： t（ F）=1.

13、8 t（ C）+32 T（K）=t（ C）+273.15 T（ R）=t（ F）+460 T（ R）=1.8T（K） 天然氣的溫度一般用天然氣的溫度一般用t C 和和 K表示表示。2022-4-8西南石油學院儲運研究所27三、天然氣的臨界值三、天然氣的臨界值 1臨界溫度臨界溫度 對每一種純的氣體都存在著一特定的對每一種純的氣體都存在著一特定的溫度，溫度，高于此溫度時，無論加多大壓力高于此溫度時，無論加多大壓力也不可能使它由氣體變?yōu)橐后w也不可能使它由氣體變?yōu)橐后w，這個溫，這個溫度稱為臨界溫度，用符號度稱為臨界溫度，用符號Tc表示。表示。 臨界溫度是該氣體能以液體狀態(tài)存在臨界溫度是該氣體能以液體狀

14、態(tài)存在的最高溫度。的最高溫度。2022-4-8西南石油學院儲運研究所282臨界壓力臨界壓力 在臨界溫度下在臨界溫度下，氣相與液相相平衡時，氣相與液相相平衡時所施加的壓力。也可定義為相應于臨界所施加的壓力。也可定義為相應于臨界溫度的飽和壓力，用符號溫度的飽和壓力，用符號Pc表示。它是表示。它是在臨界溫度下該氣體由氣態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)在臨界溫度下該氣體由氣態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)所需的最低壓力。所需的最低壓力。 按下式計算按下式計算ciicPyPciicTyT2022-4-8西南石油學院儲運研究所29 在近似計算時，當天然氣相對密度在近似計算時，當天然氣相對密度 在在0.50.9范圍內，可用下列經驗公式計范圍內，可

15、用下列經驗公式計算天然氣臨界值。算天然氣臨界值。363. 0855. 4cP17693cT2022-4-8西南石油學院儲運研究所30 按下面公式校正按下面公式校正酸性天然氣酸性天然氣的視臨界參的視臨界參數。數。ccTT)(BBTTPPcccc1 視臨界溫度的校正系數，視臨界溫度的校正系數， C。 B天然氣中天然氣中H2S的摩爾分數；的摩爾分數； 2022-4-8西南石油學院儲運研究所31圖圖 - 視臨視臨界溫度界溫度修正系數修正系數 2022-4-8西南石油學院儲運研究所32ccTTccccPTTP/當當H2S和和CO2含量都不超過含量都不超過20%時時 2022-4-8西南石油學院儲運研究所

16、33四、天然氣壓力和溫度的對比值四、天然氣壓力和溫度的對比值 crPPP crTTT 對比壓力對比壓力 對比溫度對比溫度 視對比壓力視對比壓力 視對比溫度視對比溫度 crPPP crTTT 2022-4-8西南石油學院儲運研究所34122 天然氣的分子量天然氣的分子量 把把0 C、101325Pa時體積為時體積為22.4立方米天然立方米天然氣所具有的質量認為是天然氣的分子量。氣所具有的質量認為是天然氣的分子量。 天然氣的分子量，在數值上等于在標準狀天然氣的分子量，在數值上等于在標準狀態(tài)下態(tài)下1 1摩爾天然氣的質量。摩爾天然氣的質量。 iiMyMiiMgM1NWM 2022-4-8西南石油學院儲

17、運研究所35123 天然氣的密度和相對密度（比重）天然氣的密度和相對密度（比重） 密度定義密度定義 Vm體在此標準狀態(tài)下的密度為體在此標準狀態(tài)下的密度為 4 .220M氣體在某壓力、溫度下的密度為：氣體在某壓力、溫度下的密度為： ZTPM314. 82022-4-8西南石油學院儲運研究所36天然氣的重度天然氣的重度 g二相對密度（即比重）二相對密度（即比重） 空天空天空天MM 空空=1.293kg/m3(在在0 C、101325Pa下下) 空空=1.205kg/m3(在在20 C、101325Pa下下)2022-4-8西南石油學院儲運研究所37124 天然氣的粘度天然氣的粘度1動力粘度（絕對粘

18、度）動力粘度（絕對粘度） ： 動力粘度的單位是克動力粘度的單位是克/（厘米（厘米秒）。這個秒）。這個單位又稱為單位又稱為“泊泊” 1泊泊g/(cm s)=100厘泊厘泊在國際單位制中，動力粘度的單位為帕斯卡在國際單位制中，動力粘度的單位為帕斯卡 秒秒（Pa s），即千克），即千克/（米（米 秒）（秒）（kg/(m s)）。）。 1(Pa s)=10P(泊泊)=1000cp（厘泊）（厘泊）2022-4-8西南石油學院儲運研究所382運動粘度運動粘度 一低壓下的氣體粘度一低壓下的氣體粘度 iiiiiMyMy二高壓下（壓力大于二高壓下（壓力大于6.9Mpa）的氣體粘度）的氣體粘度002022-4-8

19、西南石油學院儲運研究所39101.325kPa下的粘度下的粘度02022-4-8西南石油學院儲運研究所402022-4-8西南石油學院儲運研究所412022-4-8西南石油學院儲運研究所42125 天然氣的熱力學性質天然氣的熱力學性質 天然氣的比熱：天然氣的比熱： 氣體的比熱可分為質量比熱、容積比熱氣體的比熱可分為質量比熱、容積比熱和摩爾比熱三種。三種比熱的關系如下：和摩爾比熱三種。三種比熱的關系如下：MMCC 4 .22MCC 0CC 2022-4-8西南石油學院儲運研究所43理想氣體的理想氣體的Cp、Cv之間存在一定的關系：之間存在一定的關系：RCCvpKCCvp2022-4-8西南石油學

20、院儲運研究所44低壓下氣體在各種溫度下的比熱也可按下式計算低壓下氣體在各種溫度下的比熱也可按下式計算 A、B、C、D計算常數，不同氣體的值見計算常數，不同氣體的值見表表1-5 氣體混合物（天然氣）在低壓下的比熱可根據氣體混合物（天然氣）在低壓下的比熱可根據各組分的比熱用摩爾分數加合法或質量分數加各組分的比熱用摩爾分數加合法或質量分數加合法求得，即合法求得，即32DTCTBTACppiiCyCppiiCgpC2022-4-8西南石油學院儲運研究所45在同一溫度下，高壓下的定壓比熱與低壓在同一溫度下，高壓下的定壓比熱與低壓下的定壓比熱之間有如下的關系：下的定壓比熱之間有如下的關系：pppCCC20

21、22-4-8西南石油學院儲運研究所46圖圖1-9 大氣壓力下烴類氣體的比熱與溫度的關系大氣壓力下烴類氣體的比熱與溫度的關系 2022-4-8西南石油學院儲運研究所47圖圖1-10 真實氣體比熱校正圖真實氣體比熱校正圖2022-4-8西南石油學院儲運研究所482022-4-8西南石油學院儲運研究所49 天然氣：天然氣：46055kJ/kg 其中：氣田氣：其中：氣田氣：3558841868kJ/Nm3 油田氣：油田氣：3558866989kJ/Nm3 煤煤 ：29308kJ/kg 干木材：干木材：12560kJ/kg2022-4-8西南石油學院儲運研究所50天然氣熱值的求定天然氣熱值的求定 理想氣

22、體熱值可用下式計算：理想氣體熱值可用下式計算：iiHyH理想氣體的熱值，被氣體混合物在理想氣體的熱值，被氣體混合物在15.5 C和和101325Pa（絕）下的壓縮系數（絕）下的壓縮系數Z除，即修正為真實除，即修正為真實氣體的熱值氣體的熱值Hr，即，即ZHHr2022-4-8西南石油學院儲運研究所51上述天然氣熱值計算是對干天然氣而言，在上述天然氣熱值計算是對干天然氣而言，在同樣狀態(tài)下含飽和水汽的濕天然氣的熱值較同樣狀態(tài)下含飽和水汽的濕天然氣的熱值較干天然氣熱值為低。濕天然氣熱值正比于天干天然氣熱值為低。濕天然氣熱值正比于天然氣中干天然氣的含量，即然氣中干天然氣的含量，即wddwdyyHHH1式

23、中：式中：Hd干天然氣的熱值，干天然氣的熱值，kJ/m3； Hw濕天然氣的熱值，濕天然氣的熱值，kJ/m3； yd干天然氣在濕天然氣混合物中所占的摩爾百分數；干天然氣在濕天然氣混合物中所占的摩爾百分數； yw在濕天然氣混合物中水蒸汽所占的摩爾百分數。在濕天然氣混合物中水蒸汽所占的摩爾百分數。 2022-4-8西南石油學院儲運研究所52 假定濕天然氣是理想氣體混合物，則水假定濕天然氣是理想氣體混合物，則水蒸汽的摩爾分數等于其分壓和總壓之比。蒸汽的摩爾分數等于其分壓和總壓之比。Ppyw2022-4-8西南石油學院儲運研究所53二、天然氣的導熱系數（或熱導率）二、天然氣的導熱系數（或熱導率） 物質傳

24、遞熱量的性能叫導熱性。物質傳遞熱量的性能叫導熱性。 在較高壓力條件下在較高壓力條件下 iiioiiMyMy0002022-4-8西南石油學院儲運研究所54四、天然氣的爆炸性四、天然氣的爆炸性 天然氣在空氣中的含量達到一定比例時，天然氣在空氣中的含量達到一定比例時，就與空氣構成爆炸性的混合氣體，這種就與空氣構成爆炸性的混合氣體，這種氣體遇到火源，就會發(fā)生燃燒和爆炸。氣體遇到火源，就會發(fā)生燃燒和爆炸。 天然氣在混合氣中的最低含量叫天然氣在混合氣中的最低含量叫爆炸下爆炸下限，低于爆炸下限就不會爆炸限，低于爆炸下限就不會爆炸。最高含。最高含量叫爆炸上限，高于爆炸上限也不會爆量叫爆炸上限，高于爆炸上限也不會爆炸。炸。上下限之間叫爆炸范圍或爆炸極限上下限之間叫爆炸范圍或爆炸極限。 2022-4-8西南石油學院儲運研究所55 在常溫常壓下，天然氣的爆炸范圍約為在常溫常壓下，天然氣的爆炸范圍約為515% 常溫常壓下，天然氣的爆炸極限可由下常溫常壓下，天然氣的爆炸極限可由下式計算式計算 iiLyL100式中式中 L爆炸的上限或下限；爆炸的上限或下限； Li組分組分