天然氣的高壓物性學時

1、第三節(jié) 天然氣的高壓物性（4學時）一、教學目的了解天然氣的組成和分類方法，熟練掌握天然氣各種高壓物性參數(shù)的計算方法。了解對應狀態(tài)原理的應用。二、教學重點、難點教學重點1、天然氣各種高壓物性參數(shù)的計算2、對應狀態(tài)原理的證明及應用3、壓縮因子的物理意義教學難點 1、對應狀態(tài)原理的證明 2、多組分體系壓縮系數(shù)的計算三、教法說明課堂講授并輔助以多媒體課件展示相關(guān)的數(shù)據(jù)和圖表四、教學內(nèi)容本節(jié)主要介紹六個方面的問題：一、天然氣的組成二、天然氣的分子量等參數(shù)三、天然氣的狀態(tài)方程四、天然氣的體積系數(shù)五、天然氣的壓縮系數(shù)六、天然氣的粘度（一）、天然氣的組成及分類1、天然氣的組成化學組成：天然氣就是指地下采出的可

2、燃氣體的總稱，它是由多種氣體組成的一種混合物，其組成主要的烴類氣體，同時含有少量的非烴類氣體，天然氣的組成通常采用氣相色譜儀進行全分析來獲得，從化學角度來看，天然氣通常含有：（1）甲烷（80%）、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷（少）、己烷、庚烷（2）H2S、硫醇、硫醚、CO2、CO、N2、H2O、He、Ar天然氣在地層中有三種存在形式：（1）以溶解狀態(tài)存在于原油中（2）以游離狀態(tài)存在于氣通部分（3）存在于氣層中天然氣的三種組成表示方法：（1）重量組成：（2）體積組成：（3）摩爾組成：2、天然氣的分類（1）、按礦藏分氣田氣：C180%C2C4不多C5+甚微油田氣：（溶解氣、氣頂氣）C2含量高，C1變化大

3、2097%凝析氣田氣：C5+含量較多，C17594%（2）、按組成分濕氣（富氣）：C6+100g/m3貧氣：C6+10100g/m3干氣：C6+10g/m3（3）、按含硫量分：凈氣：S1g/m3酸氣：S1g/m3（二）、天然氣的分子量及比重1、天然氣的分子量天然氣的視分子量：天然氣為一種由多種烴類和非烴類氣體組成的混合物，它沒有固定的分子式和分子量，人們?yōu)榱艘院笥嬎闵系姆奖?，特意給天然氣假想了一個分子量，稱為視分子量。（1）、定義：把在0，760毫米汞柱，體積為22.4米3（升）的天然氣所具有的重量定義為該種天然氣的公斤（克）分子量。（2）、計算：注意：天然氣的組成不一樣，分子量不一樣；組成相

4、同，比例不同，分子量也不同。2、天然氣的比重 （1）、定義：在相同溫度和壓力下，天然氣的溫度與空氣的重度之比。 （2）、計算:天然氣的比重一般為0.50.7，個別情況大于1.0，天然氣的比重測量常采用上述的公式計算或采用比重瓶法直接測試。(三)、天然氣的狀態(tài)方程所謂狀態(tài)方程就是指描述氣體體積、壓力、溫度的關(guān)系表達式。 （1）、理想氣體狀態(tài)方程式理想氣體狀態(tài)方程式為：PV=nRT式中：P氣體的壓力，MPaVP下氣體的體積，升T絕對溫度，（273.15+0C）0KN氣體摩爾數(shù)R氣體常數(shù)理想氣體狀態(tài)方程式的適用條件：（1）氣體分子為無體積無質(zhì)量的質(zhì)點；（2）氣體分子之間無作用力（引力和斥力）真正的理

5、想氣體是不存在的，但在高溫和低壓狀態(tài)下的氣體可以近似地看作理想氣體，這是因為在高溫低壓下（1）氣體分子間距大，分子間的作用力可以忽略不計；（2）氣體體積較大，氣體分子本身的體積可以忽略不計。（2）、實際氣體狀態(tài)方程式A、從理想氣體的假設(shè)入手范德華方程式：a范德華常數(shù)b范德華常數(shù)壓力項的修正考慮的是分子引力因素，體積項的修正考慮的是分子體積因素。除范德華方程外，還有RK（Redlich-Kwong）狀態(tài)方程、SRK(Soave- Redlich-Kwong)狀態(tài)方程等，同學們可參閱有關(guān)文獻。B、實驗法根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程式，對理想氣體狀態(tài)方程式直接進行修正，修正后的狀態(tài)方程為：PV=ZnRT式中

6、Z稱為壓縮因子，它反映了實際氣體與理想氣體的一切偏差。既考慮了分子作用力的存在，也考慮了氣體分子自身體積引力因素使得真實氣體較理想氣體易于壓縮，而體積因素使得真實氣體較理想氣體難于壓縮，值的大小則是這兩個因素影響的綜合體現(xiàn)Z時，氣體的引力因素和體積因素相等，但并不表示此時的真實氣體就是理想氣體Z時，氣體的引力因素體積因素，真實氣體較理想氣體難于壓縮Z時，氣體的引力因素體積因素，真實氣體較理想氣體易于壓縮 由此可見，要運用實際氣體狀態(tài)方程式進行氣體狀態(tài)的計算，就先必須確定在兩種不同狀態(tài)下氣體的壓縮因子Z。那么，氣體的壓縮因子Z如何求得呢？A、單組分體系實驗法(作圖)B、多組分體系對應狀態(tài)原理法對

7、應狀態(tài)原理如果兩種氣體處于對應狀態(tài),則這兩種氣體的所有內(nèi)涵性質(zhì)相同.(即與某種物質(zhì)量的多少無關(guān)的量,如壓縮因子,粘度等)對應狀態(tài)如果兩種氣體的對比壓力和對比溫度相同,則這兩種氣體處于對應狀態(tài).對比壓力 Pr=P/Pc Pc-臨界壓力對比溫度 Tr=T/Tc Tc-臨界溫度臨界狀態(tài)當某種物理的氣液界面消失時所對應的溫度和壓力就稱為臨界溫度和臨界壓力.此時的物質(zhì)統(tǒng)稱為流體,而氣相和液相的性質(zhì)完全相同. 常見氣體的臨界參數(shù)氣體分子式分子量臨界壓力(MPa)臨界溫度(K)甲烷CH416.04.64190.67乙烷C2H630.14.88303.50丙烷C3H844.14.26370.00正丁烷nC4H

8、1058.13.79425.39CO2CO244.017.38304.17H2SH2S34.09.00373.56N2N228.03.39126.11天然氣視臨界參數(shù)計算 1 公式法: 2 查圖法: 對應狀態(tài)原理的證明由范德華方程式在臨界點得,解方程組得：或?qū)⑺玫腶、b值代入范德華方程中得：兩邊同除PcVc得由此可見,任何兩種氣體只要其對比壓力和對比溫度相等,則其對比體積也相等,這就表明該兩種氣體處于對應狀態(tài).從上式可以看出:只要氣體的臨界壓縮因子Zc為一常數(shù),則當兩種氣體的對比壓力和對比溫度相等時,它們的壓縮因子必相等.常見氣體的臨界壓縮因子氣體PcTcVcZc氦He2.265.30.05

9、780.30氫H212.833.30.06500.305氧O250.10154.80.07800.307氮N233.5126.20.09010.297甲烷CH445.8190.70.9900.290乙烷C2H650.0282.40.1240.268苯C6H648.6562.00.2600.274二氧化碳CO272.9304.20.0940.274氨NH3111.5405.60.0720.242從表中可以看出，盡管各種氣體的臨界參數(shù)Tc、Pc相差很大，但Zc相差極小,這說明用對應狀態(tài)法求真實氣體壓縮因子完全滿足精度要求. 天然氣壓縮因子的求解步驟1 根據(jù)組成求Pc、Tc2 由給出的P、T求Tr、

10、Pr3 根據(jù)Tr、Pr 查天然氣壓縮因子圖版 (3) 天然氣壓縮因子的校正（A）N2對壓縮因子的影響：埃勒爾茨等人研究了N2對天然氣壓縮因子的影響后指出：如果天然氣中N2的含量10%，那么按對應狀態(tài)理論計算的該混合氣體的壓縮因子誤差1%；如果含量20%，誤差將3%這時建議采用下述方法來計算含N2的天然氣的壓縮因子。(a）式中：天然氣中的摩爾分數(shù)；Zg氣樣中烴混合氣的壓縮因子，同前根據(jù)對應狀態(tài)原理求得，值得注意的是，這時的烴類氣體的組成應該重新折算到將整個烴類氣體視為100%時的摩爾組成，再根據(jù)新的組成來計算臨界參數(shù)，然后求得Zg值。氮氣的壓縮系數(shù)，可查N2的壓縮因子圖版(見多媒體)。(b）計算

11、含N2的天然氣的真實壓縮系數(shù)C附加比校正系數(shù)，這個校正系數(shù)與天然氣中N2的含量有關(guān)。(見多媒體)（B）CO2對Z的影響斯坦丁指出：氣樣中CO2的含量在2%以下時，用對應狀態(tài)原理計算可得到滿意的結(jié)果。再次等又指出，如氣樣中CO2含量為4%時，用對應狀態(tài)原理所計算的Z值將產(chǎn)生5%的誤差，并建議：含CO2的天然氣的壓縮因子用下式計算：CO2的壓縮因子，可以查圖。倘若天然氣中同時含有、N2，那采用下式計算：Zg烴類氣體的壓縮因子（C）H2S對Z的影響目前，關(guān)于H2S對Z的影響的資料甚少，研究的也不多。但對于H2S含量不多的天然氣可以直接將H2S的臨界參數(shù)參與混合計算來確定壓縮系數(shù)。對H2S含量較大的氣

12、樣，建議采用實驗室測量。對于H2S和CO2含量很高的天然氣，那么就采用：Tpc、Ppc氣樣校正前的視臨界系數(shù)，計算；、校正后的視臨界參數(shù)；B在含和H2S的天然氣中，B=視臨界溫度校正系數(shù)最后根據(jù)、來求、，從而查出Z值。(四)、天然氣的體積系數(shù)1 定義:氣體在地層條件下所具有的體積（游離態(tài)氣體，如氣頂氣、氣層氣）與標準狀況下所占有體積的比值.(無單位)2 計算: 一般情況下Bg<<13 物理意義:反映了單位體積（標況）的天然氣地層條件下所占有的體積。(五)、天然氣的壓縮系數(shù)1 定義:壓力每改變一個單位(大氣壓)時，氣體體積的變化率.或：壓力改變一個單位(大氣壓)時，單位氣體體積的變化

13、量.單位:1/MPa 2 計算: (1) 純組分體系氣體壓縮系數(shù)的求法（a）先求Z（b）求P、T對應點處的，這里要注意值的正負性。(2) 多組分體系氣體壓縮系數(shù)的求法具體求法同前，只是求時要從天然氣壓縮因子圖版上求得，另外也可以根據(jù)、,利用對應狀態(tài)原理查圖求。 (六)、天然氣的粘度1 低壓下天然氣粘度的求法 (1) 公式計算法 (2) 查圖法根據(jù)溫度和天然氣的比重查下圖 2 高壓下天然氣粘度的求法(1) 根據(jù)天然氣的組成求出天然氣的比重，并根據(jù)所得比重（查圖）求出天然氣在一個大氣壓情況下的粘度 .(2) 根據(jù)天然氣的組成求天然氣的臨界壓力和臨界溫度. (3) 求天然氣的對比壓力和對比溫度. (4) 查下圖得 (5) 五、教學后記 通過本節(jié)課的學習，大多數(shù)同學掌握了天然氣的定義、分類方法，掌握了天然氣的分子量、比重的計算，能夠利用天然氣的狀態(tài)方程進行不同狀態(tài)的計算，對對應狀態(tài)原理有了深入的了解，并學會了利用該原理進行壓縮因子、壓縮系數(shù)、粘度等高壓物性參數(shù)的計算。極少數(shù)沒懂的同學可以