LNG液化天然氣 Chapter 02 天然氣性質(zhì)

2天然氣性質(zhì)多組分體系描述分子量壓縮因子粘度熱力學性質(zhì)導熱系數(shù)熱值1CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.1概述天然氣是一個多組分體系，其物理性質(zhì)取決于它的其組成和各組分的物性。在天然氣處理與加工中，一些重要的物性有：壓縮因子(天然氣是可壓縮氣體)密度熱力學性質(zhì)(比熱、焓、熵、潛熱)傳熱性質(zhì)(粘度、導熱系數(shù)、表面張力)燃燒熱2CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.2多組分體系描述一、天然氣體系1、天然氣構(gòu)成烴類氣體，CnH2n+n：C1、C2、……、C6、C7+非烴類氣體：H2S、CO2、N2、He、H2O等2、體系指一定范圍內(nèi)一種或幾種定量物質(zhì)構(gòu)成的整體。體系可分為單組分和多組分體系。甲烷、乙烷丙烷、丁烷水3CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.2多組分體系描述3、體系描述有n個組分每個組分的質(zhì)量：mi每個組分的摩爾量：ni每個組分的體積：Vi二、天然氣組成1、天然氣組成表示方法質(zhì)量分率：wi

摩爾分率：yi

體積分率：yi2、不同表示方式的關(guān)系4CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.2多組分體系描述因為所以又因所以且有5CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.3分子量一、天然氣的視分子量1、定義在標準狀態(tài)下，1摩爾天然氣的質(zhì)量，單位以kg/kmol或g/mol表示。2、計算公式天然氣組成不同，視分子量也就不同。一般天然氣的視分子量為16.82～17.98。6CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.3分子量二、天然氣相對密度(relativedensity)1、定義在標準狀態(tài)下，天然氣的密度與干燥空氣密度之比。2、計算公式式中：γg——天然氣的相對密度；

ρg——標況下天然氣的密度，kg/m3；

ρair——標況下干燥空氣的密度，kg/m3。7CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.4壓縮因子一、天然氣的壓縮因子1、定義一定數(shù)量的天然氣，在相同壓力溫度下，實際體積和理想體積之比。2、表達式對1mol實際氣體：8CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.4壓縮因子3、實際氣體狀態(tài)方程理想氣體方程為則實際氣體方程為幾種表示形式

nkmol：pV=ZnRT，V=m3

體積

1kmol：pVm=ZRT，Vm=m3/kmol千摩體積

1Kg：

pυ=ZRT/M，υ=m3/kg比容9CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.4壓縮因子二、對應狀態(tài)定律在相同的對應狀態(tài)下，任何實際氣體與理想氣體定律的偏差都是相同的。在三個對比變量中，若有兩個對比變量相同，則第三個對比變量也相同。1、純物質(zhì)其對比壓力pr和對比溫度Tr為10CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.4壓縮因子2、混合氣體對比狀態(tài)參數(shù)用擬對比參數(shù)ppr和Tpr來表征。ppr和Tpr根據(jù)擬臨界壓力ppc和擬臨界溫度Tpc來確定。3、壓縮因子的計算根據(jù)對應狀態(tài)定律，可利用Tr和pr將Z表示出來：Z＝f(Tr，pr)11CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.4壓縮因子S-K經(jīng)驗圖如右所示，主要用于估算潔氣的壓縮因子。對含有非烴較多時，需要校正處理，如式2-14、式2-15以及式2-16。經(jīng)驗關(guān)系式實際氣體狀態(tài)方程12CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.4壓縮因子三、天然氣密度1、理想氣體2、非理想氣體式中：p——天然氣的壓力，kPa；

T——天然氣的溫度，K；

R——通用氣體常數(shù)，8.314kPa.m3/(kmol.K)13CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.5粘度天然氣的粘度隨溫度↗而↗，隨分子量的↗而↙；在較低壓力下，與p無關(guān)，高壓時，不能忽略p影響。1、由單組分粘度確定低壓混合粘度式中：μN0——低壓下的粘度，mPa.s；

μi——相同p下組分i粘度，mPa.s；

yi——組分i的摩爾分率；

Mi——組分i的分子量。14CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.5粘度2、Carr粘度圖μ1＝(μ)un＋(△μ)N2＋(△μ)CO2＋(△μ)H2S15CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.5粘度3、關(guān)聯(lián)式法Lee等人的計算關(guān)系式：式中：μ—粘度，mPa.s

；T—溫度，K；ρg—密度，g/cm3；

p—壓力，kPa

；Mg—分子量，kg/kmol。16CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.6熱力學性質(zhì)一、比熱(SpecificHeat)1、定義在不發(fā)生相變和化學變化時，加熱單位質(zhì)量物質(zhì)，溫度升高1℃所需要的熱量。2、分類(1)真比熱和平均比熱

在極小的溫度范圍(dt)加熱，可得到油品的真比熱：17CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.6熱力學性質(zhì)單位質(zhì)量的油品溫度由t1升高到t2，可得在t1～t2間的平均比熱：(2)恒壓熱容和恒容熱容熱容會隨p及V的變化而變化，根據(jù)熱力學定義：對理想氣體：Cp－CV＝R18CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.6熱力學性質(zhì)對實際氣體：Cp和CV差值相當于氣體膨脹所做的功。絕熱指數(shù)k：Cp和CV的比值，k＝Cp/CV3、恒壓熱容的計算(1)理想氣體對純組分：Cpi0＝B＋2CT＋3DT2＋4ET3＋5FT4對混合物：Cpm0＝∑yiCpi0(2)實際氣體天然氣的常壓比熱可由下式計算：19CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.6熱力學性質(zhì)Cpm＝∑yiCpi式中，Cpi——i組分的比熱。實際氣體的Cp也可由下式計算Cp＝Cp0＋△Cp△Cp為殘余熱容，借助EOS計算。20CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.6熱力學性質(zhì)二、焓(Enthalpy)根據(jù)熱力學知識，焓的表達式為H＝(H－H0)＋H0

1、理想氣體的焓式中：T——溫度，K；

Ai、Bi、Ci、Di、Ei、Fi——i組分的常數(shù)；

Hi0——i組分的焓，kJ/kg。焓是狀態(tài)函數(shù)，規(guī)定在0Ｋ、0kPa時，H00＝0。21CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.6熱力學性質(zhì)對混合物：Hm0＝∑yiHi02、實際氣體的焓式中：ω——偏心因子；

等式右邊第一項為壓力對簡單流體焓值的影響；等式右邊第二項為壓力對真實流體和簡單流體焓值影響存在的偏差；

H——在p、T條件下，實際氣體的焓。升高p時物質(zhì)分子間引力恰好在分子中心的流體。一般為球形對稱分子，如H2、Ar。22CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.6熱力學性質(zhì)三、熵(Entropy)根據(jù)熱力學知識，熵的表達式為Sm＝(Sm－Sm0)混合＋Sm0

1、理想氣體的熵式中：T——溫度，K；

Bi、Ci、Di、Ei、Fi、Gi——i組分的常數(shù)；

Si0——i組分的熵，kJ/kg。熵是狀態(tài)函數(shù)，在0Ｋ、1kPa時，S00＝1kJ/(kg.K)。23CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.6熱力學性質(zhì)對混合物：Sm0＝∑yiSi02、實際氣體的熵式中：ω——偏心因子；

等式右邊第一項為壓力對簡單流體熵值的影響；等式右邊第二項為壓力對真實流體和簡單流體熵值影響存在的偏差；

S——在p、T條件下，實際氣體的熵。24CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.7導熱系數(shù)烴類流體的導熱系數(shù)(ThermalConductivities)是重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。一、低壓下純烴的導熱系數(shù)1、查圖法：根據(jù)T在導熱系數(shù)圖中讀取。2、經(jīng)驗關(guān)系式λ＝A＋BT＋CT2式中：λ——導熱系數(shù)，Btu/(hr)(sqft)(℉)/ft；

T——溫度，℉；

A、B、C——各組分的經(jīng)驗系數(shù)。25CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.7導熱系數(shù)二、烴類混合物的氣體導熱系數(shù)在任意T、p壓力下氣體導熱系數(shù)：式中：ηi、ηj——組分i和j的粘度；

Mi、Mj——組分i和j的分子量；Tb——沸點。26CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.8熱值一、熱值的定義1、熱值(HeatsofCombustion)單位體積或單位質(zhì)量天然完全燃燒時所產(chǎn)生的熱量，單位是kJ/m3或kJ/kg。2、總熱值在15℃、101.3kPa下，單位體積天然氣完全燃燒，且水以液態(tài)形式存在時所放出的熱量。3、凈熱值27CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.8熱值在15℃、101.3kPa下，單位體積天然氣完全燃燒，且水以氣態(tài)形式存在時所放出的熱量。說明：(1)總熱值與凈熱值之差為水的冷凝潛熱。(2)若天然氣不含水汽，燃燒產(chǎn)生熱值為干值。若天然氣被水飽和，燃燒產(chǎn)生熱值為飽和熱值。二、熱值的計算天然氣的熱值由各組分分率對熱值的加權(quán)得到：28CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.8熱值式中：x1、x2、…xn——每個組分的摩爾分率；

H1、H2、…Hn——各組分理想氣體的熱值。實際氣體的熱值與理想氣體的熱值關(guān)系如下：飽和熱值與干熱值之間的關(guān)系：式中：△Hvap,H2O—潛熱，kJ/kg；MWH2O—摩爾分子量。29CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.8熱值三、沃貝指數(shù)燃氣的熱負荷指數(shù)，等于燃氣總熱值與相對密度開方的比值，代表燃氣性質(zhì)對熱負荷的綜合影響。式中：WS——沃貝指數(shù)，kJ/m3；

Hgross——總熱值，kJ/m3；

d——相對密度。30CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.9飽和蒸氣壓飽和蒸氣壓取決于液體的性質(zhì)和T，是基礎(chǔ)熱力學數(shù)據(jù)。烴類在高溫和低溫下的蒸氣壓如下圖。一、烴類飽和蒸氣壓圖31CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.9飽和蒸氣壓二、烴類飽和蒸氣壓計算式1、Lee－Kesler方程式中：pvpr——對比蒸氣壓，pvp／pC；

pvp——飽和蒸氣壓，kPa；ω——偏心因子。32CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.9飽和蒸氣壓2、Riedel-Plank-Miller方程式中：Tr——對比溫度，T／TC；

Tb——沸點，K；TC——臨界溫度，K。33CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.10爆炸極限一、天然氣天然氣爆炸極限為5%～15%。當空氣中天然氣濃度增加到不能引起爆炸濃度點稱為爆炸上限，因為由于缺氧也無法維持燃燒爆炸。在爆炸下限限，因氧化反應產(chǎn)生的熱量不足以彌補散失的熱量，無法維持燃燒爆炸。民用氣中加入了臭味劑四氫噻酚，具有臭雞蛋氣味，便于發(fā)現(xiàn)和識別泄漏。34CollegeofChemistry&ChemicalEngineering,SWPU2.10爆炸極限二、液化石油氣液化石油氣主要成分為丙烷、丁烷等，通常以液態(tài)儲存在液化氣鋼瓶內(nèi)，爆炸極限為2%～9%。液化石油氣發(fā)生跑漏后危險性最大：在鋼瓶內(nèi)是液態(tài)，一旦流出后會迅速膨脹250倍，瞬間就會充滿現(xiàn)場。比重大，跑漏后不是向上飄散而是沉向地面，聚集在低洼處，不易飄散而且