西南石油大天然氣工程講義第2章 天然氣的物理化學(xué)性質(zhì)

第二章天然氣的物理化學(xué)性質(zhì)

提示

第二、三章是以后各章學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。較全面的天然氣物理化學(xué)性質(zhì)應(yīng)包括：1）物理性質(zhì)，如：分子量、密度和相對(duì)密度、飽和蒸汽壓、粘度、臨界參數(shù)、真實(shí)氣體和理想氣體狀態(tài)方程及氣體偏差系數(shù)、體積系數(shù)、含水量、溶解度和烴露點(diǎn)等；2）相態(tài)性質(zhì)和相平衡計(jì)算；3）熱力學(xué)性質(zhì)如：比熱容、絕熱指數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、汽化潛熱、焓、熵、熱值和爆炸性等。限于篇幅，本章只涉及與滲流、管流和儲(chǔ)存有關(guān)的幾個(gè)參數(shù)。這些參數(shù)的實(shí)驗(yàn)分析與測(cè)定是必不可缺少的手段。國(guó)家技術(shù)監(jiān)督部門認(rèn)可的方法和標(biāo)準(zhǔn)是測(cè)試的依據(jù)。在沒(méi)有實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，那么采用一些經(jīng)驗(yàn)公式是唯一可行的選擇，而且有利于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)編程。第一節(jié)天然氣的組成與分類

一、天然氣的組成天然氣是指自然生成，在一定壓力、溫度下蘊(yùn)藏于地下巖層孔隙或裂縫中的混合氣體，其主要成分為甲烷及少量乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及以上烴類氣體，并可能含有氮、氫、二氧化碳、硫化氫及水蒸汽等非烴類氣體及少量氦、氬等惰性氣體。天然氣中還可能含多硫化氫、以膠溶態(tài)粒子形式存在于氣相中的瀝青質(zhì)，還可能微含水銀。石油工業(yè)范圍內(nèi)，天然氣通常指從氣田采出的氣及油田采油過(guò)程同時(shí)采出的伴生氣（參見國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO14532.2001）。天然氣中常見組分的性質(zhì)見表2-1。為了了解天然氣的組成，可以對(duì)天然氣組分作全分析，目前國(guó)內(nèi)外采用的分析儀器為氣相色譜儀，主要有美國(guó)惠普和日本島津系列氣相色譜儀。表示天然氣組成的方法有三種：1、摩爾組成：這是目前最常用的一種表示方法，常用符號(hào)表示氣中組分i的摩爾組成，其表達(dá)式為

（2-1）

式中

——?dú)饨M分i的摩爾數(shù)；

——?dú)怏w總摩爾數(shù)，n為氣體組分總數(shù)。

表2-1

天然氣主要組分在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的物理化學(xué)性質(zhì)

名稱分子式分子量摩爾體積Vm/(m3/kmol)氣體常數(shù)R/[J/(kg·K)]密度ρc/(kg/m3)臨界溫度Tc(K)臨界壓力Pc

c/MPa高熱值Hh(MJ/m3)高熱值Hh(MJ/kg)低熱值H1/(MJ/m3)低熱值H1/(MJ/kg)爆炸極限(體積分?jǐn)?shù))/%動(dòng)力粘度μ×106/Pa·s運(yùn)動(dòng)粘度ν×106/m2/s沸點(diǎn)/℃定壓比熱容cp/[kJ/(m3·k)]絕熱指數(shù)K導(dǎo)熱系數(shù)λ/[W/(m·K)]偏心因子下限上限甲烷CH416.04322.362518.750.7174190.584.54439.84255.36735.90650.0505.015.010.6014.50-161.491.5451.3090.030240.0104乙烷C2H630.07022.187276.641.3553305.424.81670.35151.90864.39747.5152.913.08.776.41-88.602.24411980.018610.0986丙烷C3H844.09721.936188.652.0102369.824.194101.26650.37693.24046.3832.19.57.653.81-42.052.9601.1610.015120.1524正丁烷n-C4H1058.12421.504143.132.7030425.183.747133.88649.532123.64945.7451.58.56.972.53-.503.7101.1440.013490.2010異丁烷i-C4H1058.12421.598143.132.6912408.143.600133.04849.438122.85345.6501.88.5——-11.72—1.144—0.1848正戊烷C5H1272.15120.891115.273.453746.9653.325169.37749.042156.73345.3811.48.36.481.8536.06—1.121—0.2539氫H22.01622.427412.670.089833.251.28012.745141.92610.786120.1114.075.98.5293.0-252.751.2981.4070.21630.0000氧O231.99922.392259.971.4289154.334.971——————19.8613.60-182.981.3151.4000.02500.0213氮N223.01322.403296.951.2507125.913.349——————17.0013.30-195.781.3021.4020.02490.0400氦He3.01622.420281.170.13453.350.118————————-269.95—1.64(19℃)——二氧化碳CO244.01022.260189.041.9768304.257.290——————14.307.09-78.20(升華)1.6201.3040.013720.2250硫化氫H2S34.07622.180244.171.5392373.558.89025.36416.48823.38315.1924.345.511.907.63-60.201.5571.3200.013140.1000空氣

28.06622.400287.241.2931132.403.725——————17.5013.40-192.501.3061.4010.02489—水蒸氣H2O18.01521.629461.760.8330.863321.830——————8.6010.12—1.4911.3350.016170.3480

①

0℃，101.325kPa；②MJ，106J(焦)③引自文[1]。

2、體積組成：也常用符號(hào)表示

（2-2）

式中

Vi——?dú)饨M分i的體積；

——?dú)怏w總體積。當(dāng)考慮天然氣滿足阿佛加德羅定律（體積相同、壓力溫度條件相同的各種氣體具相同數(shù)量分子，1g物質(zhì)的分子數(shù)6.02×1023）時(shí)，天然氣中任何組分的體積組成在數(shù)值上等于該組分的摩爾組成。1kg摩爾氣體在=0.101325MPa、=273k、=1下的體積均22.4m3/kmol，克摩爾氣體為22.4cm3/gmol。3、質(zhì)量組成：即為各組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，用符號(hào)wi表示

（2-3）

式中

mi——?dú)饨M分i的質(zhì)量；

——?dú)怏w總質(zhì)量。因?yàn)?，故將質(zhì)量組成換算為摩爾組成，可利用下式

（2-4）

式中：Mi——?dú)饨M分i的分子量。二、天然氣的分類按組分劃分：干氣、濕氣、凝析氣；烴類氣，非烴類氣；貧氣、富氣。按來(lái)源劃分：有機(jī)和無(wú)機(jī)來(lái)源氣。按有機(jī)母質(zhì)類型分：腐植型氣（煤型氣）、腐泥型氣（油型氣）、腐泥腐植型氣（陸源有機(jī)氣）。按有機(jī)演化階段分：生物氣、生物-熱催化過(guò)渡帶氣、熱介氣（熱催化、熱裂介）、高溫?zé)崃呀闅狻０瓷鷥?chǔ)蓋組合劃分：自生自儲(chǔ)、古生新儲(chǔ)和新生古儲(chǔ)等類型。按相態(tài)劃分（物質(zhì)氣、液、固三態(tài)及其相互的轉(zhuǎn)換稱相態(tài)）：游離氣、溶解氣、吸附氣、固體氣（天然氣水合物）。天然氣凝液（NGL）系從氣田氣、油田伴生氣、凝析氣田氣中通過(guò)冷凝而回收得到的烴類液體，即，國(guó)內(nèi)從原油角度將NGL稱輕烴。它包括三部分：乙烷、液化石油氣（C3+C4，

LPG）和穩(wěn)定輕烴（，也稱穩(wěn)定凝析油、輕油、天然汽油）。天然氣的分類方法很多，現(xiàn)根據(jù)氣藏工程需要，簡(jiǎn)要作以下介紹1、按烴類組分關(guān)系分類（1）干氣在地層中呈氣態(tài)，采出后在一般地面設(shè)備和管線中不析出液態(tài)烴的天然氣。按C5界定法是指1標(biāo)方井口流出物中C5以上液烴含量低于13.5cm3的天然氣。（2）濕氣在地層中呈氣態(tài)，采出后在一般地面設(shè)備的溫度、壓力下即有液態(tài)烴析出的天然氣。按C5界定法是指在1標(biāo)方井口流出物中C5以上烴液含量高于13.5c

m3的天然氣。（3）貧氣丙烷及以上烴類含量少于100c

m3/m3的天然氣。（4）富氣丙烷及以上烴類含量大于100c

m3/m3的天然氣。2、天然氣按礦藏特點(diǎn)分類（1）純氣藏天然氣在開采的任何階段，礦藏流體在地層中呈氣態(tài)，但隨成分的不同，采到地面后，在分離器或管系中可能有部分液態(tài)烴析出。（2）凝析氣藏天然氣礦藏流體在地層原始狀態(tài)下呈氣態(tài)，但開采到一定階段，隨地層壓力下降，流體狀態(tài)跨過(guò)露點(diǎn)線進(jìn)入相態(tài)反凝析區(qū)，部分烴類在地層中即呈液態(tài)析出。（3）油田伴生天然氣在地層中與原油共存（溶解氣和氣頂氣），采油過(guò)程中與原油同時(shí)被采出，經(jīng)油、氣分離后所得的天然氣。3、按硫化氫、二氧化碳含量分類酸性天然氣。指含有顯著量的硫化氫甚至有可能含有有機(jī)硫化合物、氧化碳，需經(jīng)處理才能達(dá)到管輸商品氣氣質(zhì)要求的天然氣（參見文[1-2]）。第二節(jié)

天然氣的分子量、相對(duì)密度、密度和比容

對(duì)于已知化學(xué)分子式的純物質(zhì)，可根據(jù)分子式得知其分子量（又稱摩爾質(zhì)量）。但天然氣是多組分組成的混合物氣體，不可能寫出一個(gè)分子式，也就不能象純物質(zhì)那樣由分子式算出其恒定分子量。天然氣的分子量在數(shù)值上等于在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1摩爾天然氣的質(zhì)量。顯然，天然氣的分子量是一種人們假想的分子量，故稱為視分子量。同時(shí)，由于天然氣的分子量隨組成的不同而變化，沒(méi)有一個(gè)恒定的數(shù)值，因此又稱為“平均分子量”。通常，多將上述數(shù)值簡(jiǎn)稱為天然氣的分子量。一、天然氣分子量分子量計(jì)算常用的方法是當(dāng)已知天然氣中各組分i的摩爾組成和分子量后，天然氣的分子量按加合法則可由下式求得

（2-5）

式中

——天然氣分子量，克摩爾或公斤摩爾（g/gmol，kg/kmol）；

——天然氣各組分的摩爾組成；

——組分i的分子量。二、天然氣密度天然氣的密度定義為單位體積天然氣的質(zhì)量。在理想條件下，可用下式表示

（2-6）

式中

——?dú)怏w密度，kg/

m3；

m——?dú)怏w質(zhì)量，kg；

V——?dú)怏w體積，m3；

P——絕對(duì)壓力，MPa；

T——絕對(duì)溫度，K；

M——?dú)怏w分子量，kg/kmol；

R——?dú)怏w常數(shù)，0.008471。對(duì)于理想氣體混合物，用混合氣體的視相對(duì)分子質(zhì)量代替單組分氣體的相對(duì)分子質(zhì)量M，得到混合氣體的密度方程

（2-7）

三、天然氣相對(duì)密度天然氣相對(duì)密度定義為：在相同溫度、壓力下，天然氣的密度與空氣密度之比。相對(duì)密度是一無(wú)因次量，常用符號(hào)表示。則

（2-8）

式中

——天然氣密度

——空氣密度。因?yàn)榭諝獾姆肿恿繛?8.96故

（2-9）

一般天然氣的相對(duì)密度在0.5—0.7之間，個(gè)別含重?zé)N多的油田氣或其它非烴類組分多的天然氣相對(duì)密度可能大于1。假設(shè)，混合氣和空氣的性質(zhì)都可用理想氣體方程描述，則可用下列關(guān)系式表示天然氣相對(duì)密度

（2-10）

式中

——天然氣相對(duì)密度；

——空氣密度；

——空氣視分子質(zhì)量；

——天然氣視分子質(zhì)量。四、天然氣的比容天然氣的比容定義為天然氣單位質(zhì)量所占據(jù)的體積，在理想條件下，可寫成：

（2-11）

式中

υ——比容，m3/kg。例2-1

由下表所列的理想氣體性質(zhì)，求在6.89MPa和311.1K條件下，1）視分子質(zhì)量；2）氣體相對(duì)密度；3）氣體密度；4）氣體比容組

分摩爾分?jǐn)?shù)相對(duì)分子質(zhì)量視相對(duì)分子質(zhì)量.C10.7516.0412.030C20.0730.072.105C30.0544.102.205C40.0458.122.325C50.0472.152.886C60.0386.182.585C70.02100.212.004

解：1）2）應(yīng)用方程（1-9）求

應(yīng)用方程（2-7）求氣體密度

kg/m3

應(yīng)用方程（2-11）求比容

m3/kg

對(duì)于真實(shí)氣體，可應(yīng)用氣體偏差系數(shù)Z修正因氣體壓力，溫度和組分的影響，用真實(shí)氣體定律結(jié)合相對(duì)分子質(zhì)量，可得出真實(shí)氣體密度的關(guān)系式

（2-12）

（2-13）

第三節(jié)

天然氣的偏差系數(shù)

一、理想氣體和真實(shí)氣體狀態(tài)方程氣體狀態(tài)方程廣泛應(yīng)用于天然氣工程中，它是描述一定質(zhì)量氣體的壓力、絕對(duì)溫度和氣體體積之間的關(guān)系。若假設(shè)氣體分子間無(wú)作用力、分子體積與總體積相比小到可忽略不計(jì)，以及分子間、分子與容器間碰撞完全是彈性碰撞而無(wú)內(nèi)能損耗，那么可以得到理想氣體狀態(tài)方程，，它主要用于低壓條件，天然氣工程中主要涉及高壓條件下的實(shí)際氣體，描述實(shí)際氣體的狀態(tài)方程很多，第三章中還要涉及，而其中最簡(jiǎn)單、應(yīng)用最廣泛的是下列方程（1kmol實(shí)際氣體的狀態(tài)方程）：

（2-14）

式中

P——?dú)怏w絕對(duì)壓力，MPa；T——?dú)怏w絕對(duì)溫度，k；——1kmol氣體體積，m3/kmol；Z——?dú)怏w偏差系數(shù)；R——?dú)怏w通用常數(shù)