第二章 石油天然气化学-1

4 天然气的其它性质
5 含水量与气体水合物
Department of Chemical Engineering, School of Chemistry and Chemical Engineering
4
第四页，编辑于星期一：点 十六分。
2.1.1 天然气的基本性质
燃烧 天然气和O2在达到一定浓度及一定温度下可以燃烧，燃烧产物主
Copyright © 2006-2012 Department of Chemical Engineering, All Rights Reserved.
第一页，编辑于星期一：点 十六分。
主要内容
1 天然气性质与烃水体系 2 石油的化学组成 3 气液相平衡基础 4 石油产品性质及使用要求
Department of Chemical Engineering, School of Chemistry and Chemical Engineering
2021年10月8日
Department of Chemical Engineering, School of Chemistry and Chemical Engineering
16
第十六页，编辑于星期一：点 十六分。
2.1.3 天然气的液化特性
燃烧特性
✓ 燃烧范围：5%~15%（V），即低于5%和高于15%都不会燃烧； ✓ 自燃温度：400～550℃
的混合。
当LNG泄漏到水中会产生强烈的对流传热，在一定面积内蒸发速度不变，随泄漏面
积增大，直到气体蒸发量等于漏出液体所能产生的气体量为止。
2021年10月8日
Department of Chemical Engineering, School of Chemistry and Chemical Engineering
2021年10月8日
Department of Chemical Engineering, School of Chemistry and Chemical Engineering
12
第十二页，编辑于星期一：点 十六分。
2021年10月8日
2.1.2 天然气的压缩特性
S-K经验图
左图主要用于估算洁气的Z。 含有非烃时，需校正视临界参数：
18
第十八页，编辑于星期一：点 十六分。
2.1.4 天然气的其它性质
天然气分子量
定义
在标准状态下，1mol天然气的质量，单位kg/kmol或g/mol表示。
计算公式
n
M g yiM i
i 1
式中，yi——组分i的摩尔分数；
Mi——组分i的相对分子质量；
Mg——天然气的视分子量。
天然气视分子量随组成不同而不同，通常为16.82～17.98。
15
第十五页，编辑于星期一：点 十六分。
2.1.3 天然气的液化特性
温度低、液态与气态密度比大
✓ 在大气压力下，LNG沸点都在-162℃左右。 ✓ 1体积LNG的密度约是1体积天然气的600倍，即1体积LNG可转化为600体积的气
体。
可燃性
✓ 一般环境条件下，天然气和空气混合的云团中，天然气含量在5%~15%（体积） 范围内可以引起着火，其最低可燃下限（LEL）为4%。
要是H2O和CO2，当O2不足时，燃烧会产生CO。 CH4＋2O2＝CO2＋2H2O
甲烷的理论燃烧温度为1970℃，最大燃烧速度为0.38m/s。 1Nm3天然气燃烧需要2Nm3氧气（即需要约10Nm3空气）。
因此从安全角度讲，使用天然气的厨房需要良好通风；卫生间内 安装旧式的直排式热水器是相当危险的。
天然气的爆炸极限为 5%～15%。 - 爆炸下限：可引起燃烧的可燃气体组分的最低浓度，%。 - 爆炸上限：可引起燃烧的可燃气体组分的最高浓度，%。 当可燃气体浓度低于下限或高于上限时，则混合物是安全的。
为保证使用安全，城市燃气内添加臭剂，臭剂量15~20mg/Nm3，保证天然 气在空气中浓度达到1%时即可闻到。
T'pc =Tpc -0.556ε
P'pc
=
Tpc
PpcT'pc +0.556B(1-B)ε
ε=120(A0.9 -A1.6 )+15(B0.5 -B4 )
式中，A——天然气中H2S和CO2的摩尔
分率之和；
B——天然气中H2S的摩尔分率。
Department of Chemical Engineering, School of Chemistry and Chemical Engineering
天然气2 0.51 1.26 0.82 83.57 7.54 3.26 0.87 0.91 0.38 0.33 0.55
凝液 0.00 0.47 0.00 82.13 6.37 4.09 0.50 1.85 0.55 0.67 3.37
商品气 0.35 0.68 0.00 94.20 3.25 1.05 0.25 0.22 0.00 0.00 0.00
p＜6.65kPa(50mmHg)时，天然气与空气的混合物不可燃； p＞101.325kPa时，随p的↗，爆炸上限也显著↗。
2021年10月8日
Department of Chemical Engineering, School of Chemistry and Chemical Engineering
7
第七页，编辑于星期一：点 十六分。
2.1.1 天然气的基本性质
液化石油气（LPG） LPG主要成分为丙烷、丁烷等，通常以液态储存在液化气钢瓶内，
爆炸极限为 2%～9%。 液化石油气发生跑漏后危险性最大：
在钢瓶内呈液态，一旦流出，体积会迅速膨胀 250倍，瞬间就会充满现场。 比重大，跑漏后不是向上飘散而是沉向地面，聚集在低洼处，不易 飘散而且爆炸极限低。
2.1.2 天然气的压缩特性
天然气压缩因子 反映气体真实体积与理想气体之间的偏差，符号Z。
定义
Z
在某p和T下，1mol气体的实际体积 在相同p和T下，1mol气体的理想气体体积
Vactual Videal
理想气体方程
pVideal nRT
实际气体方程
pVactual nRT Z
pVactual ZnRT
Department of Chemical Engineering, School of Chemistry and Chemical Engineering
3
第三页，编辑于星期一：点 十六分。
2.1 天然气性质与烃水体系
2021年10月8日
1 天然气燃烧特性
2 天然气的压缩特性
3 天然气的液化特性
- 高热值（总热值）：天然气在15℃、101.3kPa下，完全燃烧时水以液态形式存
在所放出的热量。
- 低热值（净热值）：天然气在15℃、101.3kPa下，完全燃烧水以气态形式存 在所放出的热量。
- 干热值：若天然气不含水汽，完全燃烧产生的热值。 - 饱和热值：若天然气被水饱和，完全燃烧产生的热值。
纯甲烷的自燃温度约为595℃，LNG的自燃温度随着组份的变化而变化。 ✓ 闪点：-104～-80℃之间 ✓ 燃烧速度：火焰在空气-燃气的混合物中的传递速度。
天然气的燃烧速度较低，其最高燃烧速度约0.37m/s。 ✓ LNG热值为26.5～36kJ/m3，而纯甲烷的热值为30.74kJ/m3。
2021年10月8日
温下不开裂，耐火性好，机械强度高等。
✓ 蒸发特性：LNG作为沸腾液体储存在绝热储罐中，外界任何传入的热量都会引起一
定量液体蒸发成气体，即蒸发气（BOG）。
当LNG压力降到沸点压力以下时，将有一定量的液体蒸发成为气体，同时液 体温度也随之降低到其在该压力下的沸点，即LNG闪蒸。 ✓ 泄露特性：泄漏的LNG以喷射形式进入大气，并进行膨胀和蒸发，与空气进行剧烈
2021年10月8日
Department of Chemical Engineering, School of Chemistry and Chemi六分。
2.1.1 天然气的基本性质
天然气热值 ➢ 定义 单位体积天然气完全燃烧时产生的热量，单位kJ/m3。 ➢ 表示方式
2021年10月8日
Department of Chemical Engineering, School of Chemistry and Chemical Engineering
6
第六页，编辑于星期一：点 十六分。
2.1.1 天然气的基本性质
压力和爆炸极限的关系
低于101.325kPa时
高于101.325kPa时
2021年10月8日
Department of Chemical Engineering, School of Chemistry and Chemical Engineering
5
第五页，编辑于星期一：点 十六分。
2.1.1 天然气的基本性质
爆炸
天然气与空气混合时，遇明火或高温物体，甚至开关电灯时所产生的电火 花，都可能引起密闭空间发生爆炸。
Department of Chemical Engineering, School of Chemistry and Chemical Engineering
17
第十七页，编辑于星期一：点 十六分。
2.1.3 天然气的液化特性
低温特性
✓ 隔热保冷：LNG系统的保冷隔热材料应满足导热系数低，吸水率小，抗冻性强，并在低
2021年10月8日
Department of Chemical Engineering, School of Chemistry and Chemical Engineering
14
第十四页，编辑于星期一：点 十六分。
2.1.3 天然气的液化特性
典型的LNG组成
2021年10月8日
Department of Chemical Engineering, School of Chemistry and Chemical Engineering
2021年10月8日
Department of Chemical Engineering, School of Chemistry and Chemical Engineering
10
第十页，编辑于星期一：点 十六分。
2.1.2 天然气的压缩特性
天然气具有可压缩性，可压缩程度与天然气温度、压力有关。 压缩天然气（CNG）：
压缩天然气是指压缩到20.7～24.8 MPa的天然气，储存在车载高 压气瓶中。
相当于受到255kgf/cm2。
2021年10月8日
Department of Chemical Engineering, School of Chemistry and Chemical Engineering
11
第十一页，编辑于星期一：点 十六分。
2021年10月8日
Department of Chemical Engineering, School of Chemistry and Chemical Engineering
19
第十九页，编辑于星期一：点 十六分。
2.1.4 天然气的其它性质
天然气密度（density） 在规定状态下，单位体积天然气的质量，单位kg/m3或g/L。 理想气体：
13
第十三页，编辑于星期一：点 十六分。
2.1.3 天然气的液化特性
当天然气在101.3kPa下，冷却至约-162℃时，由气态→液态， 称为液化天然气（Liquefied Natural Gas，缩写为LNG）。
LNG生产过程：
天然气经“三脱”（脱水、脱重烃、脱酸性气体）
后冷却而成的低温液体。 LNG的体积仅为液化前的1/625。
2
第二页，编辑于星期一：点 十六分。
2.1 天然气的基本性质
天然气由烃类（烷烃为主，其中又以甲烷为主）、非烃类组成， 典型的天然气组成如下表：
2021年10月8日
组分
N2 CO2 H2S C1 C2 C3 i-C4 n-C4 i-C5 n-C5 C6+
天然气1 4.85 0.24 0.00 83.74 5.68 3.47 0.30 1.01 0.18 0.19 0.34
2021年10月8日
Department of Chemical Engineering, School of Chemistry and Chemical Engineering
9
第九页，编辑于星期一：点 十六分。
2.1.1 天然气的基本性质
各种燃料的热值： - 天然气的热值：≥34MJ/m3 - 标准煤的热值：29.31MJ/kg - 1度电的发热量：3.6MJ - 汽油的热值：10313kcal/kg - 柴油的热值：11014kcal/kg