天然气物理化学性质

海底天然气物理化学性质

第一节海底天然气组成表示法

一、海底天然气组成

海底天然气是由多种可燃和不可燃的气体组成的混合气体。以低分子饱和烃类气体为主，并含有少量非烃类气体。在烃类气体中，甲烷（CH

4

）占绝大部分，

乙烷（C

2H

6

）、丙烷（C

3

H

8

）、丁烷（C

4

H

10

）和戊烷（C

5

H

12

）含量不多，庚烷以上

（C

5+）烷烃含量极少。另外，所含的少量非烃类气体一般有氮气（N

2

）、二氧化

碳（CO

2）、氢气（H

2

）、硫化氢（H

2

S）和水汽（H

2

O）以及微量的惰性气体。

由于海底天然气是多种气态组分不同比例的混合物，所以也像石油那样，其物理性质变化很大，它的主要物理性质见下表。

海底天然气中主要成分的物理化学性质

二、海底天然气容积分数和摩尔分数 定义混合物中各组分的容积为V i ，总容积V ；

摩尔分数y i ：i 组分的摩尔数n i 与混合物总摩尔数n 的比值。

∑==

'i

i i i V V

V V y ； 1='∑i y ；∑==i i i i n n n n y ； 1=∑i y

由分压定律，存在P i V= n i R M T ；P i V=n R M T 由分容定律，存在PV i = n i R M T ；PV=n R M T

p

p n n y i

i i =

=

； i i i i y n n V V y ===' 结论：对于理想气体混合物，任意组分的摩尔分数可以用该组分的分压与混合物总压的比值表示，且摩尔分数与容积分数相等。

三、海底天然气分子量

标准状态下，1kmol 天然气的质量定义为天然气的平均分子量，简称分子量。 ∑=i i M y M 四、海底天然气密度 （1）平均密度

混合气体密度指单位体积混合气体的质量。按下面公式计算： 0℃标准状态 ∑=

i i M y 414

.221

ρ； 20℃标准状态 ∑=

i i M y 055

.241

ρ 任意温度与压力下 i i i i V y M y ∑∑=/ρ （2）相对密度

在标准状态下，气体的密度与干空气的密度之比称为相对密度。 对单组分气体：a ρρ/=∆ a ρ：空气密度，kg/m 3； 在0P =101.325kPa ，0T =273.15K 时；a ρ=1.293 kg/m 3 在0P =101.325kPa ，0T =293.15 K 时；a ρ=1.206 kg/m 3。 对混合气体： ∑∆=∆i i y 五、海底天然气虚拟临界参数和对比参数 （1）临界参数

使气体压缩成液态的极限温度称为该气体的临界温度。当温度等于临界温度时，使气体压缩成液体所需压力称为临界压力，此时状态称为临界状态。

混合气体的虚拟临界参数可按凯（Kay ）法则计算：

∑=ci i c T y T ； ∑=ci i c P y P ； ∑=ci i c y ρρ

适用：各组分的临界压力和临界比容接近（<20%），且任意二组分的临界温度满足0.5< T ci /T cj <2的条件，否则，可能有很大计算误差。

（2）对比参数

海底天然气的压力、温度、密度与其临界压力、临界温度和临界密度之比称为天然气对比压力、对比温度和对比密度。

c r P P P /=； c r T T T /=； c r ρρρ/=；或 c r ννν/=

第二节 天然气气体状态方程

一、理想气体状态方程

PV=RT ；PV M =R M T ；PV=mRT=nR M T

假设：分子是质点没有体积；分子间无作用力。当压力足够低、温度足够高，可近似使用理想气体状态方程。

二、实际气体状态方程 （1）范德瓦耳方程

荷兰物理学家范德瓦耳考虑了分子体积和分子间吸力的影响： (P+a/V 2)（V-b ）＝RT （2）R-K 方程

瑞得里奇-邝（Redlich-Kwong ）方程是在范得瓦尔方程的基础上进行修正，于1949年提出的。解决了实际气体性质定量计算的问题。

)

(5.0b V V T a

b V RT P +--=

（3）SRK 方程

Soave 于1972年在R-K 方程的基础上提出了另外的形式，解决在计算饱和气相密度时精度较差的问题。

)

(b V V a

b V RT P +--=

（4）PR 状态方程

为进一步提高对热力学性质和气液平衡数据预测的准确性，Peng 和Robinson 在Soave 模型基础上于1976年改进，提出PR 状态方程。

)

()(b V b b V V a

b V RT P -++--=

（5）L-E-E 方程是一个多参数状态方程，其形式为：

())

)((b V b V V bc

b V V a b V RT p +-++--=

（6）BWRS 方程

本尼迪科特-韦勃-鲁宾1940年提出了能适应气液两相的8参数BWR 状态方

程，随后由Starling-Han 在关联大量实验数据的基础上，对BWR 方程进行修正，1970年提出了到目前认为用于天然气计算最精确的方程式之一的BWRS 方程。

3

24

0302000)()(ρ

ρρT d a bRT T E T D T C A RT B RT P --+-+-

-+=

)ex p()1()(2223

5γργρρρα-++++T

c T b a

三、带压缩因子的状态方程

Z 压缩因子或压缩系数：表示实际气体与理想气体的差别。

Z 是一个状态参数，通过实验来确定。但对理想气体，在任何状态下都有Z=1。

),(1r r r T P f =ρ c c c c RT P Z ρ=

r r c c

c c r ZT P Z ZRTP P RT Z ==ρ ),,,(r c r r Z T P f Z ρ'= ； ),,(2c r r Z T P f Z =

c Z 在0.23~0.31范围内，化为：),(3r r T P f Z =表达式叫修正的对比态原理。

第三节 海底天然气的物理性质、热力性质和燃烧性质

一、海底天然气物理性质 （一）粘度

1.粘度分为动力粘度和运动粘度。

动力粘度μ，单位Pa ·S ，常用泊（P ）、厘泊（cp ）。1 Pa ·S =10P=1000cP

在常压下混合动力粘度：()

()

∑∑=

i

i

i

i i

i

M y

M y

μμ

在不同温度下的粘度：5

.10273273⎪⎭

⎫

⎝⎛++=T C T C T μμ

2.运动粘度ν，单位m 2

/S ，常用托(St)、厘托（cst ）。1m 2

/S=104

St =106

cst 3.动力粘度与运动粘度的关系为： ν=μ/ρ

（二）湿度 1.海底天然气含水量及水露点

天然气中含水汽多少用湿度或含水量来描述，与压力、温度和组成条件有关。