1、1第一章第一章 天然氣的物理化學(xué)性質(zhì)天然氣的物理化學(xué)性質(zhì)2第一節(jié)第一節(jié) 天然氣的組成天然氣的組成 一、天然氣的特點(diǎn)與組成一、天然氣的特點(diǎn)與組成 天然氣廣義指自然界的一切氣體，狹義則指采自地層天然氣廣義指自然界的一切氣體，狹義則指采自地層的可燃?xì)怏w。的可燃?xì)怏w。 石油工業(yè)中稱采自氣田或凝析氣田的可燃?xì)怏w為天然石油工業(yè)中稱采自氣田或凝析氣田的可燃?xì)怏w為天然氣，又稱氣，又稱氣田氣氣田氣；在油田中與石油一起開采出來的可燃；在油田中與石油一起開采出來的可燃?xì)怏w稱為石油伴生氣或氣體稱為石油伴生氣或油田伴生氣油田伴生氣。3n 天然氣是一種多組分的混合氣體，主要成分為烷烴，天然氣是一種多組分的混合氣體，主要成

2、分為烷烴，其中其中CH4占絕大多數(shù)，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此占絕大多數(shù)，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般還含有外一般還含有H2S、CO2、N2和水蒸氣，以及微量的惰性和水蒸氣，以及微量的惰性氣體，如氦（氣體，如氦（He）和氬（）和氬（Ar）等。在標(biāo)準(zhǔn)狀況（）等。在標(biāo)準(zhǔn)狀況（0，101325Pa）下，甲烷至丁烷（）下，甲烷至丁烷（C1C4）以氣體狀態(tài)存在，）以氣體狀態(tài)存在，戊烷以上為液態(tài)。戊烷以上為液態(tài)。4n氣田氣氣田氣特點(diǎn)：甲烷含量特別多，占特點(diǎn)：甲烷含量特別多，占90以上。以上。n油田伴生氣油田伴生氣特點(diǎn)：含乙烷和乙烷以上的烴類較多。特點(diǎn)：含乙烷和乙烷以上的烴類較多。n就組成而言，

3、不但各氣田、油田的氣體組成相差就組成而言，不但各氣田、油田的氣體組成相差較大，即使同一產(chǎn)地的氣體也因時(shí)期不同略有差較大，即使同一產(chǎn)地的氣體也因時(shí)期不同略有差異。異。5二、混合氣體組成的表示方法二、混合氣體組成的表示方法n 天然氣是一種氣體混合物，要了解它的天然氣是一種氣體混合物，要了解它的性質(zhì)，必須知道各組分性質(zhì)間的關(guān)系?；煨再|(zhì)，必須知道各組分性質(zhì)間的關(guān)系。混合物的組成可用體積分?jǐn)?shù)、摩爾分?jǐn)?shù)、質(zhì)合物的組成可用體積分?jǐn)?shù)、摩爾分?jǐn)?shù)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)或它們的百分?jǐn)?shù)來表示。量分?jǐn)?shù)或它們的百分?jǐn)?shù)來表示。61.容積分?jǐn)?shù)和摩爾分?jǐn)?shù)容積分?jǐn)?shù)和摩爾分?jǐn)?shù)n如果混合物中各組分的體積為如果混合物中各組分的體積為V1、V2、V

4、3，它們之和為總體積，它們之和為總體積V。其中某一組分。其中某一組分 i的分體積為的分體積為Vi，則其體積分?jǐn)?shù)，則其體積分?jǐn)?shù) iiiVVVViy(1-1)7n根據(jù)定義可知，混合物所有組分的體積分?jǐn)?shù)之和為1，即n同理，可以定義摩爾分?jǐn)?shù)，它是i組分的物質(zhì)的量ni與混合物總物質(zhì)的量n的比值：1iyiiinnnniy（1-2）8n混合物所有組分的摩爾分?jǐn)?shù)之和亦為混合物所有組分的摩爾分?jǐn)?shù)之和亦為1n從從混合氣體分壓定律混合氣體分壓定律知道，知道，i組分的分壓為組分的分壓為pi時(shí)，則存在時(shí)，則存在 piV = niRMT (RM 通用氣體常數(shù)）通用氣體常數(shù)）n對(duì)整個(gè)氣體混合物，有對(duì)整個(gè)氣體混合物，有 pV

5、 = nRMT1iy9n上兩式相除得上兩式相除得n由上式可見，任一組分的摩爾分?jǐn)?shù)也可以用該組分的分壓由上式可見，任一組分的摩爾分?jǐn)?shù)也可以用該組分的分壓與混合物總壓的比值表示。與混合物總壓的比值表示。 Ppnniiiy（1-3）10n由混合氣體的分體積定律可以得到分體積由混合氣體的分體積定律可以得到分體積Vi為為n混合物的總體積混合物的總體積V為為n兩式相除得兩式相除得 pTRnVMiipTnRVMiiiynnVV（1-4）11n式式(1-4)(1-4)說明理想氣體混合物的體積分說明理想氣體混合物的體積分?jǐn)?shù)和摩爾分?jǐn)?shù)相等。后面我們不再區(qū)分?jǐn)?shù)和摩爾分?jǐn)?shù)相等。后面我們不再區(qū)分兩者，都用兩者，都用 表

6、示。表示。iy122.質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氣體混合物的相對(duì)分子質(zhì)量質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氣體混合物的相對(duì)分子質(zhì)量n混合物總質(zhì)量為混合物總質(zhì)量為m，等于各組分質(zhì)量之和。其中，等于各組分質(zhì)量之和。其中i組組分的質(zhì)量為分的質(zhì)量為mi，則其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為，則其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為n同理同理iiiimmmmx（1-5）1ix13n對(duì)于質(zhì)量為對(duì)于質(zhì)量為mi，分體積為，分體積為Vi，千摩爾質(zhì)量為，千摩爾質(zhì)量為Mi的氣體，的氣體，n同理，對(duì)于混合物的總體有同理，對(duì)于混合物的總體有n兩式相除得兩式相除得 TRMmpVMiiiTRMmVpMiiiiiiiMMmmVV14n由于任何物質(zhì)的千摩爾質(zhì)量，在數(shù)值上都等于它的相對(duì)分子由于任何物質(zhì)的千摩爾質(zhì)量，

7、在數(shù)值上都等于它的相對(duì)分子質(zhì)量，故上式可寫作質(zhì)量，故上式可寫作n由上式得由上式得 所以所以 iiixy（16）11iiiiiyyxiiy（1-7）氣體混合物的相對(duì)分子質(zhì)量氣體混合物中i組分的相對(duì)分子質(zhì)量15 式（式（1-7）表明：氣體混合物的相對(duì)分子質(zhì)量（又稱）表明：氣體混合物的相對(duì)分子質(zhì)量（又稱視相對(duì)分子質(zhì)量）等于各組分的相對(duì)分子質(zhì)量與其摩視相對(duì)分子質(zhì)量）等于各組分的相對(duì)分子質(zhì)量與其摩爾分?jǐn)?shù)乘積之和。爾分?jǐn)?shù)乘積之和。 注意：注意：上述關(guān)系只對(duì)理想氣體成立，在高壓下這些組上述關(guān)系只對(duì)理想氣體成立，在高壓下這些組分的相互關(guān)系不能用式（分的相互關(guān)系不能用式（1-4）、（）、（1-6）來計(jì)算。）來計(jì)

8、算。iiiynnVViiixy16第二節(jié) 氣體的狀態(tài)方程式n氣體狀態(tài)方程：氣體狀態(tài)方程： 描述氣體壓力、比體積（比容）和溫度之間描述氣體壓力、比體積（比容）和溫度之間相互關(guān)系的方程。相互關(guān)系的方程。 把壓力、比體積和溫度這三者之間的關(guān)系稱把壓力、比體積和溫度這三者之間的關(guān)系稱之為之為“PVT特性特性”。17一、理想氣體狀態(tài)方程n理想氣體： 理想氣體又稱理想氣體又稱“完全氣體完全氣體”， 是一種假想的氣體，認(rèn)是一種假想的氣體，認(rèn)為它的分子本身不占體積，分子之間沒有吸引力。為它的分子本身不占體積，分子之間沒有吸引力。理想氣體是理論上假想的一種把實(shí)際氣體性質(zhì)加以簡(jiǎn)理想氣體是理論上假想的一種把實(shí)際氣體

9、性質(zhì)加以簡(jiǎn)化的氣體。人們把假想的，在任何情況下都嚴(yán)格遵守氣體化的氣體。人們把假想的，在任何情況下都嚴(yán)格遵守氣體三定律的氣體稱為理想氣體。即遵守玻意耳（三定律的氣體稱為理想氣體。即遵守玻意耳（Boyle）定）定律、蓋律、蓋呂薩克（呂薩克（Gay Lussac）和查理（）和查理（Charles）定律。）定律。18一切實(shí)際氣體并不嚴(yán)格遵循這些定律，只有在溫度較一切實(shí)際氣體并不嚴(yán)格遵循這些定律，只有在溫度較高，壓力不大時(shí)，偏離才不顯著。所以一般可認(rèn)為溫度不高，壓力不大時(shí)，偏離才不顯著。所以一般可認(rèn)為溫度不低于低于0，壓強(qiáng)不高于，壓強(qiáng)不高于1.01105Pa時(shí)的氣體為理想氣體。時(shí)的氣體為理想氣體。當(dāng)實(shí)際

10、氣體的狀態(tài)變化規(guī)律與理想氣體比較接近時(shí)，當(dāng)實(shí)際氣體的狀態(tài)變化規(guī)律與理想氣體比較接近時(shí)，在計(jì)算中常把它看成是理想氣體。這樣，可使問題大為簡(jiǎn)在計(jì)算中常把它看成是理想氣體。這樣，可使問題大為簡(jiǎn)化而不會(huì)發(fā)生大的偏差?；粫?huì)發(fā)生大的偏差。19n理想氣體狀態(tài)方程式為：理想氣體狀態(tài)方程式為： 對(duì)對(duì)1kg氣體氣體 pv = RT （1-8） 對(duì)對(duì)1kmol氣體氣體 pvM = RMT （1-8a） 對(duì)對(duì)m kg或或n mol氣體氣體 pV = mRT= nRMT （1-8b) R每千克氣體的氣體常數(shù)每千克氣體的氣體常數(shù) RM每千摩氣體的氣體常數(shù)每千摩氣體的氣體常數(shù) Vm千克或千克或n千摩氣體的體積千摩氣體的

11、體積20 RM是每千摩氣體的氣體常數(shù)，對(duì)于各種氣體有一個(gè)共同的是每千摩氣體的氣體常數(shù)，對(duì)于各種氣體有一個(gè)共同的數(shù)值，又稱通用氣體常數(shù)。數(shù)值，又稱通用氣體常數(shù)。 由于在標(biāo)態(tài)由于在標(biāo)態(tài)（T0273.15K，p0101325Pa）下，各種氣體下，各種氣體的千摩爾體積理論上均相等，且的千摩爾體積理論上均相等，且VM0=22.414m3/kmol，所以，所以31447. 8100015.273414.22101325000TVPRMMkJ/(kmolK)21n氣體常數(shù)氣體常數(shù)R與通用氣體常數(shù)與通用氣體常數(shù)RM的關(guān)系為的關(guān)系為MRRM M1千摩爾氣體的質(zhì)量，千摩爾氣體的質(zhì)量，kg/kmol, 其數(shù)值等于氣

12、體的其數(shù)值等于氣體的相對(duì)分子量相對(duì)分子量 R單位為單位為kJ/（kgK)（1-9）22n 實(shí)際上沒有一種氣體完全符合理想氣體狀態(tài)方實(shí)際上沒有一種氣體完全符合理想氣體狀態(tài)方程，但在壓力足夠低，溫度足夠高，即密度足夠小程，但在壓力足夠低，溫度足夠高，即密度足夠小的情況下，例如在常溫低壓下，的情況下，例如在常溫低壓下，CH4分子本身體積小，分子本身體積小，分子間距大，分子間引力小，因而其分子間距大，分子間引力小，因而其PVT特性特性接近接近理想氣體的規(guī)律。理想氣體的規(guī)律。思考思考23n在輸氣干線中壓力高達(dá)幾個(gè)甚至幾十個(gè)兆帕（在輸氣干線中壓力高達(dá)幾個(gè)甚至幾十個(gè)兆帕（106Pa）時(shí)，天然氣與理想氣體之間

13、的性質(zhì)差別較大，在工程上時(shí)，天然氣與理想氣體之間的性質(zhì)差別較大，在工程上用壓縮因子用壓縮因子Z來表示真實(shí)氣體與理想氣體來表示真實(shí)氣體與理想氣體PVT特性的差特性的差別。其狀態(tài)方程寫作別。其狀態(tài)方程寫作 對(duì)對(duì)1kg氣體氣體 ： pvZRT （1-10）24n 設(shè)理想氣體的比體積為設(shè)理想氣體的比體積為 ，在相同的壓力和溫度條件下，在相同的壓力和溫度條件下 上式表明，壓縮因子上式表明，壓縮因子Z Z即真實(shí)氣體與理想氣體比體積的比即真實(shí)氣體與理想氣體比體積的比值，是表征這兩種氣體性質(zhì)差異的參數(shù)。值，是表征這兩種氣體性質(zhì)差異的參數(shù)。 在數(shù)值上在數(shù)值上 其值大小與氣體的組成和狀態(tài)有關(guān)，工程上常用其值大小與

14、氣體的組成和狀態(tài)有關(guān)，工程上常用圖圖1-1所所示通用壓縮因子圖查得。該圖是根據(jù)適合于任何一種氣體的示通用壓縮因子圖查得。該圖是根據(jù)適合于任何一種氣體的對(duì)比態(tài)原理而制作的。對(duì)比態(tài)原理而制作的。 vZvRTpvZ v25 圖1-1 通用壓縮因子圖26n對(duì)比態(tài)原理是被廣泛應(yīng)用于推算流體熱力學(xué)性質(zhì)的方法之對(duì)比態(tài)原理是被廣泛應(yīng)用于推算流體熱力學(xué)性質(zhì)的方法之一。由于各種物質(zhì)在臨界狀態(tài)都具有相似的性質(zhì)，一。由于各種物質(zhì)在臨界狀態(tài)都具有相似的性質(zhì)，范德瓦范德瓦爾斯?fàn)査梗╒an Der Weals）選取臨界點(diǎn)為參考點(diǎn)，以臨界性選取臨界點(diǎn)為參考點(diǎn)，以臨界性質(zhì)為對(duì)比基礎(chǔ)，這時(shí)流體的溫度、壓力和比容分別用對(duì)比質(zhì)為對(duì)比

15、基礎(chǔ)，這時(shí)流體的溫度、壓力和比容分別用對(duì)比參數(shù)值來表示。物質(zhì)的參數(shù)與同名臨界參數(shù)的比值稱為對(duì)參數(shù)值來表示。物質(zhì)的參數(shù)與同名臨界參數(shù)的比值稱為對(duì)比參數(shù)：比參數(shù)：crppp crTTT crvvv ；（1-21）27n范德瓦爾斯范德瓦爾斯1837年年11月月23日生于荷蘭的萊日生于荷蘭的萊頓，于頓，于1880年發(fā)表了第二項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)，當(dāng)年發(fā)表了第二項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)他稱之為時(shí)他稱之為“對(duì)應(yīng)態(tài)定律對(duì)應(yīng)態(tài)定律”。這個(gè)定律指。這個(gè)定律指出：如果壓強(qiáng)表示成臨界壓強(qiáng)的單調(diào)函數(shù)，出：如果壓強(qiáng)表示成臨界壓強(qiáng)的單調(diào)函數(shù)，體積表示成臨界體積的單調(diào)函數(shù)，溫度表體積表示成臨界體積的單調(diào)函數(shù)，溫度表示成臨界溫度的單調(diào)函數(shù)，就

16、可得到適用示成臨界溫度的單調(diào)函數(shù)，就可得到適用于所有物質(zhì)的物態(tài)方程的普遍形式。于所有物質(zhì)的物態(tài)方程的普遍形式。28n pr、Tr、vr分別為對(duì)比壓力、對(duì)比溫度、對(duì)比容積。分別為對(duì)比壓力、對(duì)比溫度、對(duì)比容積。對(duì)比參數(shù)都是無因次量。將具有相同對(duì)比壓力和對(duì)比溫對(duì)比參數(shù)都是無因次量。將具有相同對(duì)比壓力和對(duì)比溫度的不同物質(zhì)的狀態(tài)稱為度的不同物質(zhì)的狀態(tài)稱為對(duì)應(yīng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)證明：處于對(duì)。實(shí)驗(yàn)證明：處于對(duì)應(yīng)狀態(tài)的各種流體具有相同的對(duì)比容積，這就是應(yīng)狀態(tài)的各種流體具有相同的對(duì)比容積，這就是對(duì)應(yīng)態(tài)對(duì)應(yīng)態(tài)定律。定律。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 F(pr、Tr、vr)=0 （1-22） 29 F(pr、Tr、

17、vr)=0 （1-22） 式（式（1-22）是用對(duì)比參數(shù)表達(dá)的狀態(tài)方程式，其中）是用對(duì)比參數(shù)表達(dá)的狀態(tài)方程式，其中不包括與物質(zhì)種類有關(guān)的參數(shù)，因而它對(duì)各種物質(zhì)不包括與物質(zhì)種類有關(guān)的參數(shù)，因而它對(duì)各種物質(zhì)是通用的。是通用的。30n由由（1-10）式式 Zc為臨界狀態(tài)時(shí)的壓縮因子，兩式相除得為臨界狀態(tài)時(shí)的壓縮因子，兩式相除得 RTpvZ ccccRTvpZ ；rrrcTvpZZ31按對(duì)應(yīng)態(tài)定律，上式中的按對(duì)應(yīng)態(tài)定律，上式中的pr、Tr和和vr只有兩個(gè)獨(dú)立變只有兩個(gè)獨(dú)立變量，因此可寫為量，因此可寫為 Z=f（pr、Tr、Zc ） （1-23） 實(shí)際上大多數(shù)物質(zhì)實(shí)際上大多數(shù)物質(zhì)Zc的數(shù)值變化不大，在的

18、數(shù)值變化不大，在0.230.31左左右，因而可近似認(rèn)為是一常數(shù)，故式（右，因而可近似認(rèn)為是一常數(shù)，故式（1-23）簡(jiǎn)化為）簡(jiǎn)化為nZf（pr ，Tr） （1-24） 上式說明各種物質(zhì)對(duì)應(yīng)態(tài)的壓縮因子相等，可根據(jù)對(duì)比上式說明各種物質(zhì)對(duì)應(yīng)態(tài)的壓縮因子相等，可根據(jù)對(duì)比參數(shù)用圖解或計(jì)算的方法求得壓縮因子參數(shù)用圖解或計(jì)算的方法求得壓縮因子Z。3233n 從圖從圖1-1可以看出，對(duì)于所有的等溫線，壓力趨于零時(shí)，可以看出，對(duì)于所有的等溫線，壓力趨于零時(shí)，Z都趨于都趨于1（接近理想氣體）。在臨界點(diǎn)附近（接近理想氣體）。在臨界點(diǎn)附近（pr1 ，Tr 1），），Z值都遠(yuǎn)小于值都遠(yuǎn)小于1，說明這些氣體偏離理想氣體很

19、遠(yuǎn)。當(dāng)壓力超，說明這些氣體偏離理想氣體很遠(yuǎn)。當(dāng)壓力超過臨界壓力過臨界壓力10倍（倍（ pr10時(shí)），所有的時(shí)），所有的Z值都大于值都大于1。n Z1可解釋為分子間的吸引力影響占有優(yōu)勢(shì)，可解釋為分子間的吸引力影響占有優(yōu)勢(shì)， Z1則是在則是在高壓下，分子間的間隙已經(jīng)很小，分子本身的體積已經(jīng)影響高壓下，分子間的間隙已經(jīng)很小，分子本身的體積已經(jīng)影響到氣體的壓縮性。不同氣體的壓縮因子雖然不同，但上述特到氣體的壓縮性。不同氣體的壓縮因子雖然不同，但上述特點(diǎn)是一致的，它反映了物質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)的相似性。點(diǎn)是一致的，它反映了物質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)的相似性。34n求氣體混合物的壓縮因子時(shí)，還要知道它的視臨界參數(shù)：求氣體混合

20、物的壓縮因子時(shí)，還要知道它的視臨界參數(shù)：視臨界壓力視臨界壓力pcm和視臨界溫度和視臨界溫度Tcm，確定它們最簡(jiǎn)便的方，確定它們最簡(jiǎn)便的方法是使用凱（法是使用凱（Kay）法則。即）法則。即 pcm=yipci ; Tcm=yiTci （1-25）n 凱法則僅適用于混合氣體中各組分的臨界壓力和臨界比凱法則僅適用于混合氣體中各組分的臨界壓力和臨界比容比較接近，且任意二組分的臨界溫度滿足容比較接近，且任意二組分的臨界溫度滿足0.5 2的條件。的條件。 ccTT35n混合氣體中，任意二組分之間臨界壓力相差超過混合氣體中，任意二組分之間臨界壓力相差超過20時(shí)，時(shí)，為了提高精度，視臨界壓力可用下式計(jì)算：為了

21、提高精度，視臨界壓力可用下式計(jì)算： 式中式中Zci、vci為組分的臨界壓縮因子和臨界比體積，為組分的臨界壓縮因子和臨界比體積，RM為為通用氣體常數(shù)。通用氣體常數(shù)。ciiciiciiiiMcmvyTyZyyRp(1-26)36n例題例題1-1 求運(yùn)行的輸氣管的氣體體積（工程標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：求運(yùn)行的輸氣管的氣體體積（工程標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：p101325Pa，T293.15K）已知輸氣管長(zhǎng)）已知輸氣管長(zhǎng)125km，內(nèi)徑，內(nèi)徑700mm，平均壓力為，平均壓力為44.13105Pa，溫度為，溫度為5，氣體的，氣體的容積分?jǐn)?shù)是：甲烷容積分?jǐn)?shù)是：甲烷97.5，乙烷，乙烷0.2，丙烷，丙烷0.2，氮，氮1.6，二氧化碳，二

22、氧化碳0.5。37n解：解：1.求氣體的視臨界參數(shù)求氣體的視臨界參數(shù)pcmyipci44.85105Pa TcmyiTci 191.16K2. 求對(duì)比態(tài)參數(shù)求對(duì)比態(tài)參數(shù)pr 0.984 Tr 1.4553. 查圖查圖1-1得得 Z0.894. 求氣體體積求氣體體積輸氣管容積輸氣管容積 V1 0.72 125000= 48081.25m385.4413.4416.19115.278438 pV0ZmRT0 p1V1Z1mRT1V011011ZpTZTpV89. 015.27810132515.2931013.4425.4808152479784m3注：Z139n通用圖給計(jì)算帶來了方便，但其精度不

23、高。由于現(xiàn)代計(jì)算技通用圖給計(jì)算帶來了方便，但其精度不高。由于現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，選用適合于天然氣的狀態(tài)方程，用計(jì)算機(jī)求解可術(shù)的發(fā)展，選用適合于天然氣的狀態(tài)方程，用計(jì)算機(jī)求解可得到精度較高的結(jié)果。例如根據(jù)得到精度較高的結(jié)果。例如根據(jù)BWRS方程可以求解方程可以求解Z的方的方程式為程式為Z12232522543exp1RTcTdaRTRTdRTabRTERTDRTCRTAB（1-34）40n工業(yè)上還用一些經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算氣體的壓縮因子：工業(yè)上還用一些經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算氣體的壓縮因子： 1. 全蘇氣體研究所公式全蘇氣體研究所公式 對(duì)干燥天然氣對(duì)干燥天然氣 Z （1-30a） 對(duì)脫去輕油的石油伴生氣對(duì)脫去輕

24、油的石油伴生氣 Z （1-30b） 式中式中T氣體溫度，氣體溫度，K; P氣體平均壓力，氣體平均壓力，105Pa。15. 1117. 0100100p25. 115. 0100100p41n2. 美國(guó)加利福尼亞天然汽油協(xié)會(huì)（美國(guó)加利福尼亞天然汽油協(xié)會(huì)（CNGA）公式）公式 Z （1-31） 該式適用于氣體的相對(duì)密度該式適用于氣體的相對(duì)密度*=0.550.7， p068.94105Pa，T272.2333.3K的天然氣的天然氣 。 825. 3785. 15*1010072. 511Tp42n范德瓦爾斯方程范德瓦爾斯方程n丹麥物理學(xué)家丹麥物理學(xué)家Van Der Waals （VDW）范德瓦爾斯于

25、）范德瓦爾斯于1873年提出的用于真實(shí)氣體的狀態(tài)方程：年提出的用于真實(shí)氣體的狀態(tài)方程：ccccpRTbpTRaabRTp8642722243第三節(jié) 天然氣的物性及其計(jì)算n一、氣體的密度n定義：定義：?jiǎn)挝惑w積氣體的質(zhì)量稱為密度。單位體積氣體的質(zhì)量稱為密度。n注：氣體的體積和壓力與溫度有關(guān)，說明密度時(shí)就必須指注：氣體的體積和壓力與溫度有關(guān)，說明密度時(shí)就必須指明它的壓力、溫度狀態(tài)。如果不指明壓力、溫度狀態(tài)，通明它的壓力、溫度狀態(tài)。如果不指明壓力、溫度狀態(tài)，通常就是指標(biāo)準(zhǔn)狀況下的參數(shù)。常就是指標(biāo)準(zhǔn)狀況下的參數(shù)。),(TPf44n1千摩氣體的質(zhì)量為千摩氣體的質(zhì)量為M，體積為，體積為VM，所以氣體的密度又

26、可，所以氣體的密度又可寫為寫為n1千摩氣體的質(zhì)量千摩氣體的質(zhì)量 M（千克）的值就是它的分子量（千克）的值就是它的分子量，理想，理想氣體的氣體的VM22.414m3/kmol，所以對(duì)于理想氣體，所以對(duì)于理想氣體 MVM（129）414.22（130）45n對(duì)氣體混合物，密度可寫為 MiiiimVyy（131）46n氣體密度的倒數(shù)稱為氣體密度的倒數(shù)稱為比容比容 v n比容的比容的定義定義：?jiǎn)挝毁|(zhì)量氣體的容積，單位為：?jiǎn)挝毁|(zhì)量氣體的容積，單位為m3/kg。它也是。它也是溫度、壓力的函數(shù)。溫度、壓力的函數(shù)。n相對(duì)密度：同一溫度、壓力下氣體的密度與干空氣的密度相對(duì)密度：同一溫度、壓力下氣體的密度與干空氣

27、的密度之比。之比。 *=1a(1-32)47n根據(jù)根據(jù) 得得 式中式中a、Ma、Vma和和a分別為空氣的密度、千摩爾質(zhì)量、千摩分別為空氣的密度、千摩爾質(zhì)量、千摩爾體積和分子量。近似計(jì)算中可以認(rèn)為爾體積和分子量。近似計(jì)算中可以認(rèn)為Vma VM，則，則 MVMMMaaMMaaVVVVMM*（1-33）aaMM*（1-34）48n空氣的分子量為一常數(shù)，空氣的分子量為一常數(shù)， a 28.966，故，故n混合氣體的相對(duì)密度可由下式求得混合氣體的相對(duì)密度可由下式求得 966.28*（1-35）MiiMaaiiamVyVy*（1-36）天然氣的相對(duì)密度一般為天然氣的相對(duì)密度一般為0.580.62，石油伴生氣

28、為，石油伴生氣為0.70.8549二、天然氣的粘度n氣體和液體一樣，在運(yùn)動(dòng)時(shí)都表現(xiàn)出一種叫做粘度或內(nèi)氣體和液體一樣，在運(yùn)動(dòng)時(shí)都表現(xiàn)出一種叫做粘度或內(nèi)摩擦的性質(zhì)。摩擦的性質(zhì)。n牛頓內(nèi)摩擦定律：流體兩層之間的摩擦力牛頓內(nèi)摩擦定律：流體兩層之間的摩擦力F與垂直于流與垂直于流體流動(dòng)方向的速度梯度、接觸面積成正比，即體流動(dòng)方向的速度梯度、接觸面積成正比，即 drdwAF（1-36）50n式中式中 F內(nèi)摩擦力，內(nèi)摩擦力，N； A流層間的接觸面積，流層間的接觸面積，m2； 速度梯度，速度梯度，1/s； 與流體種類有關(guān)的比例系數(shù)，叫做動(dòng)力粘滯系與流體種類有關(guān)的比例系數(shù)，叫做動(dòng)力粘滯系數(shù)，簡(jiǎn)稱動(dòng)力粘度，數(shù)，簡(jiǎn)稱

29、動(dòng)力粘度，Pas。drdw51n內(nèi)摩擦力除以接觸面積得切應(yīng)力內(nèi)摩擦力除以接觸面積得切應(yīng)力 由上式可看出，動(dòng)力粘度的物理意義是：速度梯度為由上式可看出，動(dòng)力粘度的物理意義是：速度梯度為1時(shí)，單位面積上的內(nèi)摩擦力。動(dòng)力粘度的單位為時(shí)，單位面積上的內(nèi)摩擦力。動(dòng)力粘度的單位為Pas，1 Pas=103cP。 drdwAF（1-40）52氣體動(dòng)力粘度定義和表示方法與液體一樣，但形成的內(nèi)摩擦的原因卻不相同：n當(dāng)兩層氣體有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣體的分子之間不僅具有與當(dāng)兩層氣體有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣體的分子之間不僅具有與運(yùn)動(dòng)方向一致的運(yùn)動(dòng)方向一致的相對(duì)移動(dòng)相對(duì)移動(dòng)而造成的內(nèi)摩擦，而且由于氣而造成的內(nèi)摩擦，而且由于氣體分子無

30、秩序的體分子無秩序的熱運(yùn)動(dòng)熱運(yùn)動(dòng)，兩層氣體分子之間可以互相擴(kuò)，兩層氣體分子之間可以互相擴(kuò)散和交換。當(dāng)流動(dòng)速度較快的氣層分子跑到流速較慢的散和交換。當(dāng)流動(dòng)速度較快的氣層分子跑到流速較慢的一層里面去時(shí)，這些具有較大動(dòng)能的氣體分子，將使較一層里面去時(shí)，這些具有較大動(dòng)能的氣體分子，將使較慢的氣層產(chǎn)生加速作用，反之，流動(dòng)速度較慢的氣層的慢的氣層產(chǎn)生加速作用，反之，流動(dòng)速度較慢的氣層的分子跑進(jìn)較快的氣層里時(shí)，則對(duì)氣層產(chǎn)生一種阻滯氣層分子跑進(jìn)較快的氣層里時(shí)，則對(duì)氣層產(chǎn)生一種阻滯氣層運(yùn)動(dòng)的作用，結(jié)果兩層氣體之間就產(chǎn)生了內(nèi)摩擦。運(yùn)動(dòng)的作用，結(jié)果兩層氣體之間就產(chǎn)生了內(nèi)摩擦。53n溫度升高，氣體的無秩序熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，

31、氣層之間的加速和溫度升高，氣體的無秩序熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，氣層之間的加速和阻滯作用跟著增加，內(nèi)摩擦也就增加。所以，氣體的粘度阻滯作用跟著增加，內(nèi)摩擦也就增加。所以，氣體的粘度隨著溫度的升高而加大，與液體的粘度隨溫度升高而降低隨著溫度的升高而加大，與液體的粘度隨溫度升高而降低不同。隨著壓力升高，氣體的性質(zhì)逐漸接近液體，溫度對(duì)不同。隨著壓力升高，氣體的性質(zhì)逐漸接近液體，溫度對(duì)粘度的影響，也越來越接近于液體。粘度的影響，也越來越接近于液體。54n 表表1-8為甲烷在不同壓力、溫度下的動(dòng)力粘度。從表為甲烷在不同壓力、溫度下的動(dòng)力粘度。從表中可以看出：氣體的粘度隨壓力增高而增高。在低壓時(shí)，中可以看出：氣體的粘度

32、隨壓力增高而增高。在低壓時(shí)，氣體粘度隨溫度升高而增加，隨著壓力的增加，溫度升氣體粘度隨溫度升高而增加，隨著壓力的增加，溫度升高 對(duì) 粘 度 增 大 的 影 響 越 來 越 小 ， 當(dāng) 壓 力 很 高 時(shí)高 對(duì) 粘 度 增 大 的 影 響 越 來 越 小 ， 當(dāng) 壓 力 很 高 時(shí)（100105Pa以上），氣體粘度隨溫度升高而降低，明以上），氣體粘度隨溫度升高而降低，明顯表現(xiàn)出類似于液體的性質(zhì)。顯表現(xiàn)出類似于液體的性質(zhì)。55絕對(duì)壓力，絕對(duì)壓力，105帕帕02575 1.0131.0271.1081.260 20.2651.0681.1351.290 60.7951.2201.2601.35510

33、1.3251.4201.3701.455151.9881.7951.6801.635202.6502.1651.9901.810303.9762.8002.5102.230405.3013.3603.0052.620607.9513.8903.330表1-8 甲烷的動(dòng)力粘度高壓高壓低壓低壓56n低壓時(shí)，可根據(jù)下式來估計(jì)溫度對(duì)動(dòng)力粘度的影響，低壓時(shí)，可根據(jù)下式來估計(jì)溫度對(duì)動(dòng)力粘度的影響，mTT00（141） 在溫度在溫度T0273.15K時(shí)的動(dòng)力粘度時(shí)的動(dòng)力粘度 m經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，見經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，見表表1-10057甲烷甲烷乙乙烷烷丙烷丙烷 丁烷丁烷 戊烷戊烷一氧一氧化碳化碳二氧二氧化碳化碳氮氮氦氦0.7

34、60.90.920.970.990.6950.820.680.68表1-10 指數(shù)m的值58n運(yùn)動(dòng)粘度：為動(dòng)力粘度與密度的比值，單位為運(yùn)動(dòng)粘度：為動(dòng)力粘度與密度的比值，單位為m2/s（1-47）三、天然氣的濕度n1. 濕天然氣：天然氣與水蒸氣的混合氣體濕天然氣：天然氣與水蒸氣的混合氣體n2.絕對(duì)濕度：每立方米濕天然氣中所含有的水蒸氣量。絕對(duì)濕度：每立方米濕天然氣中所含有的水蒸氣量。單位為單位為kg/m3或或g/m3。59n根據(jù)氣體分壓定律根據(jù)氣體分壓定律n得絕對(duì)濕度得絕對(duì)濕度 TRmpVMTRpVmWMa（1-76）60n式中 Wa天然氣的絕對(duì)濕度，天然氣的絕對(duì)濕度，kg/m3；n m氣體中所

35、含的水蒸氣量，氣體中所含的水蒸氣量，kg；n V濕氣的體積，濕氣的體積，m3；n 水蒸氣的分子量，水蒸氣的分子量， 18；n p濕氣中的水蒸氣分壓，濕氣中的水蒸氣分壓，Pa；n RM通用氣體常數(shù)，通用氣體常數(shù)，RM8314J/(kmolK）；）；n T氣體的溫度，氣體的溫度，K。TRpVmWMa61n將將=1810-3kg/mol，RM=8314J/kmol代入代入 （1-76）得）得TpWa310165. 2（1-77）623. 飽和時(shí)的絕對(duì)濕度n 天然氣中水分較少時(shí)，水分以過熱蒸氣狀態(tài)存在。當(dāng)天然氣中水分較少時(shí)，水分以過熱蒸氣狀態(tài)存在。當(dāng)水分逐漸增多，在一定溫度下，水分只能增加至某一個(gè)最水

36、分逐漸增多，在一定溫度下，水分只能增加至某一個(gè)最大值，即天然氣已被水蒸氣所飽和，氣體中的水蒸氣分壓大值，即天然氣已被水蒸氣所飽和，氣體中的水蒸氣分壓也達(dá)到該溫度下的最大值也達(dá)到該溫度下的最大值飽和蒸氣壓飽和蒸氣壓。63n飽和時(shí)的絕對(duì)濕度飽和時(shí)的絕對(duì)濕度 由于水的飽和蒸氣壓是溫度的函數(shù)，所以飽和時(shí)的絕由于水的飽和蒸氣壓是溫度的函數(shù)，所以飽和時(shí)的絕對(duì)濕度對(duì)濕度Wa0也也只隨溫度而變化。只隨溫度而變化。TpWa03010165. 2（1-78）644. 相對(duì)濕度n定義：定義： 濕天然氣的實(shí)際絕對(duì)濕度與同溫度下飽和時(shí)的絕對(duì)濕度濕天然氣的實(shí)際絕對(duì)濕度與同溫度下飽和時(shí)的絕對(duì)濕度之比。之比。n定義式：定義式

37、： 0aaWW（1-79a）65n當(dāng)氣體飽和時(shí)，當(dāng)氣體飽和時(shí)， 由由1TpWa310165. 2TpWa03010165. 2得得0pp（1-79b）即：相對(duì)濕度等于氣體中水蒸氣分壓與同溫度下水的飽即：相對(duì)濕度等于氣體中水蒸氣分壓與同溫度下水的飽和蒸氣壓之比。和蒸氣壓之比。66n未飽和的濕天然氣，在一定壓力下冷卻時(shí)，隨著溫度的未飽和的濕天然氣，在一定壓力下冷卻時(shí)，隨著溫度的降低，水的飽和蒸氣壓逐步下降，濕天然氣中的水蒸氣分降低，水的飽和蒸氣壓逐步下降，濕天然氣中的水蒸氣分壓就逐步接近水的飽和蒸氣壓。壓就逐步接近水的飽和蒸氣壓。n當(dāng)降低某一溫度時(shí)，當(dāng)降低某一溫度時(shí)，pp0， 1，濕天然氣處于飽和

38、狀，濕天然氣處于飽和狀態(tài)。如果繼續(xù)降溫，將從氣體中析出水滴。使氣體在一定態(tài)。如果繼續(xù)降溫，將從氣體中析出水滴。使氣體在一定壓力下處于飽和并將析出水滴的溫度稱為氣體在該壓力下壓力下處于飽和并將析出水滴的溫度稱為氣體在該壓力下的的露點(diǎn)露點(diǎn)。67n含水量：含水量：濕天然氣中，單位體積濕天然氣中，單位體積干氣干氣所含的水蒸氣量，所含的水蒸氣量，單位：?jiǎn)挝唬簁g/m3或或g/m3。n若有若有1m3濕天然氣，其中：干氣含量為濕天然氣，其中：干氣含量為wg，干氣體積為干氣體積為Vg，水蒸氣含量為，水蒸氣含量為ww。68n含水量含水量 ggwgggwgwwwVwwwVwWTRwppmwww0TRwpppppm

39、ggwg0ggwpppW00（1-80） 聯(lián)立得含水量公式聯(lián)立得含水量公式69以上公式中：以上公式中：W天然氣的含水量，天然氣的含水量，kg/m3V濕天然氣體積，濕天然氣體積，m3；Vg干天然氣體積，干天然氣體積， m3；Wg干天然氣的質(zhì)量，干天然氣的質(zhì)量，kg；Ww水蒸氣的質(zhì)量，水蒸氣的質(zhì)量，kg； 水的分子量；水的分子量； 干天然氣的分子量；干天然氣的分子量；P濕氣的總壓力，濕氣的總壓力，Pa；P0水的飽和蒸氣壓，水的飽和蒸氣壓，Pa； 天然氣的相對(duì)濕度；天然氣的相對(duì)濕度； 干天然氣的密度，干天然氣的密度，kg/m3wgg注意參數(shù)的單位哦70n由于天然氣的密度在標(biāo)準(zhǔn)狀況下由于天然氣的密度在

40、標(biāo)準(zhǔn)狀況下g=g/22.414kg/m3，若，若W的的單位取單位取g/m3,則則n氣體飽和時(shí)，氣體飽和時(shí)， 1，故氣體飽和時(shí)的含水量，故氣體飽和時(shí)的含水量0000803414.22100018ppppppW（1-81）000803pppW（1-82）式中式中p0僅僅是溫度的單值函數(shù)。若不考慮實(shí)際氣體與理想氣僅僅是溫度的單值函數(shù)。若不考慮實(shí)際氣體與理想氣體的差別，則任何氣體的飽和含水量只是總壓力與溫度的函數(shù)體的差別，則任何氣體的飽和含水量只是總壓力與溫度的函數(shù)。相同壓力、溫度下，飽和含水量是一樣的。相同壓力、溫度下，飽和含水量是一樣的。ggwpppW0071n 實(shí)際上，由于氣體組成不同，與理想氣

41、體偏差不同，當(dāng)實(shí)際上，由于氣體組成不同，與理想氣體偏差不同，當(dāng)壓力較大時(shí)，就必須使用壓力較大時(shí)，就必須使用圖圖1-4的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。該圖表示了天然的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。該圖表示了天然氣（按標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)計(jì)算體積）的飽和含水量與天然氣溫度、壓氣（按標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)計(jì)算體積）的飽和含水量與天然氣溫度、壓力的關(guān)系。該圖的值一般大于公式（力的關(guān)系。該圖的值一般大于公式（1-82）的計(jì)算值。壓力）的計(jì)算值。壓力愈高、溫度愈低，與理想氣體偏差愈大。很明顯，愈高、溫度愈低，與理想氣體偏差愈大。很明顯，在同樣條在同樣條件下，含有重?zé)N較多的天然氣的飽和含水量要大于含重?zé)N較件下，含有重?zé)N較多的天然氣的飽和含水量要大于含重?zé)N較少的天然氣。少的

42、天然氣。圖圖1-4只能作一般估算使用。只能作一般估算使用。72 天然氣脫水：天然氣脫水： 在高壓低溫下在高壓低溫下脫水最有利。脫水最有利。73第四節(jié) 氣體的熱物性及其計(jì)算n1.氣體的比熱容和絕熱指數(shù)氣體的比熱容和絕熱指數(shù) 比熱比熱：是指單位質(zhì)量物質(zhì)的熱容量，或者就我們所討論的：是指單位質(zhì)量物質(zhì)的熱容量，或者就我們所討論的情況而言，比熱是指：在不發(fā)生相變的條件下傳給單位質(zhì)情況而言，比熱是指：在不發(fā)生相變的條件下傳給單位質(zhì)量氣體的熱量量氣體的熱量dQ對(duì)由此引起的溫度變化對(duì)由此引起的溫度變化dt之比。單位是之比。單位是 kJ/（kgK）。）。 dTdQc (1-89)74 對(duì)于氣體通常要研究?jī)煞N情況

43、，一種是在定壓下的對(duì)于氣體通常要研究?jī)煞N情況，一種是在定壓下的溫度變化，另一種是在定容下的溫度變化。因此可定義溫度變化，另一種是在定容下的溫度變化。因此可定義兩種不同的比熱，即定壓比熱兩種不同的比熱，即定壓比熱cp和定容比熱和定容比熱cv。 cpcv，這是因?yàn)樵诘葔籂顟B(tài)下加給系統(tǒng)的部分熱量，這是因?yàn)樵诘葔籂顟B(tài)下加給系統(tǒng)的部分熱量要消耗于氣體膨脹。要消耗于氣體膨脹。對(duì)于理想氣體對(duì)于理想氣體來說，這兩種比熱之來說，這兩種比熱之差等于氣體常數(shù)差等于氣體常數(shù)R，即，即 cp-cv=R75對(duì)于真實(shí)氣體來說對(duì)于真實(shí)氣體來說cp-cvR。注意76n氣體混合物在低壓下的定壓比熱為：氣體混合物在低壓下的定壓比熱

44、為： 式中式中 氣體混合物低壓下的定壓比熱，氣體混合物低壓下的定壓比熱，J/（molK）；）； 組分組分i的摩爾分?jǐn)?shù)；的摩爾分?jǐn)?shù)； 組分組分i低壓下的定壓比熱，低壓下的定壓比熱， J/（molK）00piipcyc(1-91)0pciy0pic77n計(jì)算低壓下的定壓比熱也可用下述擬和方程：計(jì)算低壓下的定壓比熱也可用下述擬和方程： 式中式中 氣體低壓下的定壓比熱，氣體低壓下的定壓比熱， J/（molK）；）； T氣體的溫度，氣體的溫度，K。 式（式（192）中的）中的B，C，D，E，F(xiàn)為計(jì)算常數(shù)，不同氣體的為計(jì)算常數(shù)，不同氣體的各常數(shù)值見表各常數(shù)值見表1-18 （教材（教材P59）。）。4320

45、5432FTETDTCTBcp(1-92)0pc78n在同一溫度下高壓定壓比熱與低壓定壓比熱之間有如下在同一溫度下高壓定壓比熱與低壓定壓比熱之間有如下關(guān)系：關(guān)系：n 這一關(guān)系對(duì)單一組分或氣體混合物都適用。這一關(guān)系對(duì)單一組分或氣體混合物都適用。 可由圖可由圖1-8查得。比熱和摩爾比熱的單位換算公式為查得。比熱和摩爾比熱的單位換算公式為 pppccc0(1-93)pc)/(1)/(1KkgkJKkmolkJ7980n例題例題1-2 求甲烷在求甲烷在T133.735K，p=4.04105Pa下的定壓比下的定壓比熱。甲烷的相對(duì)分子質(zhì)量熱。甲烷的相對(duì)分子質(zhì)量16.043n解：解：1.由公式（由公式（1-

46、92）求）求0pc)/(2737.33)/(07403. 2735.1331049685.855735.133107905.3724735.133104022.573735.1331018007.2223959. 24143112740KkmolkJKkgkJcp812.求對(duì)比參數(shù)：查表求對(duì)比參數(shù)：查表1-4知：知：Tc=191.05K，Pc=46.41105 Pa （教材（教材P20） 由圖由圖1-8查得查得7 . 005.191735.133rT087. 01041.461004. 455rP)/(9)/(9KkmolkJKmolJcp82n求求cpn在高壓下真實(shí)氣體的定容和定壓比熱與理想

47、氣體的值差別很在高壓下真實(shí)氣體的定容和定壓比熱與理想氣體的值差別很大，根據(jù)熱力學(xué)分析，高壓下的定容比熱為大，根據(jù)熱力學(xué)分析，高壓下的定容比熱為2737.4292737.330pppccc2exp2352201262235222504030022020TcTadTdTETDTCcdTTccvvv(1-95)83n高壓下定壓比熱與定容比熱之差為TpvpPTPTcc22(1-80)84n在低壓低壓下作熱力計(jì)算時(shí)，通常所用的氣體絕熱指數(shù)在高壓高壓下求解絕熱過程中的狀態(tài)參數(shù)，需要使用不同狀態(tài)下的狀態(tài)指數(shù)，如溫度絕熱指數(shù) 或容積絕熱指數(shù) 。此時(shí)，只能稱為定壓、定容比熱比比熱比，而不能稱為絕熱指數(shù)。T(1-81)Vvpccvpcc85n由絕熱過程中PVT三者關(guān)系，如 或 或?qū)ι鲜鰞墒饺?duì)數(shù)并求微分，經(jīng)熱力學(xué)推導(dǎo)得到TTppTT11212CTpTT1(1-82)vpp1212Cpv(1-83)86TppTTpTpcp21對(duì)上述兩式取對(duì)數(shù)并求