天然氣的物理化學(xué)性質(zhì)1第一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日第一節(jié)天然氣的組成

一、天然氣的特點與組成天然氣廣義指自然界的一切氣體，狹義則指采自地層的可燃氣體。石油工業(yè)中稱采自氣田或凝析氣田的可燃氣體為天然氣，又稱氣田氣；在油田中與石油一起開采出來的可燃氣體稱為石油伴生氣或油田伴生氣。2第二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

天然氣是一種多組分的混合氣體，主要成分為烷烴，其中CH4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H2S、CO2、N2和水蒸氣，以及微量的惰性氣體，如氦（He）和氬（Ar）等。在標準狀況（0℃，101325Pa）下，甲烷至丁烷（C1～C4）以氣體狀態(tài)存在，戊烷以上為液態(tài)。3第三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日氣田氣特點：甲烷含量特別多，占90％以上。油田伴生氣特點：含乙烷和乙烷以上的烴類較多。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)地的氣體也因時期不同略有差異。4第四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日二、混合氣體組成的表示方法

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。混合物的組成可用體積分數(shù)、摩爾分數(shù)、質(zhì)量分數(shù)或它們的百分數(shù)來表示。5第五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日1.容積分數(shù)和摩爾分數(shù)如果混合物中各組分的體積為V1、V2、V3……，它們之和為總體積V。其中某一組分

i的分體積為Vi，則其體積分數(shù)

(1-1)6第六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日根據(jù)定義可知，混合物所有組分的體積分數(shù)之和為1，即同理，可以定義摩爾分數(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：（1-2）7第七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日混合物所有組分的摩爾分數(shù)之和亦為1從混合氣體分壓定律知道，i組分的分壓為pi時，則存在

piV=niRMT(RM—通用氣體常數(shù)）對整個氣體混合物，有

pV=nRMT8第八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日上兩式相除得由上式可見，任一組分的摩爾分數(shù)也可以用該組分的分壓與混合物總壓的比值表示。

（1-3）9第九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日由混合氣體的分體積定律可以得到分體積Vi為混合物的總體積V為兩式相除得

（1-4）10第十頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日式(1-4)說明理想氣體混合物的體積分數(shù)和摩爾分數(shù)相等。后面我們不再區(qū)分兩者，都用表示。11第十一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日2.質(zhì)量分數(shù)和氣體混合物的相對分子質(zhì)量混合物總質(zhì)量為m，等于各組分質(zhì)量之和。其中i組分的質(zhì)量為mi，則其質(zhì)量分數(shù)為同理（1-5）12第十二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日對于質(zhì)量為mi，分體積為Vi，千摩爾質(zhì)量為Mi的氣體，同理，對于混合物的總體有兩式相除得

13第十三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日由于任何物質(zhì)的千摩爾質(zhì)量，在數(shù)值上都等于它的相對分子質(zhì)量，故上式可寫作由上式得所以

（1－6）（1-7）氣體混合物的相對分子質(zhì)量氣體混合物中i組分的相對分子質(zhì)量14第十四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

式（1-7）表明：氣體混合物的相對分子質(zhì)量（又稱視相對分子質(zhì)量）等于各組分的相對分子質(zhì)量與其摩爾分數(shù)乘積之和。注意：上述關(guān)系只對理想氣體成立，在高壓下這些組分的相互關(guān)系不能用式（1-4）、（1-6）來計算。15第十五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日第二節(jié)氣體的狀態(tài)方程式氣體狀態(tài)方程：描述氣體壓力、比體積（比容）和溫度之間相互關(guān)系的方程。把壓力、比體積和溫度這三者之間的關(guān)系稱之為“PVT特性”。16第十六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日一、理想氣體狀態(tài)方程理想氣體：

理想氣體又稱“完全氣體”，是一種假想的氣體，認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際氣體性質(zhì)加以簡化的氣體。人們把假想的，在任何情況下都嚴格遵守氣體三定律的氣體稱為理想氣體。即遵守玻意耳（Boyle）定律、蓋—呂薩克（GayLussac）和查理（Charles）定律。17第十七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

一切實際氣體并不嚴格遵循這些定律，只有在溫度較高，壓力不大時，偏離才不顯著。所以一般可認為溫度不低于0℃，壓強不高于1.01×105Pa時的氣體為理想氣體。當實際氣體的狀態(tài)變化規(guī)律與理想氣體比較接近時，在計算中常把它看成是理想氣體。這樣，可使問題大為簡化而不會發(fā)生大的偏差。

18第十八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日理想氣體狀態(tài)方程式為：對1kg氣體pv=RT（1-8）對1kmol氣體pvM=RMT（1-8a）對mkg或nmol氣體pV=mRT=nRMT（1-8b)R—每千克氣體的氣體常數(shù)

RM—每千摩氣體的氣體常數(shù)

V—m千克或n千摩氣體的體積19第十九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日RM是每千摩氣體的氣體常數(shù)，對于各種氣體有一個共同的數(shù)值，又稱通用氣體常數(shù)。

由于在標態(tài)（T0＝273.15K，p0＝101325Pa）下，各種氣體的千摩爾體積理論上均相等，且VM0=22.414m3/kmol，所以kJ/(kmol·K)20第二十頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日氣體常數(shù)R與通用氣體常數(shù)RM的關(guān)系為

M—1千摩爾氣體的質(zhì)量，kg/kmol,其數(shù)值等于氣體的相對分子量μR—單位為kJ/（kg·K)（1-9）21第二十一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

實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，即密度足夠小的情況下，例如在常溫低壓下，CH4分子本身體積小，分子間距大，分子間引力小，因而其PVT特性接近理想氣體的規(guī)律。思考22第二十二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日在輸氣干線中壓力高達幾個甚至幾十個兆帕（106Pa）時，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Z來表示真實氣體與理想氣體PVT特性的差別。其狀態(tài)方程寫作對1kg氣體：

pv＝ZRT（1-10）23第二十三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

設(shè)理想氣體的比體積為，在相同的壓力和溫度條件下

上式表明，壓縮因子Z即真實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)。在數(shù)值上其值大小與氣體的組成和狀態(tài)有關(guān)，工程上常用圖1-1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對比態(tài)原理而制作的。

24第二十四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

圖1-1通用壓縮因子圖25第二十五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日對比態(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)，范德瓦爾斯（VanDerWeals）選取臨界點為參考點，以臨界性質(zhì)為對比基礎(chǔ)，這時流體的溫度、壓力和比容分別用對比參數(shù)值來表示。物質(zhì)的參數(shù)與同名臨界參數(shù)的比值稱為對比參數(shù)：；；（1-21）26第二十六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日范德瓦爾斯1837年11月23日生于荷蘭的萊頓，于1880年發(fā)表了第二項重大發(fā)現(xiàn)，當時他稱之為“對應(yīng)態(tài)定律”。這個定律指出：如果壓強表示成臨界壓強的單調(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。27第二十七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

pr、Tr、vr分別為對比壓力、對比溫度、對比容積。對比參數(shù)都是無因次量。將具有相同對比壓力和對比溫度的不同物質(zhì)的狀態(tài)稱為對應(yīng)狀態(tài)。實驗證明：處于對應(yīng)狀態(tài)的各種流體具有相同的對比容積，這就是對應(yīng)態(tài)定律。其數(shù)學(xué)表達式為

F(pr、Tr、vr)=0（1-22）

28第二十八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

F(pr、Tr、vr)=0（1-22）

式（1-22）是用對比參數(shù)表達的狀態(tài)方程式，其中不包括與物質(zhì)種類有關(guān)的參數(shù)，因而它對各種物質(zhì)是通用的。29第二十九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日由（1-10）式

Zc為臨界狀態(tài)時的壓縮因子，兩式相除得

；30第三十頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日按對應(yīng)態(tài)定律，上式中的pr、Tr和vr只有兩個獨立變量，因此可寫為

Z=f（pr、Tr、Zc）（1-23）實際上大多數(shù)物質(zhì)Zc的數(shù)值變化不大，在0.23～0.31左右，因而可近似認為是一常數(shù)，故式（1-23）簡化為

Z＝f（pr，Tr）（1-24）上式說明各種物質(zhì)對應(yīng)態(tài)的壓縮因子相等，可根據(jù)對比參數(shù)用圖解或計算的方法求得壓縮因子Z。31第三十一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日32第三十二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

從圖1-1可以看出，對于所有的等溫線，壓力趨于零時，Z都趨于1（接近理想氣體）。在臨界點附近（pr≈1，Tr≈1），Z值都遠小于1，說明這些氣體偏離理想氣體很遠。當壓力超過臨界壓力10倍（pr≥10時），所有的Z值都大于1。Z＜1可解釋為分子間的吸引力影響占有優(yōu)勢，Z＞1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，但上述特點是一致的，它反映了物質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)的相似性。33第三十三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日求氣體混合物的壓縮因子時，還要知道它的視臨界參數(shù)：視臨界壓力pcm和視臨界溫度Tcm，確定它們最簡便的方法是使用凱（Kay）法則。即pcm=∑yi·pci;Tcm=∑yi·Tci（1-25）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0.5＜

＜2的條件。34第三十四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日混合氣體中，任意二組分之間臨界壓力相差超過20％時，為了提高精度，視臨界壓力可用下式計算：

式中Zci、vci為組分的臨界壓縮因子和臨界比體積，RM為通用氣體常數(shù)。(1-26)35第三十五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日例題1-1求運行的輸氣管的氣體體積（工程標準狀態(tài)：p＝101325Pa，T＝293.15K）已知輸氣管長125km，內(nèi)徑700mm，平均壓力為44.13×105Pa，溫度為5℃，氣體的容積分數(shù)是：甲烷97.5％，乙烷0.2％，丙烷0.2％，氮1.6％，二氧化碳0.5％。36第三十六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日解：1.求氣體的視臨界參數(shù)pcm＝∑yipci＝44.85×105PaTcm＝∑yiTci＝191.16K2.求對比態(tài)參數(shù)pr＝＝0.984Tr＝＝1.4553.查圖1-1得Z＝0.894.求氣體體積輸氣管容積V1＝×0.72×125000=48081.25m337第三十七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

pV0＝ZmRT0p1V1＝Z1mRT1V0＝＝2479784m3＝注：Z＝138第三十八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日通用圖給計算帶來了方便，但其精度不高。由于現(xiàn)代計算技術(shù)的發(fā)展，選用適合于天然氣的狀態(tài)方程，用計算機求解可得到精度較高的結(jié)果。例如根據(jù)BWRS方程可以求解Z的方程式為Z＝1＋（1-34）39第三十九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日工業(yè)上還用一些經(jīng)驗公式來計算氣體的壓縮因子：

1.全蘇氣體研究所公式對干燥天然氣Z＝（1-30a）對脫去輕油的石油伴生氣Z＝（1-30b）式中T—氣體溫度，K;P—氣體平均壓力，105Pa。40第四十頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日2.美國加利福尼亞天然汽油協(xié)會（CNGA）公式

Z＝（1-31）該式適用于氣體的相對密度△*=0.55~0.7，

p＝0～68.94×105Pa，T＝272.2～333.3K的天然氣。41第四十一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日范德瓦爾斯方程丹麥物理學(xué)家VanDerWaals（VDW）范德瓦爾斯于1873年提出的用于真實氣體的狀態(tài)方程：42第四十二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日第三節(jié)天然氣的物性及其計算一、氣體的密度定義：單位體積氣體的質(zhì)量稱為密度。注：氣體的體積和壓力與溫度有關(guān)，說明密度時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)，通常就是指標準狀況下的參數(shù)。43第四十三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日1千摩氣體的質(zhì)量為M，體積為VM，所以氣體的密度又可寫為1千摩氣體的質(zhì)量M（千克）的值就是它的分子量μ，理想氣體的VM＝22.414m3/kmol，所以對于理想氣體

（1－29）（1－30）44第四十四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日對氣體混合物，密度可寫為

（1－31）45第四十五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日氣體密度的倒數(shù)稱為比容

v＝比容的定義：單位質(zhì)量氣體的容積，單位為m3/kg。它也是溫度、壓力的函數(shù)。相對密度：同一溫度、壓力下氣體的密度與干空氣的密度之比?！?=(1-32)46第四十六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日根據(jù)得式中ρa、Ma、Vma和μa分別為空氣的密度、千摩爾質(zhì)量、千摩爾體積和分子量。近似計算中可以認為Vma＝VM，則

（1-33）（1-34）47第四十七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日空氣的分子量為一常數(shù)，μa

＝28.966，故混合氣體的相對密度可由下式求得

（1-35）（1-36）天然氣的相對密度一般為0.58～0.62，石油伴生氣為0.7～0.8548第四十八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日二、天然氣的粘度氣體和液體一樣，在運動時都表現(xiàn)出一種叫做粘度或內(nèi)摩擦的性質(zhì)。牛頓內(nèi)摩擦定律：流體兩層之間的摩擦力F與垂直于流體流動方向的速度梯度、接觸面積成正比，即

（1-36）49第四十九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日式中F——內(nèi)摩擦力，N；A——流層間的接觸面積，m2；——速度梯度，1/s；

η——與流體種類有關(guān)的比例系數(shù)，叫做動力粘滯系數(shù)，簡稱動力粘度，Pa·s。50第五十頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日內(nèi)摩擦力除以接觸面積得切應(yīng)力

★由上式可看出，動力粘度的物理意義是：速度梯度為1時，單位面積上的內(nèi)摩擦力。動力粘度的單位為Pa·s，1Pa·s=103cP。

（1-40）51第五十一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日氣體動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：當兩層氣體有相對運動時，氣體的分子之間不僅具有與運動方向一致的相對移動而造成的內(nèi)摩擦，而且由于氣體分子無秩序的熱運動，兩層氣體分子之間可以互相擴散和交換。當流動速度較快的氣層分子跑到流速較慢的一層里面去時，這些具有較大動能的氣體分子，將使較慢的氣層產(chǎn)生加速作用，反之，流動速度較慢的氣層的分子跑進較快的氣層里時，則對氣層產(chǎn)生一種阻滯氣層運動的作用，結(jié)果兩層氣體之間就產(chǎn)生了內(nèi)摩擦。52第五十二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日溫度升高，氣體的無秩序熱運動增強，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，溫度對粘度的影響，也越來越接近于液體。53第五十三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

表1-8為甲烷在不同壓力、溫度下的動力粘度。從表中可以看出：氣體的粘度隨壓力增高而增高。在低壓時，氣體粘度隨溫度升高而增加，隨著壓力的增加，溫度升高對粘度增大的影響越來越小，當壓力很高時（100×105Pa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)。54第五十四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日絕對壓力，105帕0℃25℃75℃1.0131.0271.1081.26020.2651.0681.1351.29060.7951.2201.2601.355101.3251.4201.3701.455151.9881.7951.6801.635202.6502.1651.9901.810303.9762.8002.5102.230405.3013.3603.0052.620607.9513.8903.330表1-8甲烷的動力粘度高壓低壓55第五十五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日低壓時，可根據(jù)下式來估計溫度對動力粘度的影響，（1－41）

——在溫度T0＝273.15K時的動力粘度m——經(jīng)驗指數(shù)，見表1-1056第五十六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日甲烷乙烷丙烷丁烷戊烷一氧化碳二氧化碳氮氦0.760.90.920.970.990.6950.820.680.68表1-10指數(shù)m的值57第五十七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日運動粘度：為動力粘度與密度的比值，單位為m2/s（1-47）三、天然氣的濕度1.濕天然氣：天然氣與水蒸氣的混合氣體2.絕對濕度：每立方米濕天然氣中所含有的水蒸氣量。單位為kg/m3或g/m3。58第五十八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日根據(jù)氣體分壓定律得絕對濕度

（1-76）59第五十九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日式中Wa——天然氣的絕對濕度，kg/m3；

m——氣體中所含的水蒸氣量，kg；

V——濕氣的體積，m3；

μ——水蒸氣的分子量，μ＝18；

p——濕氣中的水蒸氣分壓，Pa；

RM——通用氣體常數(shù)，RM＝8314J/(kmol·K）；

T——氣體的溫度，K。60第六十頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日將μ=18×10-3kg/mol，RM=8314J/kmol代入（1-76）得（1-77）61第六十一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日3.飽和時的絕對濕度

天然氣中水分較少時，水分以過熱蒸氣狀態(tài)存在。當水分逐漸增多，在一定溫度下，水分只能增加至某一個最大值，即天然氣已被水蒸氣所飽和，氣體中的水蒸氣分壓也達到該溫度下的最大值——飽和蒸氣壓。62第六十二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日飽和時的絕對濕度由于水的飽和蒸氣壓是溫度的函數(shù)，所以飽和時的絕對濕度Wa0也只隨溫度而變化。（1-78）63第六十三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日4.相對濕度定義：濕天然氣的實際絕對濕度與同溫度下飽和時的絕對濕度之比。定義式：（1-79a）64第六十四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日當氣體飽和時，由得（1-79b）即：相對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。65第六十五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日未飽和的濕天然氣，在一定壓力下冷卻時，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壓就逐步接近水的飽和蒸氣壓。當降低某一溫度時，p＝p0，＝1，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露點。66第六十六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日含水量：濕天然氣中，單位體積干氣所含的水蒸氣量，單位：kg/m3或g/m3。若有1m3濕天然氣，其中：干氣含量為wg，干氣體積為Vg，水蒸氣含量為ww。67第六十七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日含水量

…①…②…③（1-80）聯(lián)立①②③得含水量公式68第六十八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日以上公式中：W——天然氣的含水量，kg/m3V——濕天然氣體積，m3；Vg——干天然氣體積，m3；Wg——干天然氣的質(zhì)量，kg；Ww——水蒸氣的質(zhì)量，kg；

——水的分子量；——干天然氣的分子量；P——濕氣的總壓力，Pa；P0——水的飽和蒸氣壓，Pa；——天然氣的相對濕度；——干天然氣的密度，kg/m3注意參數(shù)的單位哦69第六十九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日由于天然氣的密度在標準狀況下ρg=μg/22.414kg/m3，若W的單位取g/m3,則氣體飽和時，＝1，故氣體飽和時的含水量（1-81）（1-82）★式中p0僅僅是溫度的單值函數(shù)。若不考慮實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)。相同壓力、溫度下，飽和含水量是一樣的。70第七十頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

實際上，由于氣體組成不同，與理想氣體偏差不同，當壓力較大時，就必須使用圖1-4的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。該圖表示了天然氣（按標準狀態(tài)計算體積）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（1-82）的計算值。壓力愈高、溫度愈低，與理想氣體偏差愈大。很明顯，在同樣條件下，含有重烴較多的天然氣的飽和含水量要大于含重烴較少的天然氣。圖1-4只能作一般估算使用。71第七十一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日★天然氣脫水：在高壓低溫下脫水最有利。72第七十二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日第四節(jié)氣體的熱物性及其計算1.氣體的比熱容和絕熱指數(shù)

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dQ對由此引起的溫度變化dt之比。單位是

kJ/（kg·K）。

(1-89)73第七十三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

對于氣體通常要研究兩種情況，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。因此可定義兩種不同的比熱，即定壓比熱cp和定容比熱cv。

cp>cv，這是因為在等壓狀態(tài)下加給系統(tǒng)的部分熱量要消耗于氣體膨脹。對于理想氣體來說，這兩種比熱之差等于氣體常數(shù)R，即

cp-cv=R74第七十四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

對于真實氣體來說cp-cv≠R。注意75第七十五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日氣體混合物在低壓下的定壓比熱為：式中

——氣體混合物低壓下的定壓比熱，J/（mol·K）；

——組分i的摩爾分數(shù)；

——組分i低壓下的定壓比熱，J/（mol·K）(1-91)76第七十六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日計算低壓下的定壓比熱也可用下述擬和方程：式中——氣體低壓下的定壓比熱，J/（mol·K）；

T——氣體的溫度，K。式（1－92）中的B，C，D，E，F(xiàn)為計算常數(shù)，不同氣體的各常數(shù)值見表1-18（教材P59）。(1-92)77第七十七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日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：這一關(guān)系對單一組分或氣體混合物都適用。可由圖1-8查得。比熱和摩爾比熱的單位換算公式為

(1-93)78第七十八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日79第七十九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日例題1-2求甲烷在T＝133.735K，p=4.04×105Pa下的定壓比熱。甲烷的相對分子質(zhì)量μ＝16.043解：1.由公式（1-92）求80第八十頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日2.求對比參數(shù)：查表1-4知：Tc=191.05K，Pc=46.41×105Pa

（教材P20）

由圖1-8查得81第八十一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日求cp在高壓下真實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(1-95)82第八十二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日高壓下定壓比熱與定容比熱之差為(1-80)83第八十三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日在低壓下作熱力計算時，通常所用的氣體絕熱指數(shù)在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，只能稱為定壓、定容比熱比，而不能稱為絕熱指數(shù)。(1-81)84第八十四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日由絕熱過程中PVT三者關(guān)系，如或或?qū)ι鲜鰞墒饺?shù)并求微分，經(jīng)熱力學(xué)推導(dǎo)得到(1-82)(1-83)85第八十五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日對上述兩式取對數(shù)并求微分，經(jīng)熱力學(xué)推導(dǎo)得到(1-84)(1-85)86第八十六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日2.熱值熱值：每m3或每kg天然氣燃燒所發(fā)出的熱量稱為天然氣的熱值。高熱值：燃燒生成的水全部冷凝為液體，此時測定的熱值。低熱值：燃燒生成的水保持氣相，此時測定的熱值稱為低熱值或凈熱值。注：高、低熱值二者相差一個汽化潛熱，約差7～10％，可用熱值測定儀測天然氣熱值。87第八十七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日各燃料熱值的粗略范圍：氣田氣：32～42MJ/m3伴生氣：36～67MJ/m3（重組分多）城市煤氣：13～14MJ/m388第八十八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日四、氣體的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)λ是在溫差1K時，每秒通過面積為1m2、厚度為1m物料層的熱量。熱量的單位是J。因此λ的單位為J/(m·s·K），即W/(m·K)。89第八十九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日λ的計算方法(低壓、高壓)詳見教材。在輸氣管壓力下（75atm以下），導(dǎo)熱系數(shù)隨壓力的變化甚小，可以按照低壓下的計算公式（1-55）~（1-57）求解。90第九十頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日1.低壓氣體的導(dǎo)熱系數(shù)

低壓單組分氣體的導(dǎo)熱系數(shù)可用Misic和Thodos基于量綱分析而提出的經(jīng)驗公式計算。對于甲烷、環(huán)烷烴、芳香烴，在Tr<1時(1-55)91第九十一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日對于其它碳氫化合物，及其它的對比溫度范圍上兩式中(1-56)(1-57)92第九十二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日式中：

λ——低壓氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K）；Tc——臨界溫度，K；pc——臨界壓力，105帕；μ——分子量；Tr——對比溫度；cp——定壓比熱，J/(kg·K）93第九十三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日2.溫度對低壓氣體導(dǎo)熱系數(shù)的影響

以T0＝273.15K時的導(dǎo)熱系數(shù)λ來計算其它溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，此時

λ——溫度T時的導(dǎo)熱系數(shù)；n——指數(shù)，見表1-12；

λ0——溫度T0時的導(dǎo)熱系數(shù).94第九十四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日3.壓力對氣體導(dǎo)熱系數(shù)的影響低壓和中壓下，壓力對氣體導(dǎo)熱系數(shù)的影響較小，但在高壓下氣體導(dǎo)熱系數(shù)是隨壓力而增加的，可依對比密度ρr不同，按下式公式計算：ρr<0.5時0.5<ρr<2.0時2.0<ρr<2.8時（1-60）（1-59）（1-61）95第九十五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日4.低壓氣體混合物的導(dǎo)熱系數(shù)1）Ribblett公式

此經(jīng)驗公式適用于一般常見氣體及碳氫化合物，平均誤差為3％左右，最大誤差達7.6％，對單原子氣體（Ar、He、Ne、Kr等），特別對氦不適用。（1-62）96第九十六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日2）簡化預(yù)計公式（1-63）（1-64）（1-65）97第九十七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日式（1－64）至式（1－68）中的符號意義同式（1－62），簡化預(yù)計公式計算比較費事，但精確度較高。平均誤差為2.7％。對于含有強極性氣體，如氨、水蒸氣的混合物，誤差在4～5％。(1-67)(1-68)98第九十八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日5.溫度和壓力對氣體混合物導(dǎo)熱系數(shù)的影響1）溫度影響Ulybin經(jīng)驗公式：用已知的組分i在T1、T2溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)λi（T1）、λi（T2）和T1溫度下混合物的導(dǎo)熱系數(shù)λm（T1）來計算T2溫度下的混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)λm（T2）、。此式對于輕氣體混合物尤其適合。（1-65）99第九十九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日2）壓力影響可以使用混合氣體的視臨界參數(shù)代入計算純氣體高壓導(dǎo)熱系數(shù)公式（1－59）、（1－60）和（1－63）來計算高壓混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)。但此時的視臨界參數(shù)要根據(jù)下面的規(guī)則確定，即(1-70)(1-71)(1-72)(1-73)100第一百頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日3.爆炸性（可燃性極限）

天然氣和空氣混合，當天然氣濃度在一定范圍內(nèi)時，遇明火就會發(fā)生燃燒和爆炸。燃燒時，燃燒波的傳播速度較慢，約0.3～2.4m/s，而爆炸時，會迅即產(chǎn)生高壓高溫，波速達到1000～3000m/s，對管線和容器的破壞力很大。天然氣產(chǎn)生爆炸的濃度范圍為5～15％，隨溫度、壓力升高，爆炸濃度的上限提高，爆炸范圍擴大。101第一百零一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日102第一百零二頁，共一百一十一頁，2022年