[自然科学]第一章 天然气的物理化学性质.ppt

自然科学自然科学第一章第一章 天然天然气的物理化学性质气的物理化学性质2第一节第一节 天然气的组成天然气的组成 一、天然气的特点与组成一、天然气的特点与组成 天然气广义指自然界的一切气体，狭义则指采自地层的天然气广义指自然界的一切气体，狭义则指采自地层的可燃气体。可燃气体。 石油工业中称采自气田或凝析气田的可燃气体为天然气，石油工业中称采自气田或凝析气田的可燃气体为天然气，又称又称气田气气田气；在油田中与石油一起开采出来的可燃气体称；在油田中与石油一起开采出来的可燃气体称为石油伴生气或为石油伴生气或油田伴生气油田伴生气。气田气气田气气田气田油田伴生气油田伴生气凝析气田凝析气田天然气天然气3n 天然气是一种多组分的混合气体，主要成分为烷烃，天然气是一种多组分的混合气体，主要成分为烷烃，其中其中CH4占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有外一般还含有H2S、CO2、N2和水蒸气，以及微量的惰性和水蒸气，以及微量的惰性气体，如氦（气体，如氦（He）和氩（）和氩（Ar）等。在标准状况（）等。在标准状况（0，101325Pa）下，甲烷至丁烷（）下，甲烷至丁烷（C1C4）以气体状态存在，）以气体状态存在，戊烷（戊烷（ C5 ）以上为液态。）以上为液态。4n气田气气田气特点：甲烷含量特别多，占特点：甲烷含量特别多，占90以上。以上。n油田伴生气油田伴生气特点：含乙烷和乙烷以上的烃类较多。特点：含乙烷和乙烷以上的烃类较多。n就组成而言，不但各气田、油田的气体组成相差较大，就组成而言，不但各气田、油田的气体组成相差较大，即使同一产地的气体也因时期不同略有差异。即使同一产地的气体也因时期不同略有差异。5二、混合气体组成的表示方法二、混合气体组成的表示方法n 天然气是一种气体混合物，要了解它的天然气是一种气体混合物，要了解它的性质，必须知道各组分性质间的关系。混性质，必须知道各组分性质间的关系。混合物的组成可用体积分数、摩尔分数、质合物的组成可用体积分数、摩尔分数、质量分数或它们的百分数来表示。量分数或它们的百分数来表示。61.体积分数和摩尔分数体积分数和摩尔分数n如果混合物中各组分的体积为如果混合物中各组分的体积为V1、V2、V3，它们之和为总体积，它们之和为总体积V。其中某一组分。其中某一组分 i的分体积为的分体积为Vi，则其体积分数，则其体积分数 iiiVVVViy(1-1)7n根据定义可知，混合物所有组分的体积分数之和为1，即n同理，可以定义摩尔分数，它是i组分的物质的量ni与混合物总物质的量n的比值：1iyiiinnnniy（1-2）8n混合物所有组分的摩尔分数之和亦为混合物所有组分的摩尔分数之和亦为1n从从混合气体分压定律混合气体分压定律知道，知道，i组分的分压为组分的分压为pi时，则存在时，则存在 piV = niRMT (RM 通用气体常数）通用气体常数）n对整个气体混合物，有对整个气体混合物，有 pV = nRMT1iy9n上两式相除得上两式相除得n由上式可见，任一组分的摩尔分数也可以用该组分的分压由上式可见，任一组分的摩尔分数也可以用该组分的分压与混合物总压的比值表示。与混合物总压的比值表示。 Ppnniiiy（1-3）10n由由混合气体的分体积定律混合气体的分体积定律可以得到分体积可以得到分体积Vi为为n混合物的总体积混合物的总体积V为为n两式相除得两式相除得 pTRnVMiipTnRVMiiiynnVV（1-4）11n式式(1-4)(1-4)说明说明理想气体混合物理想气体混合物的体积分的体积分数和摩尔分数相等。后面我们不再区分数和摩尔分数相等。后面我们不再区分两者，都用两者，都用 表示。表示。iy122.质量分数和气体混合物的相对分子质量质量分数和气体混合物的相对分子质量n混合物总质量为混合物总质量为m，等于各组分质量之和。其中，等于各组分质量之和。其中i组组分的质量为分的质量为mi，则其质量分数为，则其质量分数为n同理同理iiiimmmmx（1-5）1ix13n对于质量为对于质量为mi，分体积为，分体积为Vi，千摩尔质量为，千摩尔质量为Mi的气体，的气体，n同理，对于混合物的总体有同理，对于混合物的总体有n两式相除得两式相除得 TRMmpVMiiiTRMmVpMiiiiiiiMMmmVV14n由于任何物质的千摩尔质量，在数值上都等于它的相对分子由于任何物质的千摩尔质量，在数值上都等于它的相对分子质量，故上式可写作质量，故上式可写作n由上式得由上式得 所以所以 iiixy（16）11iiiiiyyxiiy（1-7）气体混合物的相对分子质量气体混合物中i组分的相对分子质量15 式（式（1-7）表明：气体混合物的相对分子质量（又称）表明：气体混合物的相对分子质量（又称视相对分子质量）等于各组分的相对分子质量与其摩视相对分子质量）等于各组分的相对分子质量与其摩尔分数乘积之和。尔分数乘积之和。 注意：注意：上述关系只对理想气体成立，在高压下这些组上述关系只对理想气体成立，在高压下这些组分的相互关系不能用式（分的相互关系不能用式（1-4）、（）、（1-6）来计算。）来计算。iiiynnVViiixy16第二节 气体的状态方程式n气体状态方程：气体状态方程： 描述气体压力、比体积（比容）和温度之间描述气体压力、比体积（比容）和温度之间相互关系的方程。相互关系的方程。 把压力、比体积和温度这三者之间的关系称把压力、比体积和温度这三者之间的关系称之为之为“PVT特性特性”。17一、理想气体状态方程n理想气体： 理想气体又称理想气体又称“完全气体完全气体”， 是一种假想的气体，认是一种假想的气体，认为它的分子本身不占体积，分子之间没有吸引力。为它的分子本身不占体积，分子之间没有吸引力。理想气体是理论上假想的一种把实际气体性质加以简理想气体是理论上假想的一种把实际气体性质加以简化的气体。人们把假想的，在任何情况下都严格遵守气体化的气体。人们把假想的，在任何情况下都严格遵守气体三定律的气体称为理想气体。即遵守玻意耳（三定律的气体称为理想气体。即遵守玻意耳（Boyle）定）定律、盖律、盖吕萨克（吕萨克（Gay Lussac）和查理（）和查理（Charles）定律。）定律。18一切实际气体并不严格遵循这些定律，只有在温度较一切实际气体并不严格遵循这些定律，只有在温度较高，压力不大时，偏离才不显著。所以一般可认为温度不高，压力不大时，偏离才不显著。所以一般可认为温度不低于低于0，压强不高于，压强不高于1.01105Pa时的气体为理想气体。时的气体为理想气体。当实际气体的状态变化规律与理想气体比较接近时，当实际气体的状态变化规律与理想气体比较接近时，在计算中常把它看成是理想气体。这样，可使问题大为简在计算中常把它看成是理想气体。这样，可使问题大为简化而不会发生大的偏差。化而不会发生大的偏差。19n理想气体状态方程式为：理想气体状态方程式为： 对对1kg气体气体 pv = RT （1-8） 对对1kmol气体气体 pvM = RMT （1-8a） 对对m kg或或n kmol气体气体 pV = mRT= nRMT （1-8b) R每千克气体的气体常数每千克气体的气体常数 RM每千摩气体的气体常数每千摩气体的气体常数 Vm千克或千克或n千摩气体的体积千摩气体的体积20 RM是每千摩气体的气体常数，对于各种气体有一个共同的是每千摩气体的气体常数，对于各种气体有一个共同的数值，又称通用气体常数。数值，又称通用气体常数。 由于在标态由于在标态（T0273.15K，p0101325Pa）下，各种气体下，各种气体的千摩尔体积理论上均相等，且的千摩尔体积理论上均相等，且VM0=22.414m3/kmol，所以，所以31447. 8100015.273414.22101325000TVPRMMkJ/(kmolK)21n气体常数气体常数R与通用气体常数与通用气体常数RM的关系为的关系为MRRM M1千摩尔气体的质量，千摩尔气体的质量，kg/kmol, 其数值等于气体的其数值等于气体的相对分子量相对分子量 R单位为单位为kJ/（kgK)（1-9）22n 实际上没有一种气体完全符合理想气体状态方实际上没有一种气体完全符合理想气体状态方程，但在程，但在，即密度足够小，即密度足够小的情况下，例如在常温低压下，的情况下，例如在常温低压下，CH4分子本身体积小，分子本身体积小，分子间距大，分子间引力小，因而其分子间距大，分子间引力小，因而其PVT特性特性接近接近理想气体的规律。理想气体的规律。思考思考23n在输气干线中压力高达几个甚至几十个兆帕（在输气干线中压力高达几个甚至几十个兆帕（106Pa）时，天然气与理想气体之间的性质差别较大，在工程上时，天然气与理想气体之间的性质差别较大，在工程上用压缩因子用压缩因子Z来表示真实气体与理想气体来表示真实气体与理想气体PVT特性的差特性的差别。其状态方程写作别。其状态方程写作 对对1kg气体气体 ： pvZRT （1-10）24气体压缩因子的计算方法气体压缩因子的计算方法1.基于对应态原理的压缩因子计算基于对应态原理的压缩因子计算2.经验公式法经验公式法3.基于状态方程的压缩因子计算基于状态方程的压缩因子计算n4.AGA8-92DC计算模型（计算模型（P35）25基于对应态原理的压缩因子计算n 设理想气体的比体积为设理想气体的比体积为 ，在相同的压力和温度条件下，在相同的压力和温度条件下 上式表明，压缩因子上式表明，压缩因子Z Z即真实气体与理想气体比体积的比即真实气体与理想气体比体积的比值，是表征这两种气体性质差异的参数。值，是表征这两种气体性质差异的参数。 在数值上在数值上 其值大小与气体的组成和状态有关，工程上常用其值大小与气体的组成和状态有关，工程上常用图图1-1所所示通用压缩因子图查得。该图是根据适合于任何一种气体的示通用压缩因子图查得。该图是根据适合于任何一种气体的对应态原理而制作的。对应态原理而制作的。 vZvRTpvZ v26 图1-1 通用压缩因子图27n对应态原理是被广泛应用于推算流体热力学性质的方法之对应态原理是被广泛应用于推算流体热力学性质的方法之一。由于各种物质在临界状态都具有相似的性质，范德瓦一。由于各种物质在临界状态都具有相似的性质，范德瓦尔斯尔斯(Van Der Weals)选取临界点为参考点，以临界性质为选取临界点为参考点，以临界性质为对比基础，这时流体的温度、压力和比体积分别用对比参对比基础，这时流体的温度、压力和比体积分别用对比参数值来表示。物质的参数与同名临界参数的比值称为对比数值来表示。物质的参数与同名临界参数的比值称为对比参数：参数：crppp crTTT crvvv ；（1-21）28n范德瓦尔斯范德瓦尔斯1837年年11月月23日生于荷兰的莱日生于荷兰的莱顿，于顿，于1880年发表了第二项重大发现，当年发表了第二项重大发现，当时他称之为时他称之为“对应态定律对应态定律”。这个定律指。这个定律指出：如果压强表示成临界压强的单调函数，出：如果压强表示成临界压强的单调函数，体积表示成临界体积的单调函数，温度表体积表示成临界体积的单调函数，温度表示成临界温度的单调函数，就可得到适用示成临界温度的单调函数，就可得到适用于所有物质的物态方程的普遍形式。于所有物质的物态方程的普遍形式。29n pr、Tr、vr分别为对比压力、对比温度、对比体积。分别为对比压力、对比温度、对比体积。对比参数都是无因次量。将具有相同对比压力和对比温对比参数都是无因次量。将具有相同对比压力和对比温度的不同物质的状态称为度的不同物质的状态称为对应状态对应状态。实验证明：处于对。实验证明：处于对应状态的各种流体具有相同的对比体积，这就是应状态的各种流体具有相同的对比体积，这就是对应态对应态定律。定律。其数学表达式为其数学表达式为 F(pr、Tr、vr)=0 （1-22） 30 F(pr、Tr、vr)=0 （1-22） 式（式（1-22）是用对比参数表达的状态方程式，其中）是用对比参数表达的状态方程式，其中不包括与物质种类有关的参数，因而它对各种物质不包括与物质种类有关的参数，因而它对各种物质是通用的。是通用的。31n由由（1-10）式式 Zc为临界状态时的压缩因子，两式相除得为临界状态时的压缩因子，两式相除得 RTpvZ ccccRTvpZ ；rrrcTvpZZ32按对应态定律，上式中的按对应态定律，上式中的pr、Tr和和vr只有两个独立变只有两个独立变量，因此可写为量，因此可写为 Z=f（pr、Tr、Zc ） （1-23） 实际上大多数物质实际上大多数物质Zc的数值变化不大，在的数值变化不大，在0.230.31左左右，因而可近似认为是一常数，故式（右，因而可近似认为是一常数，故式（1-23）简化为）简化为nZf（pr ，Tr） （1-24） 上式说明各种物质对应态的压缩因子相等，可根据对比上式说明各种物质对应态的压缩因子相等，可根据对比参数用图解或计算的方法求得压缩因子参数用图解或计算的方法求得压缩因子Z。3334n 从从图图1-1可以看出，对于所有的等温线，压力趋于零时，可以看出，对于所有的等温线，压力趋于零时，Z都趋于都趋于1（接近理想气体）。在临界点附近（接近理想气体）。在临界点附近（pr1 ，Tr 1），），Z值都远小于值都远小于1(ZZc=0.27)，说明这些气体偏离理想气体很，说明这些气体偏离理想气体很远。当压力超过临界压力远。当压力超过临界压力10倍（倍（ pr10时），所有的时），所有的Z值都大值都大于于1。n Z1可解释为分子间的吸引力影响占有优势，可解释为分子间的吸引力影响占有优势， Z1则是在则是在高压下，分子间的间隙已经很小，分子本身的体积已经影响高压下，分子间的间隙已经很小，分子本身的体积已经影响到气体的压缩性。不同气体的压缩因子虽然不同，但上述特到气体的压缩性。不同气体的压缩因子虽然不同，但上述特点是一致的，它反映了物质热力学性质的相似性。点是一致的，它反映了物质热力学性质的相似性。35n求气体混合物的压缩因子时，还要知道它的视临界参数：求气体混合物的压缩因子时，还要知道它的视临界参数：视临界压力视临界压力pcm和视临界温度和视临界温度Tcm，确定它们最简便的方，确定它们最简便的方法是使用凯（法是使用凯（Kay）法则。即）法则。即 pcm=yipci ; Tcm=yiTci （1-25）n 凯法则仅适用于混合气体中各组分的临界压力和临界比凯法则仅适用于混合气体中各组分的临界压力和临界比体积比较接近，且任意二组分的临界温度满足体积比较接近，且任意二组分的临界温度满足0.5 2的条件。的条件。 ccTT36n混合气体中，任意二组分之间临界压力相差超过混合气体中，任意二组分之间临界压力相差超过20时，时，为了提高精度，视临界压力可用下式计算：为了提高精度，视临界压力可用下式计算： 式中式中Zci、vci为组分的临界压缩因子和临界比体积，为组分的临界压缩因子和临界比体积，RM为为通用气体常数。通用气体常数。ciiciiciiiiMcmvyTyZyyRp(1-26)37n例题例题1-1 求运行的输气管的气体体积（工程标准状态：求运行的输气管的气体体积（工程标准状态：p101325Pa，T0293.15K）。已知输气管长）。已知输气管长125km，内，内径径700mm，平均压力为，平均压力为44.13105Pa，温度为，温度为5，气体，气体的体积分数是：甲烷的体积分数是：甲烷97.5，乙烷，乙烷0.2，丙烷，丙烷0.2，氮，氮1.6，二氧化碳，二氧化碳0.5。38n解：解：1.求气体的视临界参数求气体的视临界参数pcmyipci44.85105Pa TcmyiTci 191.16K2. 求对比态参数求对比态参数pr 0.984 Tr 1.4553. 查图查图1-1得得 Z0.894. 求气体体积求气体体积输气管容积输气管容积 V1 0.72 125000= 48081.25m385.4413.4416.19115.278439 pV0ZmRT0 p1V1Z1mRT1V011011ZpTZTpV89. 015.27810132515.2931013.4425.4808152479784m3注：Z140基于状态方程的压缩因子计算基于状态方程的压缩因子计算n通用图给计算带来了方便，但其精度不高。通用图给计算带来了方便，但其精度不高。由于现代计算技由于现代计算技术的发展，选用适合于天然气的状态方程，用计算机求解可术的发展，选用适合于天然气的状态方程，用计算机求解可得到精度较高的结果。例如根据得到精度较高的结果。例如根据BWRS方程可以求解方程可以求解Z的方的方程式为程式为（P28、34）Z1（1-34）223252250403000exp1RTcTdaRTRTdRTabRTERTDRTCRTAB十一参数方程十一参数方程41经验公式法经验公式法n工业上还用一些经验公式来计算气体的压缩因子：工业上还用一些经验公式来计算气体的压缩因子： 1. 全苏气体研究所公式全苏气体研究所公式 对干燥天然气对干燥天然气 Z （1-30a） 对脱去轻油的石油伴生气对脱去轻油的石油伴生气 Z （1-30b） 式中式中T气体温度，气体温度，K; P气体平均压力，气体平均压力，105Pa。15. 1117. 0100100p25. 115. 0100100p42n2. 美国加利福尼亚天然气协会（美国加利福尼亚天然气协会（CNGA）公式）公式 Z （1-31） 该式适用于气体的相对密度该式适用于气体的相对密度*=0.550.7， p068.94105Pa，T272.2333.3K的天然气的天然气 。 825. 3785. 15*1010072. 511Tp43第三节 天然气的物性及其计算n一、气体的密度n定义：定义：单位体积气体的质量称为密度。单位体积气体的质量称为密度。n注：气体的体积与压力和温度有关，说明密度时就必须指注：气体的体积与压力和温度有关，说明密度时就必须指明它的压力、温度状态。如果不指明压力、温度状态，通明它的压力、温度状态。如果不指明压力、温度状态，通常就是指常就是指工程标准状况工程标准状况下的参数。下的参数。),(TPf44n1千摩尔气体的质量为千摩尔气体的质量为M，体积为，体积为VM，所以气体的密度又，所以气体的密度又可写为可写为n1千摩尔气体的质量千摩尔气体的质量 M（单位为千克）的值就是它的相对（单位为千克）的值就是它的相对分子质量分子质量，理想气体的，理想气体的VM22.414m3/kmol，所以对于理，所以对于理想气体想气体 MVM（1-50）414.22（1-51）45n对气体混合物，密度可写为对气体混合物，密度可写为 MiiiimVyy（1-52）46n气体密度的倒数称为气体密度的倒数称为比体积比体积 v n比体积的比体积的定义定义：单位质量气体的体积，单位为：单位质量气体的体积，单位为m3/kg。它也。它也是温度、压力的函数。是温度、压力的函数。n相对密度：同一温度、压力下气体的密度与干空气的密度相对密度：同一温度、压力下气体的密度与干空气的密度之比。之比。 *=1a(1-53)47n根据式（根据式（1-50） 得得 式中式中a、Ma、VMa和和a分别为空气的密度、千摩尔质量、千分别为空气的密度、千摩尔质量、千摩尔体积和分子量。近似计算中可以认为摩尔体积和分子量。近似计算中可以认为VMa VM，则，则 MVMMMaaMMaaVVVVMM*（1-54）aaMM*（1-55）48n空气的相对分子量为一常数，空气的相对分子量为一常数， a 28.966，故，故n混合气体的相对密度可由式（混合气体的相对密度可由式（1-52）、（）、（1-50）求得）求得 966.28*（1-56）MiiMaaiiamVyVy*（1-57）天然气的相对密度一般为天然气的相对密度一般为0.580.62，油田伴生气为，油田伴生气为0.70.8549二、天然气的粘度n气体和液体一样，在运动时都表现出一种叫做粘度或内气体和液体一样，在运动时都表现出一种叫做粘度或内摩擦的性质。摩擦的性质。n牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律：流体两层之间的摩擦力：流体两层之间的摩擦力F与垂直于流与垂直于流体流动方向的速度梯度、接触面积成正比，即体流动方向的速度梯度、接触面积成正比，即 drdwAF（1-60）50n式中式中 F内摩擦力，内摩擦力，N； A流层间的接触面积，流层间的接触面积，m2； 速度梯度，速度梯度，1/s； 与流体种类有关的比例系数，叫做动力粘滞系与流体种类有关的比例系数，叫做动力粘滞系数，简称动力粘度，数，简称动力粘度，Pas。drdw51n内摩擦力除以接触面积得切应力内摩擦力除以接触面积得切应力 由上式可看出，动力粘度的物理意义是：速度梯度为由上式可看出，动力粘度的物理意义是：速度梯度为1时，单位面积上的内摩擦力。动力粘度的单位为时，单位面积上的内摩擦力。动力粘度的单位为Pas，1 Pas=103cP（厘泊）。（厘泊）。 drdwAF（1-61）52气体动力粘度定义和表示方法与液体一样，但形成的内摩擦的原因却不相同：n当两层气体有相对运动时，气体的分子之间不仅具有与当两层气体有相对运动时，气体的分子之间不仅具有与运动方向一致的运动方向一致的相对移动相对移动而造成的内摩擦而造成的内摩擦，而且由于气，而且由于气体分子无秩序的体分子无秩序的热运动，热运动，两层气体分子之间可以互相两层气体分子之间可以互相扩扩散和交换。散和交换。当流动速度较快的气层分子跑到流速较慢的当流动速度较快的气层分子跑到流速较慢的一层里面去时，这些具有较大动能的气体分子，将使较一层里面去时，这些具有较大动能的气体分子，将使较慢的气层产生加速作用，反之，流动速度较慢的气层的慢的气层产生加速作用，反之，流动速度较慢的气层的分子跑进较快的气层里时，则对气层产生一种阻滞气层分子跑进较快的气层里时，则对气层产生一种阻滞气层运动的作用，结果两层气体之间就产生了内摩擦。运动的作用，结果两层气体之间就产生了内摩擦。53n温度升高，气体的无秩序热运动增强，气层之间的加速和温度升高，气体的无秩序热运动增强，气层之间的加速和阻滞作用跟着增加，内摩擦也就增加。所以，气体的粘度阻滞作用跟着增加，内摩擦也就增加。所以，气体的粘度随着温度的升高而加大，与液体的粘度随温度升高而降低随着温度的升高而加大，与液体的粘度随温度升高而降低不同。随着压力升高，气体的性质逐渐接近液体，温度对不同。随着压力升高，气体的性质逐渐接近液体，温度对粘度的影响，也越来越接近于液体。粘度的影响，也越来越接近于液体。54n 表表1-13为甲烷在不同压力、温度下的动力粘度。从表为甲烷在不同压力、温度下的动力粘度。从表中可以看出：气体的粘度随压力增高而增高。在低压时，中可以看出：气体的粘度随压力增高而增高。在低压时，气体粘度随温度升高而增加，随着压力的增加，温度升气体粘度随温度升高而增加，随着压力的增加，温度升高 对 粘 度 增 大 的 影 响 越 来 越 小 ， 当 压 力 很 高 时高 对 粘 度 增 大 的 影 响 越 来 越 小 ， 当 压 力 很 高 时（100105Pa以上），气体粘度随温度升高而降低，明以上），气体粘度随温度升高而降低，明显表现出类似于液体的性质。显表现出类似于液体的性质。55绝对压力，绝对压力，105帕帕02575 1.0131.0271.1081.260 20.2651.0681.1351.290 60.7951.2201.2601.355101.3251.4201.3701.455151.9881.7951.6801.635202.6502.1651.9901.810303.9762.8002.5102.230405.3013.3603.0052.620607.9513.8903.330表1-13 甲烷的动力粘度高压高压低压低压56n低压时，可根据下式来估计温度对动力粘度的影响，低压时，可根据下式来估计温度对动力粘度的影响，mTT00（1-62） 在温度在温度T0273.15K时的动力粘度时的动力粘度 m经验指数，见表经验指数，见表1-15057甲烷甲烷乙烷乙烷 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0.760.90.920.970.990.6950.820.680.68表1-15 指数m的值58n运动粘度：为动力粘度与密度的比值，单位为运动粘度：为动力粘度与密度的比值，单位为m2/s（1-75）三、天然气的湿度及露点n1. 湿天然气：天然气在地层中与地下水接触，因此采出湿天然气：天然气在地层中与地下水接触，因此采出的天然气中有水蒸气，此混合物称湿天然气。的天然气中有水蒸气，此混合物称湿天然气。n2.绝对湿度：每立方米湿天然气中所含有的水蒸气量。绝对湿度：每立方米湿天然气中所含有的水蒸气量。单位为单位为kg/m3或或g/m3。591、湿度n根据气体分压定律（对水蒸气）根据气体分压定律（对水蒸气）n得绝对湿度得绝对湿度 TRmpVMTRpVmWMa（1-76）60n式中 Wa天然气的绝对湿度，天然气的绝对湿度，kg/m3；n m气体中所含的水蒸气量，气体中所含的水蒸气量，kg；n V湿气的体积，湿气的体积，m3；n 水蒸气的分子量，水蒸气的分子量， 18；n p湿气中的水蒸气分压，湿气中的水蒸气分压，Pa；n RM通用气体常数，通用气体常数，RM8314J/(kmolK）；）；n T气体的温度，气体的温度，K。TRpVmWMa61n将将=1810-3kg/mol，RM=8314J/kmolK代入代入 （1-76）得得TpWa310165. 2（1-77）62饱和时的绝对湿度n天然气中水分较少时，水分以天然气中水分较少时，水分以过热蒸过热蒸气状态气状态存在。当水分逐渐增多，在一定存在。当水分逐渐增多，在一定温度下，水分只能增加至某一个最大值，温度下，水分只能增加至某一个最大值，即天然气已被水蒸气所饱和，气体中的即天然气已被水蒸气所饱和，气体中的水蒸气分压也达到该温度下的最大值水蒸气分压也达到该温度下的最大值饱和蒸气压饱和蒸气压，此时天然气达到饱和状，此时天然气达到饱和状态。态。63n饱和时的绝对湿度饱和时的绝对湿度 P0 为水的饱和蒸气压，为水的饱和蒸气压，Pa。 由于由于水的饱和蒸气压是温度的函数水的饱和蒸气压是温度的函数，所以饱和时的绝，所以饱和时的绝对湿度对湿度Wa0也也只随温度而变化（表只随温度而变化（表1-16），从表中可以看出，），从表中可以看出，随温度随温度T的的，P0 和和 ，也就是说天然气温度较高时，也就是说天然气温度较高时，可以容纳较多的水分。可以容纳较多的水分。TpWa03010165. 2（1-78）0aW64相对湿度n定义：定义： 湿天然气的实际绝对湿度与同温度下饱和时的绝对湿度湿天然气的实际绝对湿度与同温度下饱和时的绝对湿度之比。之比。n定义式：定义式： 0aaWW（1-79a）65n当气体饱和时，当气体饱和时， 由由1TpWa310165. 2TpWa03010165. 2得得0pp（1-79b）即：相对湿度等于气体中水蒸气分压与同温度下水的饱即：相对湿度等于气体中水蒸气分压与同温度下水的饱和蒸气压之比。和蒸气压之比。662、露点n未饱和的湿天然气，在一定压力下冷却时，随着温度的未饱和的湿天然气，在一定压力下冷却时，随着温度的降低，水的饱和蒸气压逐步下降，湿天然气中的水蒸气分降低，水的饱和蒸气压逐步下降，湿天然气中的水蒸气分压就逐步接近水的饱和蒸气压。压就逐步接近水的饱和蒸气压。n当降低至某一温度时，当降低至某一温度时，pp0， 1，湿天然气处于饱和，湿天然气处于饱和状态。如果继续降温，将从气体中析出水滴。使气体在一状态。如果继续降温，将从气体中析出水滴。使气体在一定压力下处于饱和并将析出水滴的温度称为气体在该压力定压力下处于饱和并将析出水滴的温度称为气体在该压力下的下的露点露点。673、天然气中含水量计算n含水量：含水量：湿天然气中，单位体积湿天然气中，单位体积干气干气所含的水蒸气量，所含的水蒸气量，单位：单位：kg/m3或或g/m3。n若有若有1m3湿天然气，其中：干气含量为湿天然气，其中：干气含量为wgkg，干气体积干气体积为为Vgm3，水蒸气含量为，水蒸气含量为wwkg。68n含水量含水量 ggwgggwgwwwVwwwVwWTRwppMwww0TRwpppppMggwg0ggwpppW00（1-80） 联立联立得含水量公式得含水量公式69以上公式中：以上公式中：W天然气的含水量，天然气的含水量，kg/m3V湿天然气体积，湿天然气体积，1m3；Vg干天然气体积，干天然气体积， m3；Wg干天然气的质量，干天然气的质量，kg；Ww水蒸气的质量，水蒸气的质量，kg； 水的分子量；水的分子量； 干天然气的分子量；干天然气的分子量；P湿气的总压力，湿气的总压力，Pa；P0水的饱和蒸气压，水的饱和蒸气压，Pa； 天然气的相对湿度；天然气的相对湿度； 干天然气的密度，干天然气的密度，kg/m3wgg注意参数的单位哦70n由于天然气的密度在标准状况下由于天然气的密度在标准状况下g=g/22.414kg/m3，若，若W的单的单位取位取g/m3,则则n气体饱和时，气体饱和时， 1，故气体饱和时的含水量，故气体饱和时的含水量0000803414.22100018ppppppW（1-81）008030pppW（1-82）式中式中p0仅仅是温度的单值函数。若仅仅是温度的单值函数。若不考虑实际气体与理想气体的差不考虑实际气体与理想气体的差别，别，则任何气体的饱和含水量只是总压力与温度的函数。则任何气体的饱和含水量只是总压力与温度的函数。相同压力、相同压力、温度下，饱和含水量是一样的。温度下，饱和含水量是一样的。ggwpppW0071n 实际上，由于气体组成不同，与理想气体偏差不同，当实际上，由于气体组成不同，与理想气体偏差不同，当压力较大时，就必须使用图压力较大时，就必须使用图1-4的经验数据。该图表示了天然的经验数据。该图表示了天然气（按标准状态计算体积）的饱和含水量与天然气温度、压气（按标准状态计算体积）的饱和含水量与天然气温度、压力的关系。该图的值一般大于公式（力的关系。该图的值一般大于公式（1-82）的计算值。压力）的计算值。压力愈高、温度愈低，与理想气体偏差愈大。很明显，愈高、温度愈低，与理想气体偏差愈大。很明显，在同样条在同样条件下，含有重烃较多的天然气的饱和含水量要大于含重烃较件下，含有重烃较多的天然气的饱和含水量要大于含重烃较少的天然气。少的天然气。图图1-4只能作一般估算使用。只能作一般估算使用。72 天然气脱水：天然气脱水： 在高压低温下在高压低温下脱水最有利。脱水最有利。73第四节 气体的热物性及其计算n一、气体的比热容和绝热指数一、气体的比热容和绝热指数 比热容比热容：在不发生相变的条件下传给单位质量气体的热量：在不发生相变的条件下传给单位质量气体的热量dQ对由此引起的温度变化对由此引起的温度变化dt之比。单位是之比。单位是kJ/（kgK）。）。 dTdQc (1-89)74 对于气体通常要研究两种情况，一种是在定压下的对于气体通常要研究两种情况，一种是在定压下的温度变化，另一种是在定容下的温度变化。因此可定义温度变化，另一种是在定容下的温度变化。因此可定义两种不同的比热，即定压比热两种不同的比热，即定压比热cp和定容比热和定容比热cv。 cpcv，这是因为在等压状态下加给系统的部分热量，这是因为在等压状态下加给系统的部分热量要消耗于气体膨胀。要消耗于气体膨胀。对于理想气体对于理想气体来说，这两种比热容来说，这两种比热容之差等于气体常数之差等于气体常数R，即，即 cp-cv=R75对于真实气体来说对于真实气体来说cp-cvR。注意76n气体混合物在低压下的定压比热为：气体混合物在低压下的定压比热为： 式中式中 气体混合物低压下的定压比热，气体混合物低压下的定压比热，J/（molK）；）； 组分组分i的摩尔分数；的摩尔分数； 组分组分i低压下的定压比热，低压下的定压比热， J/（molK）00piipcyc(1-91)0pciy0pic摩尔比热容77n计算低压下的定压比热也可用下述拟和方程：计算低压下的定压比热也可用下述拟和方程： 式中式中 气体低压下的定压比热，气体低压下的定压比热， J/（molK）；）； T气体的温度，气体的温度，K。 式（式（192）中的）中的B，C，D，E，F为计算常数，不同气体的为计算常数，不同气体的各常数值见表各常数值见表1-18 （教材（教材P59）。）。43205432FTETDTCTBcp(1-92)0pc78n在同一温度下高压定压比热与低压定压比热之间有如下在同一温度下高压定压比热与低压定压比热之间有如下关系：关系：n 这一关系对单一组分或气体混合物都适用。这一关系对单一组分或气体混合物都适用。 可由图可由图1-8查得。比热容和摩尔比热容的单位换算公式为查得。比热容和摩尔比热容的单位换算公式为 pppccc0(1-93)pc)/(1)/(1KkgkJKkmolkJ7980n例题例题1-2 求甲烷在求甲烷在T133.735K，p=4.04105Pa下的定压比下的定压比热。甲烷的相对分子质量热。甲烷的相对分子质量16.043n解：解：1.由公式（由公式（1-92）求）求0pc)/(2737.33)/(07403. 2735.1331049685.855735.133107905.3724735.133104022.573735.1331018007.2223959. 24143112740KkmolkJKkgkJcp812.求对比参数：查表求对比参数：查表1-4知：知：Tc=191.05K，Pc=46.41105 Pa （教材（教材P20） 由图由图1-8查得查得7 . 005.191735.133rT087. 01041.461004. 455rP)/(9)/(9KkmolkJKmolJcp82n求求cpn在高压下真实气体的定容和定压比热与理想气体的值差别很在高压下真实气体的定容和定压比热与理想气体的值差别很大，根据热力学分析，高压下的定容比热为大，根据热力学分析，高压下的定容比热为2737.4292737.330pppccc2exp2352201262235222504030022020TcTadTdTETDTCcdTPTccvvv(1-95)KJ/(Kmol.K)83n高压下定压比热与定容比热之差为高压下定压比热与定容比热之差为TvpPTPTcc22(1-80)84n在在低压低压下作热力计算时，通常所用的气体下作热力计算时，通常所用的气体绝热指数绝热指数n在在高压高压下求解绝热过程中的状态参数，需要使用不同状态下求解绝热过程中的状态参数，需要使用不同状态下的绝热指数，如温度绝热指数下的绝热指数，如温度绝热指数 或体积绝热指数或体积绝热指数 。此时，此时， 只能称为比定压热容与比定容只能称为比定压热容与比定容热容比热容比，而不能称，而不能称为绝热指数。为绝热指数。T(1-81)Vvpccvpcc85n由绝热过程中由绝热过程中PVT三者关系，如三者关系，如 或或 或或n对上述两式取对数并求微分，经热力学推导得到对上述两式取对数并求微分，经热力学推导得到TTppTT11212CTpTT1(1-82)vpp1212Cpv(1-83)86TpTTpTpcp21 对上述两式取对数并求微分，经热力学推导得到对上述两式取对数并求微分，经热力学推导得到(1-84)(1-85)TvpVpccp87二、热值n热值热值：标准状态下，每：标准状态下，每m3或每或每kg天然气燃烧所发出的热天然气燃烧所发出的热量称为天然气的热值，单位为量称为天然气的热值，单位为MJ/m3。n高热值高热值：含氢燃料燃烧生成的水全部冷凝为液体，此时：含氢燃料燃烧生成的水全部冷凝为液体，此时测定的热值称为高位热值或总热值。测定的热值称为高位热值或总热值。n低热值低热值：燃烧生成的水保持气相（水蒸气），此时测