天然气化学式

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

2

H

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

名

称

分

子

式

相

对

分

子

质

量

密度

/Kg

·m—3

临界

温度

/℃

临

界

压

力

/MP

a

粘度

/KP

a

·S

自

燃

点

/

℃

可燃性

限

/％

热值

/KJ·m—3

（15.6℃，

常压）

气体

常数

/

Kg·

m·

(Kg

·K）

—1

低

限

高

限

全

热

值

净

热

值

甲

烷

CH

4

16.

043

0.71

6

—

82.5

4。

64

0。01

（气)

6

4

5

5。

0

15。

0

372

62

334

94

52。

84

乙

烷

C

2

H

6

30.

070

1。

342

32.2

7

4。

88

0。009

（气）

5

3

0

3。

2

12。

45

661

51

602

89

28。2

丙

烷

C

3

H

8

44。

097

1.96

7

96。

81

4。

26

0。

125(10

℃)

5

1

0

2。

37

9。

50

937

84

862

48

19。

23

正

丁

烷

n-C

4

H

10

58。

12

2。

593

152。

01

3.8

0

0.174

4

9

0

1。

86

8.4

1

121

417

108

438

14。

59

异

丁

烷

i—

C

4

H

1

0

58.

12

2。

593

134.

98

3。

65

0.194

1。

8

8。

44

121

417

108

438

14。

59

氨He

4.0

03

0。

197

-267

。9

0.2

3

0。0184

211.

79

氮N

2

28.1。-1473。0。01730.2

02250。13396

氧O

2

32。

0

1.42

8

-118

.82

5。

04

0.014

26.4

9

氢H

2

2.0

16

0.08

99

-239

。9

1。

29

0。

00842

5

1

0

4。

1

74.

2

127

70

107

60

420。

75

二

氧

化

碳

CO

2

44。

0

1.96

3

31。1

7.3

8

0。0137

19。

27

一

氧

化

碳

CO

28。

0

1。

250

—

140.

2

3.5

0

0。0166

6

1

0

12

.5

74。

2

126

44

126

44

30.2

6

硫

化

氢

H

2

S

34.

09

1。

521

100。

4

9。

01

0。

01166

2

9

0

4。

3

74.

2

24.8

7

空

气

28.

97

1.2

93

-140

.75

3.77

0。

017

3

45.

5

29.2

7

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

ii

iV

V

V

V

y

；

1

i

y

；





i

ii

in

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=nR

M

T

由分容定律,存在PV

i

=n

i

R

M

T；PV=nR

M

T

p

p

n

n

yii

i

;

i

ii

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。



ii

MyM

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

ii

My

414.22

1



；

20℃标准状态

ii

My

055.24

1



任意温度与压力下

iiii

VyMy/

(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

/

a



：空气密度，kg/m3;

在

0

P=101。325kPa，

0

T=273。15K时;

a

=1。293kg/m3

在

0

P=101。325kPa，

0

T=293.15K时；

a

=1.206kg/m3。

对混合气体：

ii

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：



ciic

TyT;

ciic

PyP；

ciic

y

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。

cr

PPP/

;

cr

TTT/

;

cr

/

；或

cr

/

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/V2）（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。

)(5.0bVVT

a

bV

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。

)(bVV

a

bV

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。

)()(bVbbVV

a

bV

RT

P









（5）L—E-E方程是一个多参数状态方程,其形式为：

))((bVbVV

bc

bVV

a

bV

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.

32

4

0

3

0

2

0

00

)()(

T

d

abRT

T

E

T

D

T

C

ARTBRTP

)exp()1()(22

2

3

5





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。

),(

1rrr

TPf

cc

c

cRT

P

Z





r

rc

c

cc

rZT

PZ

ZRTP

PRTZ



),,,(

rcrr

ZTPfZ

；),,(

2crr

ZTPfZ

c

Z在0。23～0。31范围内，化为：),(

3rr

TPfZ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)。1Pa·S=10P=1000cP

在常压下混合动力粘度：











i

ii

iii

My

My



在不同温度下的粘度：

5.1

0273

273



















T

CT

C

T



2。运动粘度ν，单位m2/S，常用托（St)、厘托（cst）。1m2/S=104St=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.

饱和含水量：一定条件下，天然气与液态水达到相平衡时气相中的含水汽量。

绝对湿度:单位体积天然气中含有的水汽质量，单位为kg/m3或mg/m3。

饱和湿度：在一定温度和压力下,天然气含水汽量若达到饱和，则这个饱和

时的含水汽量。

相对湿度:指同温度下,天然气实际的绝对湿度和饱和湿度之比.

水露点温度：在一定压力下，逐渐降低温度，天然气中水蒸气开始冷凝结露

的温度,是表征天然气含水量的参数之一。

2.海底天然气的烃露点

海底天然气烃露点:指一定组成的天然气,在一定压力下冷凝，当析出第一滴

烃类液珠时的温度.

二、海底天然气的热力性质

1。比热和比热容

比热：在不发生相变和化学变化的条件下，加热单位质量的物质时，温度升

高1℃所吸收的热量。单位为KJ/（kg·K）或KJ/(kg·℃）。

比热容:同样条件下，加热单位体积的物质时,温度升高1℃所吸收的热量，

称为此物质的比热容，单位为KJ/（m3·K）或KJ/（m3·℃)。

气体的比热还分为质量定容热容C

V

和质量定压热容C

P

。

VVT

u

C)(





；

PPT

h

C)(





；

（1)对于理想气体而言,这两种比热之差等于气体常数RCC

VP

00

纯组分理想气体:43205432TFTETDTCBC

iiiiiPi



混合物质量定压热容：00

Pi

i

iP

CyC

（2)实际气体比热容

1）计算法2）查图法





)()(

2

2

2T

PT

C

T

V











或





d

T

PT

CC

VV

)(

2

2

0

2

0







2.焓

气体内能和体积与压力乘积之和称为气体的焓，H=U+pV或h=u+pv。

（1）理想气体焓

单组分:h

i

0=A

i

+B

i

T+C

i

T2+D

i

T3+E

i

T4+F

i

T5

混合气体：00

i

i

i

hyh

（2)实际气体焓

1）计算法2）查图法

3.熵

熵是状态参数，随状态变化而变化，只决定于初始状态与终了状态。与路径

无关。熵的变化表征了可逆过程中热交换的方向与大小.

(1）理想气体熵

单组分：s

i

0=B

i

lnT+2C

i

T+3/2D

i

T2+4/3E

i

T3+5/4F

i

T4+G

i

混合气体：s0＝∑y

i

s

i

0

(2）实际气体熵

1）计算法2)查图法

4。导热系数

物质导热能力的特性参数，指沿着导热方向上温度梯度为1K/m时,单位时间

内通过单位面积的热量，物质的基本性质之一，单位J/（m·s·k)或W/（m·k)。

(1）查图、查表法

对于混合气体的导热系数，在查得各组分的导热系数后，按下列方法计算

1）压力较低，根据各组分摩尔组成按Ribblett公式计算

λ＝∑y

i

λ

i

M

i

1/3/∑y

i

M

i

1/3

2）高压气体，按低压气体计算所得的导热系数，根据计算状态的对比压力

和对比温度对其进行修正,查修正系数。

(2）计算法

1）低压单组分气体的导热系数

用Misic和Thodos基于量纲分析提出的经验公式：

对于甲烷、环烷烃和芳香烃,在T

r

<1时:

r

pT

Mc



71045.4

对于其它碳氢化合物及其它对比温度范围







Mc

Tp

r

3

2

714.552.1410

3

2

2

1

6

1

0088.1

c

c

p

MT



2）低压混合气体的导热系数

低压下混合气体的导热系数可按Ribblet计算，平均误差在3%左右。

3)温度对气体导热系数的影响

单组分：



















15.273

15.273

0

T

CT

C



混合气体：







i

i

i

iT

T

YTT

1

2

12





4）压力对气体导热系数的影响

压力对气体的影响可根据对比密度进行计算：

ρ

x

〈0。5时（λ-λ

0

）ГZ

c

5=(2.69654×10—4）（e0。535ρr-1）

0.5<ρ

x

<2。0时（λ-λ

0

）ГZ

c

5=（2.51972×10—4)（e0.67ρr–1。069)

2。0〈ρ

x

〈2。8时(λ—λ

0

）ГZ

c

5=（5。74673×10-5）（e1.155ρr+2.016）

压力对混合气体导热系数的影响，仍可用上述公式计算，对比密度与气体种

类无关，临界参数要按混合气体的视临界参数计算。

三、海底天然气的燃烧性质

1。海底天然气燃烧热值

1m3燃气完全燃烧所放出的热量称为燃气的热值，简称热值。单位kJ/m3。

高热值（全热值）：在恒定压力1。01325×105Pa、恒定温度T（25℃）下

燃气完全燃烧，生成的水蒸气完全以冷凝水的状态排出

时所放出的热量;

低热值（净热值）:在恒定压力1。01325×105Pa、恒定温度T(25℃)下燃

气完全燃烧,生成的水蒸气以气相排出时所放出的热量。

2.海底天然气的爆炸极限

可燃气体在空气中的浓度低于某一极限时，氧化反应产生的热量不足以弥补

散失的热量，使燃烧不能进行，这一极限称为着火下限；当其浓度超过某一极限

时，由于缺氧也无法燃烧，该极限称为着火上限。着火极限又称爆炸极限。而上、

下限之间的范围称做爆炸范围。当气体不含氧或含有惰性气体时，爆炸极限范围

将缩小。

3.华白数、燃烧势

1）华白数（沃贝尔数、热负荷指数）,是代表燃气性质对热负荷的综合影响。

等于燃气高热值Hs与相对密度Δ开方的比值，单位kJ/=Hs/Δ1/2

2)燃烧势是指燃气燃烧速度指数,是反映燃烧稳定状态的参数,即反映燃烧

火焰产生离焰、黄焰、回火和不完全燃烧的倾向性参数。用来全面判定

燃气的燃烧特性.当燃气的组分和性质变化较大，或者掺入的燃气与原来

燃气性质相差较大时，燃气的燃烧速度会发生较大变化，仅用华白数已

不能满足设计需要.燃烧势Cp=（aH

2

+bCO+cCH

4

+dC

m

H

n

)/Δ1/2

一、焦耳-汤姆逊系数的计算：

说明:让气体通过多孔塞从高压区向低压区膨胀。过程稳定,绝热地进行.当

流动充分缓慢时，在节流塞两侧气体有完全确定的压力和温度。尽管如此，因为

气体不可能从低气压区向高气压区扩散，因而，过程不可逆的。这个过程没有传

热，没有作轴功,没有位能变化，若忽略动能微小差异，则两侧焓相等。即h

1

=h

2

。

2

2

221

2

11

gz2/Vh2/

轴

wgzVhq

在焦耳—汤姆逊膨胀中，初始焓和终止焓是相等的。因为气体在从初始平衡

状态到终止平衡状态的路程上经过非平衡状态，过程是不可逆的。膨胀不是在等

焓下进行的，而是仅满足初始焓等于终止焓的条件。

进行一系列焦耳-汤姆逊膨胀实验.在每次实验高压P

1

值、温度T

1

值保持相

同，低压维持不同的压力

2

p值，例如

cba

ppp

222

、、等，并测量出相应的温度

2

T值.

然后可把这些数据画在T—P图上，得到离散点l，2a，2b等。因为h

1

=h

2

…，所

以通过这些点画出一条光滑曲线是等焓曲线.但这条曲线不代表气体通过节流塞

所进行的过程.再另作一系列相似实验，在每系列实验中采用不同的P

1

和T

1

值，

可以得到对应不同h值的曲线簇。

在T-P图中等焓曲线在任一点的斜率叫做焦耳—汤姆逊系数

h

iP

T

D



















转换点：D

i

=0的点相应于等焓曲线的最大值。

转换曲线：所有转换点的轨迹。

冷却效应：在转换曲线以内的区域（其中D

i

>0）,由于节流作用，温度随着

压力降低而降低.

热效应:在转换曲线以外的区域(其中D

i

<0)，由于节流作用温度随压力降低

而升高。

最大转换温度：转换曲线与温度坐标轴交点的温度.当初始温度高于最大转

换温度时，冷却是不可能的.对于干线输气管道,一般D

i

取3～5℃/MPa。

焦耳-汤姆逊系数计算：

])([

1

]

1

)(

)(

[

1

2

V

T

V

T

C

P

T

P

T

C

D

P

P

T

P

i



























二、着火浓度极限

着火浓度极限（firingconcentrationlimit）是引起可燃气体混合系燃烧

的比例范围.可燃气体混合系不是在任何组成时都能燃烧的，只有氧化剂与可燃

剂在一定的比例范围内才有可能燃烧，越出这个范围就不能使火焰正常传播.对

于一定的可燃气体浓度极限可分为上限和下限，下限与可燃气体的不足有关；上

限与氧不足或可燃物过剩有关。另外上下限还在一定程度上与实验条件有关。在

101kPa和室温时，火焰从直径为10cm的管子下端向上传播时测得的着火浓度极

限列于表3-20。

可燃性混合物的爆炸极限范围越宽、爆炸下限越低和爆炸上限越高时，其爆

炸危险性越大。这是因为爆炸极限越宽则出现爆炸条件的机会就多；爆炸下限越

低则可燃物稍有泄漏就会形成爆炸条件；爆炸上限越高则有少量空气渗入容器，

就能与容器内的可燃物混合形成爆炸条件.应当指出，可燃性混合物的浓度高于

爆炸上限时，虽然不会着火和爆炸,但当它从容器或管道里逸出,重新接触空气时

却能燃烧,仍有发生着火的危险。

各种气体和蒸气与空气混合气体的着火浓度极限

气体名称分子式

浓度极限，％

下限上限

氢

一氧化碳

二硫化碳

硫化氢

H2

CO

CS2

H2S

4．00

12．50

1．25

4．3

74．20

74．20

50．00

45．50

氨

甲烷

乙烷

乙烯

乙炔

甲醇

乙醇

二乙醚

甲基乙醚

丙酮

苯

甲苯

二氯乙烷

NH3

CH4

C2H6

C2H4

C2H2

CH3OH

C2H5OH

(C2H5）2O

CH3OC2H5

CH3COCH3

C6H6

C6H5CH3

C2H4Cl2

15．5

5．00

3．22

2．75

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《安全工程大辞典》（化学

工业出版社）

苏奕儒。天然气热力学参数计算方法及应用[J].中国质量技术监

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