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
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
4.6
4
0.01(
气)
6
4
5
5.
15.
372
62
334
94
52.8
4
乙烷C
2
H
6
30.
070
1.34
2
32.2
7
4.8
8
0.009(
气)
5
3
3.
2
12.
45
661
51
602
89
28.2
丙烷C
3
H
8
44.
097
1.96
7
96.8
1
4.2
6
0.125(
10℃)
5
1
2.
37
9.5
937
84
862
48
19.2
3
正丁烷n-C
4
H
10
58.
12
2.59
3
152.
01
3.8
0.174
4
9
1.
86
8.4
1
121
417
108
438
14.5
9
异丁烷i-C
4
H
10
58.
12
2.59
3
134.
98
3.6
5
0.194
1.
8
8.4
4
121
417
108
438
14.5
9
氨He 4.0
03
0.19
7
-267
.9
0.2
3
0.0184
211.
79
氮N
228.
02
1.25
-147
.13
3.3
9
0.017
30.2
6
氧 O 2 32.0 1.428 -118.82 5.04 0.014 26.49 氢 H 2 2.016 0.0899 -239.9
1.29 0.00842
5
1
4.1 74.2
12770
10760
420.75 二氧
化碳 CO 2 44.0
1.963
31.1 7.38
0.0137
19.27
一氧
化碳 CO 28.0 1.250 -140.2 3.50 0.0166 6
1
0 12.5 74.
2 12644 12644 30.26 硫
化氢 H 2S 34.09 1.521
100.4
9.01
0.01166 2
9
4.3 74.2 24.87 空气 28.97 1.293 -140.75 3.77
0.0
173
45.
5
29.27
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。