天然气组分及物理特性
天然气及其组分的物理化学性质
编号：SY-AQ-09384( 安全管理)单位：_____________________审批：_____________________日期：_____________________WORD文档/ A4打印/ 可编辑天然气及其组分的物理化学性质Physical and chemical properties of natural gas and its components天然气及其组分的物理化学性质导语：进行安全管理的目的是预防、消灭事故，防止或消除事故伤害，保护劳动者的安全与健康。
在安全管理的四项主要内容中，虽然都是为了达到安全管理的目的，但是对生产因素状态的控制，与安全管理目的关系更直接，显得更为突出。
天然气的主要成分为甲烷，此外还含有乙烷、丙烷、丁烷等烃类气体，氮、CO2、H2S及微量氢、氦、氩等非烃类气体，一般气藏天然气的甲烷含量在90%以上。
油田伴生气中甲烷含量占65%～80%，此外还含有相当数量的乙烷、丙烷、丁烷等烃类气体。
一、天然气主要组分的物理化学性质天然气主要组分的物理化学性质见表1-3-1。
表1-3-1天然气主要组分在标准状态下的物理化学性质名称分子式相对分子质量摩尔体积Vm/(m3/kmol)气体常数R(J/kg·K) 密度ρ/(kg/m3)临界温度Tc/K临界压力Pc/MPa高热值Hh/(MJ/m3)高热值Hh/(MJ/kg)低热值H1/(MJ/m3)甲烷CH4 16.043 22.362 518.75 0.7174 190.58 4.544 39.842 35.906 乙烷C2H6 30.07 22.187276.64 1.3553 305.42 4.816 70.351 55.367 64.397 丙烷C3H8 44.097 21.936 188.65 2.0102 369.82 4.194101.266 51.908 93.240 正丁烷n-C4H10 58.124 21.504 143.130 2.703 425.18 3.747 133.886 50.376 123.649 异丁烷i-C4H10 58.124 21.598 143.13 2.6912 408.14 3.600 133.048 49.532 122.853 正戊烷C15H12 72.151 20.891115.27 3.4537 46.965 3.325 169.377 49.438 156.733 氢H22.016 22.427 412.67 O.0898 33.25 1.280 12.74549.042 10.786 氧O2 31.999 22.392 259.97 1.4289 154.33 4.971 —141.926 —氮N2 23.01322.403 296.95 1.2507 125.97 3.349 ——氦He 3.016 22.42 281.17 0.1345 3.35 0.118 ——二氧化磺CO2 44.010 22.26 189.04 1.9768 304.25 7.290 ———硫化氢H2S34.07622.18 244.17 1.5392 373.55 8.890 25.364 23.383 空气28.066 22.40 287.24 1.2931 132.4 3.725 —16.488—水蒸气H2O18.01521.629461.760.8330647.0021.830—名称低热值H1/(MJ/kg)爆炸极限(体积分数)/% 动力黏度μ×106/(Pa·s)运动黏度υ×106/(m2/s)沸点/℃定压比热容Cp/(kJ/m3·K)绝热指数K导热系数λ/[W/(m·K)] 偏心因子上限下限甲烷5.015.010.60 14.50 -161.49 1.545 1.309 0.03024 0.0104 乙烷50.05 2.9 13.0 8.77 6.41-88.00 2.244 1.1980.01861 0.0986 丙烷47.515 2.19.57.65 3.81-42.05 2.960 1.161 0.01512 0.1524 正丁烷46.383 1.58.56.97 2.53-0.05 3.710 1.144 0.01349 0.2010 异丁烷45.745 1.88.5-11.72 —1.144 —0.1848 正戊烷45.65 1.4 8.3 6.48 1.85 36.06 —1.121 —0.2539 氢45.381 4.0 75.98.52 93.00 -252.75 1.298 1.407 0.2163 氧120.111 ——19.86 13.60 -182.98 1.315 1.400 0.02500.0213 氮——17.00 13.30 -195.78 1.302 1.402 0.02489 0.04氦————-269.95 —1.640 ——二氧化碳———14.30 7.09-78.200.6201.304 0.01372 0.225硫化氢4.3 45.5 11.90 7.63-60.20 1.557 1.320 0.01314 0.100 空气15.192 ——17.50 13.40-192.501.3061.4010.02489—水蒸气——8.6010.12—1.4911.3350.016170.3480二、天然气中有机硫化合物的主要性质天然气中除含有H2S外，还含有数量不等的硫醇、硫醚以及微量的二硫化碳、硫化羰。
天然气知识基础
液压子站与传统子站优劣比较
项目 占地面积 液压子站 3- 4亩 普通子站 5亩以上 原由 液压子站设备简单，用拖车替代 传统子站的储气装置 1 .液压子站耗电量小，电机不大 于32KW；传统子站压缩机75KW左 右。 2.液压拖车泄气率高，拖车余气 小于1 20Nm 3；传统子站拖车泄气 率低，余气大于800Nm 3 液压装置噪音小于75dB(距设备1 米处）; 压缩机噪音大于1 20dB
（1）从气田开采的气田气或称纯天然气； （2）伴随石油一起开采出来的石油气，也称石油伴生气； （3）凝析气田气，天然气从地层流出井口后，随着压力和 温度的下降，分离为气液两相，气相是凝析气田天然气，液相 是凝析液，叫凝析油。 （4）从井下煤层抽出的矿井气（俗称：瓦斯）。
四、天然气及其成分的物理化学性质
五、天然气压缩与节流
1、压缩：利用加压装置或设备使管道（储气装置）内 天然气压力升高，以提高管线的输送能力或对气体进行 储存，以满足其它工艺要求的过程，称为压缩。 2、节流：具有一定压力、充满管道的天然气在流经管 道内的节流件时，流束将在节流件处形成局部收缩，从 而使流速增加，静压降低，此种现象称为节流。
二、天然气的组分
天然气是一种多组分的混合气体，主要成分是烷烃，其中 甲烷（CH4）占绝大多数，另有少量的乙烷（C2H6)、丙烷和丁 烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量 的惰性气体，如氦和氩等。在标准状况下，甲烷至丁烷以气体 状态存在，戊烷以上为液体。
三、天然气的分类（按矿藏分类）
4.高压表：气瓶的高压管路经过过流保护阀后安装了高压
表，能指示气瓶内的压力
5.其它：油气转换开关等部件，选型的重点是减压阀和混 合器。因为在其它条件不变的条件下，这两个部件直接影 响CNGV的主要性能，其它的部件大多数属于标准件，基本 上是成熟的、定型的产品，选配比较容易。
天然气组分和来源
第一章天然气基本知识天然气组分和来源天然气是指地下多孔地质构造中发现的自然形成的烃类气体和蒸气的混合气体，有时也含有一些杂质，主要组分是低分子烷烃。
天然气一般可分为四种：从气田开采的气田气或称纯天然气；伴随石油一起开采出来的石油气，也称石油伴生气，含石油轻质镏分的凝析气田气以及从井下煤层抽出的矿井气。
气田气组分以甲烷为主，也含少量的CO2、H2S、N2 和微量的惰性气体，详见表l 一2。
我国四川、海南等地的天然气属于这一类，其中甲烷含量一般不少于90%,发热值为34 800〜36 OOOkJ/m3。
天津、大庆等地使用的天然气是伴生气，甲烷含量约为80％，其他烷烃占15%，热值较高，大约为41 900 kJ/m3。
气田气除含有大量甲烷外,还含有2%〜5%戊烷及戊烷以上的烃类,热值更高。
矿井气的主要可燃成分是甲烷, 其含量视抽气方式不同而变化, 热值一般较低。
抚顺、鹤壁等矿区使用这种矿井气多年。
天然气可以压缩或液化,在25MPa 压缩状态下的天然气体积接近标准状态下的1 ／300。
液态天然气的体积为标准状态时体积的1／625,有利于储存和用车辆或船舶远途输送,使不生产天然气的地区也能使用到天然气。
根据天然气的组成既可将天然气分为干气、湿气、贫气和富气, 又可分为酸性天然气和洁气。
结合我国情况,参考国外资料,其定义如下。
表I一2各种天然气成分干气：每1m3。
（压力为0.1 MPa、温度为20C的状态）井口流出物中，C5以上重烃液体含量低于13.5 cm3的天然气。
湿气：每1 m3井口流出物中，C5以上重烃液体含量超过13.5 cm3 的天然气.一般湿气需分离出液态烃产品和水分后才能进一步加工利用。
富气：每1 m3井口流出物中，C3以上烃类液体含量超过94 cm3 的天然气。
贫气：每I m3井口流出物中，C3以上烃类液体含量低于94 cm3 的天然气。
酸性天然气：含有显著H2S和C02等酸性气体，需进行净化处理才能达到管输标准的天然气。
天然气(气体计算方程)
n
Mg yi Mi
i1
M g ¡ 天然气相对视分子量 yi ¡ 天然气个组分的摩尔分数 M i ¡ 组分i的分子量
三、天然气的视临界参数 天然气在临界点的温度和压力称为视临界参数，即视临 界温度和视临界压力。由于多组分特点，只有实验方法可以 直接测得天然气的视临界参数，间接方法有Kay混合规则方 法和经验公式 1）Kay方法 若天然气由k种组分组成，则视临界参数为
k
p c y i p ci
i 1 k
pc ¡ 天然气的视临界压力， Mpa Tc ¡ 天然气的视临界温度， K yi ¡ 天然气组分 i的摩尔分数 pci ¡ 天然气组分 i的临界压力， Mpa Tci ¡ 天然气组分 i的临界温度， K
非烃气体（少量）
硫化氢（H2S） 硫醇（RSH） 硫醚（RSR） 二氧化碳（CO2） 一氧化碳（CO） 氮（N2） 水汽（H2O）
稀有气体（微量）
氦（He） 氩（Ar）等。
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¡ 1 天然气的组成和相对视分子量及天然气的视临界参数 二、天然气的相对视分子量
¡ 1 天然气的组成和相对视分子量及天然气的视临界常数 一、天然气的组成 在常温常压下，1-5个碳原子的烃类为气体，即天然气。
天然气是指在不同地质条件下生成、运移，并以一定的压力储集 在地层中的气体。大多数气田的天然气是可燃性气体，主要成分是气 态烃类，并含有少量的非烃气体。 烃类气体
天然气燃烧特性
CH4
C2H6 C3H8 C4+ H2 CO O2
100
15 15 5 0 15 10
85
0 0 0 0 0 0
占反应物体积%
同上 同上 同上 同上 同上 同上
CO2
N2
15
30
0
0
占天然气总量体积%
同上
性能指标 惰性气体总量 硫 芳烃
（苯，甲苯等）
高限 30
低限 0
说明 占天然气总量体积% 中国国标规定符合要求
需要提出数据
0
当天然气预热温度较高时会 生成胶状物
固体颗粒总量 ppmw
>10μ颗粒 ppmw
23-35
0.2-0.4
0
0
尚需乘以天然气低热值/纯甲 烷低热值
同上
痕量金属（钠、 钾）ppmw
液滴
0.8
0
0
0
同上。一般天然气中只含有 由盐水带入的钠，钾
液滴会损坏机器部件
点火性能
供气压力
应符合一般天然气的点火性 能，否则需协商
39.842 ( 9516 )
35.906 ( 8576) 53.494 (12777) 48.209 (11515) 40.3
40.282 (9621)
36.336 ( 8679) 52.895 (12633) 47.716 (11397) 39.8
38.224 (9130)
34.456 ( 8230) 49.628 (11854) 44.736 (10685) 37.4
◆以上这些特性都可以按天然气组分计算或实验测定
四、天然气的组分和特性参数
成分 塔里木气 陕甘宁气 东海气 西澳卡拉沙 LNG 印尼东周 LNG
天然气及其组分的物理化学性质
天然气及其组分的物理化学性质天然气及其组分的物理化学性质天然气的主要成分为甲烷，此外还含有乙烷、丙烷、丁烷等烃类气体，氮、CO2、H2S及微量氢、氦、氩等非烃类气体，一般气藏天然气的甲烷含量在90%以上。
油田伴生气中甲烷含量占65%～80%，此外还含有相当数量的乙烷、丙烷、丁烷等烃类气体。
一、天然气主要组分的物理化学性质天然气主要组分的物理化学性质见表1-3-1。
表1-3-1天然气主要组分在标准状态下的物理化学性质名称分子式相对分子质量摩尔体积Vm/(m3/kmol)气体常数R(J/kg·K)密度ρ/(kg/m3)临界温度T c/K临界压力Pc/MPa高热值Hh/(MJ/m3)高热值Hh/(MJ/kg)低热值H1/(MJ/m3)甲烷CH416.04322.362518.750.7174190.584.54439.842 35.906乙烷C2H630.0722.187276.641.3553305.424.81670.35155.36764. 397丙烷C3H844.09721.936188.652.0102369.824.194101.26651.90893.24 0正丁烷n-C4H1058.12421.504143.1302.703425.183.747133.88650.376 123.649异丁烷i-C4H1058.12421.598143.132.6912408.143.600133.04849.532 122.853正戊烷C15H1272.15120.891115.273.453746.9653.325169.37749.43 8156.733氢H22.01622.427412.67O.089833.251.28012.74549.04210.786氧O231.99922.392259.971.4289154.334.971—141.926—氮N223.01322.403296.951.2507125.973.349——氦He3.01622.42281.170.13453.350.118——二氧化磺CO244.01022.26189.041.9768304.257.290———硫化氢H2S34.07622.18244.171.5392373.558.89025.364 23.383空气28.06622.40287.241.2931132.43.725—16.488—水蒸气H2O18.01521.629461.760.8330647.0021.830—名称低热值H1/(MJ/kg)爆炸极限(体积分数)/%动力黏度μ×106/(Pa·s)运动黏度υ×106/(m2/s)沸点/℃定压比热容Cp/(kJ/m3·K)绝热指数K导热系数λ/[W/(m·K)]偏心因子上限下限甲烷 5.015.010.6014.50- 161.491.5451.3090.030240.0104乙烷50.052.913.08.776.41-88.002.2441.1980.018610.0986丙烷47.5152.19.57.653.81-42.052.9601.1610.015120.1524正丁烷46.3831.58.56.972.53-0.053.7101.1440.013490.2010异丁烷45.7451.88.5 -11.72—1.144—0.1848正戊烷45.651.48.36.481.8536.06—1.121—0.2539氢45.3814.075.98.5293.00-252.751.2981.4070.21630氧120.111——19.8613.60-182.981.3151.4000.02500.0213氮——17.0013.30-195.781.3021.4020.024890.04氦————-269.95—1.640——二氧化碳———14.307.09-78.200.6201.3040.013720.225硫化氢 4.345.511.907.63-60.201.5571.3200.013140.100空气15.192——17.5013.40-192.501.3061.4010.02489—水蒸气——8.6010.12—1.4911.3350.016170.3480二、天然气中有机硫化合物的主要性质天然气中除含有H2S外，还含有数量不等的硫醇、硫醚以及微量的二硫化碳、硫化羰。
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（CH4）占绝大部分，乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）和戊烷（C5H12）含量不多，庚烷以上（C5+）烷烃含量极少。
另外，所含的少量非烃类气体一般有氮气（N2）、二氧化碳（CO2）、氢气（H2）、硫化氢（H2S）和水汽（H2O）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 VV V y ； 1='∑i y ；∑==ii 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 Tppn 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 414.221ρ； 20℃标准状态 ∑=i i M y 055.241ρ 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。
天然气基本知识
在一定条件下，将与水结合形成水化物，堵 塞管道、仪表、阀门。 天然气中含有液态水时，将在管道低洼 处分离出来减小流通面积，增大输气阻力。 天然气中含有液态水燃烧时，水将汽化 吸热，降低天然气的燃烧值。 由于上述问题，将增加许多维修管理的 工作量，因此会增加许多管理费用。
2、影响天然气含水量的因素 1)温度和压力的影响 在天然气中含有液态（或游离态）水 时，温度一定，压力越高，天然气中含水 量（水汽量）越少；压力越低，天然气中 含水量（水汽量）越多。压力一定，温度 越高，天然气中含水量（水汽量） 越多； 温度越低，天然气中含水量（水汽量）越 少。 2)天然气的分子量越大，天然气中含水 量（水汽量）就越多。
3、其它组分 天然气除了含以上成分外，还含有二氧 化碳和一氧化碳、氧和氮、氢等以及水分。 二氧化碳溶于水呈酸性，对金属设备腐 蚀严重，通常在天然气脱硫工艺中，将二氧 化碳同硫化氢一起尽量脱除（脱硫、脱碳）。 天然气中含水分，温度降低会不断冷凝 为液态水，会影响管输工作。一般采用吸收 法、低温分离法和吸附法等将水和烃的露点 降低到规定值。
三、节流前后压力、温度的关系式
P T1 1 T2 P 2
k 1
k
式中：P1、T1－－节流前的压力、温度。 P2、T2－－节流后的压力、温度。 k－－绝热指数，一般天然气为1.2—1.4, 干气取1.3,湿气取1.2.
四、节流效应的危害和用途 危害：产生水化物甚至结冰，堵塞管路、 设备、仪表。 用途：用节流降温可以除去天然气中的 水和凝析油。 节流效应适用于一切真实气体。
第四节 天然气的节流效应
一、节流效应的概念 又称焦耳-汤姆逊效应，气体遇到压力突 变（如调压阀）引起温度急剧降低，甚至产 生冰冻，这种现象叫做节流效应。 对于理想气体，节流效应是不存在的， 只发生在真实气体上。 气体通过弯头、变径管等，都会引起节 流。