天然气与LNG成分

天然气与LNG成分 Liquefied Natural Gas 天然气的组成 天然气是各种碳氢化合物为主的气体混合物。主要成分为甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、戊烷和微量的重碳氢化合物及少量非烃类的气体，如:氮、硫化氢、二氧化碳、氦气等。 天然气可分为气田气、油田气和凝析气田气三种。 气田气主要含甲烷，含量约为80%-98%;乙烷至丁烷烃类的含量一般不大，戊烷以上重烃以及非烃类气体不含或含量甚微。 油田气包括溶解气和气顶气，它的特征是乙烷和丁烷以上的烃类含量一般较高，其组成同分去凝析油以后的凝析气田气相类似。 从凝析气田采出的天然气，除含有大量的甲烷、乙烷外，还含有一定数量的丙烷、丁烷、戊烷及戊烷以上烃类，含有汽油和煤油成分。 天然气还可以分为干气(或贫气)和湿气(或富气)两类。一般来说，天然气中甲烷含量在90%以上时叫干气;甲烷含量低于90%，而乙烷、丙烷等烷烃的含量在10%以上的叫湿气。 若按天然气中含硫量的多少来划分，每立方米天然气中含硫量小于1克的称为净气;每立方米天然气中含硫量大于1克的称为酸气。 一、天然气的组成示方法 天然气组成有三种表示方法:质量组成、体积组成和摩尔组成。每种组成均可用百分数或小数表示。 1、质量组成 用百分数表示时: gi= ×100 用小数表示时:gi= 2、体积组成 用百分输表示时:Vi= ×100 用小数表示时:Vi= 3、摩尔组成 用百分数表示时:yi= ×100 用小数表示时:yi= 二、表示天然气组成的三种方法可以互相转换 1、如果已知天然气的质量组成，要求换算为体积组成或摩尔组成，则 yi= = 式中Mi:组分i的分子质量 2、如果已知天然气的体积百分数，利用下面方法可换算为质量百分数gi gi= = 天然气的物理化学性质 1、 天然气的压力:就是天然气中无运动的大量分子之间碰撞力的总和，它表示天然气能量的大小。 2、 天然气的温度:表示天然气内分子热运动的剧烈程度。温度的高低取决于天然气内部的热运动状态。 3、 天然气的临界温度。对每一种纯的气体都存在着一定的温度，高于此温度时，无论加多大压力也不可能使它由气体变为液体，这个温度称为临界温度，用符号Tc表示。临界温度是该气体能以液体状态存在的最高温度。 4、 天然气的临界压力。在临界温度下，气相与液相相平衡时所施加的压力。也 可以定义为相应于临界温度时的饱和压力，用符号Pc表示它是在临界温度下气 体由气态转变为液态所需的最低压力。 5、 天然气的露点。天然气中含有一定的水蒸汽，当温度下降或压力升高到一定 数值时，天然气中水蒸汽开始析出，此时该天然气为水蒸汽所饱和(即达到饱和 状态)，此时的温度称为天然气的露点。 6、 天然气的分子质量。天然气是多种气体组成的混合气体，它本身没有一个分 子式，也不能像纯气体一样，可以从分子式中算出一个恒定的分子质量。但是， 工程中为了计算方便，把0?、101325Pa时体积为22.4m3天然气所具有的质量 认为是天然气的分子质量。换言之，天然气的分子质量，在数值上等于在基准 状态下1mol天然气的质量。 已知天然气中组分i的摩尔组成yi(或体积组成，均用小数表示)和分子质量 Mi，则天然气分子质量可由下式求得: M= 7、 天然气的密度。天然气的密度定义为单位体积天然气的质量，用符号ρ表 示 ρ= 天然气中常见烃类的基本性质(在101325Pa、0?) 项目 甲烷 乙烷 丙烷 异丁烷 正丁烷 异戊烷 正戊烷 分子式 CH4 C2H6 C3H8 i-C4H10 n- C4H10 i-C3H12 n- C3H12 分子质量M 16.043 30.070 44.097 58.124 58.124 72.151 72.151 千摩尔体积Vm,m3/Kmol 22.362 22.1872 21.9362 21.5977 21.5036 20.983 20.891 密度ρ,Kg/m3 0.7174 0.353 2.0102 2.6912 2.7030 3.4386 3.4537 相对密度Δ 0.5548 1.046 1.555 2.081 2.090 2.659 2.671 临界温度TC,K 191.05 305.45 368.85 407.15 425.15 460.85 470.35 临界压力PC,MPa 4.491 4.727 4.256 3.54 3.501 3.226 3.236 临界比容Vc,m3/kmol 0.099 0.143 0.195 0.263 0.258 0.316 0.311 高发热值Hh,MJ/m3 39.84 67.34 101.26 133.05 133.89 168.32 169.37 低发热值Hh,MJ/m3 35.90 64.40 93.24 122.85 123.65 155.72 156.73 爆炸下限%，(体积) 5.0 2.9 2.1 1.8 1.5 1.6 1.4 爆炸上限%，(体积) 15.0 13.0 9.5 8.5 8.5 8.3 8.3 定压比热Cp，KJ/Kg.K 2.223 1.729 1.863 1.658 1.658 1.654 1.654 定容比热Cv，KJ/Kg.K 1.67 1.444 1.649 1.49 1.49 动力粘度μ,Pa.S×105 1.027 0.843 0.735 0.676 0.669 0.616 0.635 运动粘度η,m2/s.105 1.416 0.611 0.358 0.246 0.243 0.176 0.180 气体常数R,KJ/Kg.K 0.5171 0.2759 0.1846 0.1378 0.1372 0.1078 0.1074 偏心因子ω 0.0104 0.0986 0.1524 0.1848 0.2010 0.2223 0.2559 式中:m:天然气的质量，kg V:天然气的体积，m3 因为在0?、101325Pa下，1mol任何气体的体积都等于22.4 m3 ，所以任何 气体在此标准状态下的密度为: ρ0= 气体的密度于压力、温度有关，在低温、高压状态下还与气体的压缩系数有关。 8、相对密度。天然气的相对密度使在相同压力和温度条件下天然气的密度与空气密度之比，即:ρ天/ρ空，是一个无量纲的量。天然气的相对密度一般在0.58-0.62之间，石油伴生气的相对密度在0.58-0.62之间，个别含重烃多的油田气也有大于1的。 9、天然气的比热。使单位数量的气体温度升高1?所需要的热量叫气体的比热(热容)，其单位为J/Kg.K或J/Kg. ?。过去常用的单位是Kcal/ Kg. ?。 1 Kcal/ Kg. ?=4.18 J/Kg. ? 10、天然气的热值。天然气的重要用途之一是作为燃料，热值是它的一项经济指标。每千克或每立方米天然气完全燃烧所发出的热量称为天然气的燃烧热值，简称天然气热值，单位为KJ/Kg或KJ/m3。完全燃烧是指燃烧反应后生成最稳定的氧化物或单质。 天然气的热值有两种表示方法:高热值和低热值。天然气燃烧时，要生产水蒸汽，水蒸汽冷凝成水要放出汽化潜热，把水蒸汽的汽化潜热(水的汽化潜热为2256.7KJ/m3)计算在内的热值称为高热值。实际上，在天然气燃烧时，由于烟筒内烟道气温度很高，燃烧产生的蒸汽不凝结，汽化潜热无法利用，从高热值中减去实际不能利用的汽化潜热就是低热值，工程上常用低热值。 天然气的燃烧热值决定了它的热力价值，是天然气很重要的质量指标，在下列几种常用燃料中天然气的燃烧热值最高。 其中:天然气46055 KJ/m3，气田气35588-41868 KJ/m3;油田气35588-66989 KJ/m3;煤29308 KJ/m3。 11、天然气的爆炸性。天然气在空气中的含量达到一定比例，就会与空气构成爆炸性的混合气体，这种气体遇到火源，就会发生爆炸和燃烧。 12、天然气的毒性和腐蚀性。从气井中开采出来的天然气或多或少地含有硫化氢和二氧化碳等酸性气体，以及含有硫醇、硫化碳、二硫化碳等有害物质，其中以酸性气体特别是硫化氢的危害最大。由于硫化氢是毒性很强的气体，对人体、管道、设备和仪表都有严重的危害。 LNG:(Liquefied natural gas) 一种液化状况下的无色流体，主要由甲烷组成，可能含有少量的乙烷、丙烷、氮或通常存在于天然气中的其它组分。 基本物理特性: 标准气压下沸点为162?;无色、无味、无毒、无腐蚀性;可以方便地利用泵管系统输送;气液体积比约为620:1@S.P.T 与其它燃料的性质对比 柴油 汽油 LNG 着火点 650? 350? 427? 主要成分 CH4 C16H32 C8H18 爆炸极限 5-15% 0.5~4.1% 1.0~7.6% 密度kg/L 0.42-0.47 0.85 0.72~0.75 热值MJ/L 22.9-23.7 35.7~37.6 32.6~34.8 储存温度 -160~-120? 常温 常温 《车辆制冷与空调》第二次作业参考 《车辆隔热壁》、《制冷方法与制冷剂》、《蒸汽压缩式制冷》 一(简答题 1. 什么是隔热壁的传热系数,它的意义是什么, 答:隔热壁的传热系数指车内外空气温度相差1?时，在一小时内，通过一平方米热壁表面积所传递的热量。可以概括为单位时间、单位面积、单位温差传递的热量。 它可以表示出车体隔热壁允许热量通过的能力，愈大，在同样的传热面积与车内外温差的情况下，通过的热量就愈大，隔热性能就愈差。 2. 热量是如何从隔热壁一侧的空气中传至另一侧空气的, 答:热量从隔热壁一侧的空气中传至另一侧的空气中，其传热过程可以分为: 1)表面吸热——热量从一侧的空气中传至隔热壁的一侧表面; 2)结构透热——热量从隔热壁的一侧表面传至另一侧表面; 3)表面放热——热量从隔热壁另一侧表面传至另一侧的空气中。 3. 如何改善隔热壁的性能, 答:(1)尽可能减少热桥;(2)不同材料必须完全密贴;(3)减少漏泄;(4) 选用隔热性能较好的材料。 4. 蒸汽压缩制冷循环系统主要由哪些部件组成，各有何作用, 答:在蒸汽压缩制冷循环系统中，蒸发器、冷凝器、压缩机和节流阀是制冷系统中必不可少的四大件。 蒸发器是输送冷量的设备。制冷剂在其中吸收被冷却物体的热量实现制冷。 压缩机是心脏，起着吸入、压缩、输送制冷剂蒸汽的作用。 冷凝器是放出热量的设备，将蒸发器中吸收的热量连同压缩机功所转化的热量一起传递给冷却介质带走。 节流阀对制冷剂起节流降压作用、同时控制和调节流入蒸发器中制冷剂液体的数量，并将系统分为高压侧和低压侧两大部分。 实际制冷系统中，除上述四大件之外，常常有一些辅助设备，如电磁阀、分配器、干燥器、集热器、易熔塞、压力控制器等部件组成，它们是为了提高运行的经济性，可靠性和安全性而设置的。 5. 蒸发器内制冷剂的汽化过程是蒸发吗,蒸发与沸腾有什么区别, 答:是。蒸发是汽化的一种形式，只在液体表面发生，而沸腾是汽化的又一种形式是在液体内部和表面同时发生的。 液体蒸发在任何温度下都能进行,且只在液体表面进行。 液体沸腾是在一定温度下发生的剧烈的汽化现象。液体沸腾时要吸热，但液体温度保持不变。 4 6. 制冷剂在蒸汽压缩制冷循环中，热力状态是如何变化的, 答:制冷剂蒸汽由蒸发器的末端进入压缩机吸气口时，压力越高温度越高，压力越低温度越低。制冷剂蒸汽在压缩机中被压缩成过热蒸汽，压力由蒸发压力P升高到冷凝压力P。为绝热压缩过程。外界的能量对制冷剂做功，使得制冷0k 剂蒸汽的温度再进一步升高，压缩机排出的蒸汽温度高于冷凝温度。 过热蒸汽进入冷凝器后，在压力不变的条件下，先是散发出一部分热量，使制冷剂过热蒸汽冷却成饱和蒸汽。饱和蒸汽在等温条件下，继续放出热量而冷凝产生了饱和液体。 饱和液体制冷剂经过节流元件，由冷凝压力P降至蒸发压力P，温度由tk0k降至t。为绝热膨胀过程。 0 以液体为主的制冷剂，流入蒸发器不断汽化，全部汽化变时，又重新流回到压缩机的吸气口，再次被压缩机吸入、压缩、排出，进入下一次循环。 7. 制冷剂在通过节流元件时压力降低，温度也大幅下降，可以认为节流过程近 似为绝热过程(即与外界没有热量交换)，那么制冷剂降温时的热量传给了 谁,用于干什么, 答:这个过程中热量传给了自身，使部分制冷剂液体汽化成蒸汽。 8. 单级蒸汽压缩式制冷理论循环有哪些假设条件, 答:理论循环假定: 假设进入压缩机的为饱和蒸汽，进入节流阀的为饱和液体; ? ? 假设压缩过程是等熵过程，节流过程是等焓过程; ? 假设蒸发与冷凝过程无传热温差; ? 假设除两大换热器外，系统与外界无热交换; ? 假设制冷剂无流阻损失。 9. 什么叫液体过冷,液体过冷对循环各性能参数有何影响,、 答:过冷液体:当冷凝剂在冷凝器中被冷凝成液体后，如果液体继续向外放热，制冷剂的温度就会低于饱和温度(对应于冷凝压力的冷凝温度)，低于饱和温度的制冷剂液体称为过冷液体。 液体过冷对循环各性能参数的影响: ? 使单位制冷量增大; ? 使单位容积制冷量增大; ? 单位功保持不变; ? 使制冷系数增大。 总之，制冷剂液体的过冷有利于制冷循环，可提高制冷循环经济性。 10. 试写出制冷剂R11、R115、R32和R12、Rl2B1的化学式。 答:R11: CFCL R115: CFCL (注意区分:R1150:CH) 32524 5 R32: CHF R12: CFCl 22 22 Rl2B1:CFCLBr 2 11. 试写出CF3Cl、CH4、CHF3、C2H3F2Cl、H2O、CO2的编号。 答: CFCL:R13 3 CH R50 4: CHF:R23 3 CHFCl: R142B 232 HO:R718 2 CO:R744 2 12. 写出与下列制冷剂的符号规定式相对应的化学分子式(要求写出过程) (1)R22 (2)R134 答:(1)R22符号规定式通式为R(m-1)(n+1)x m-1=2 n+1=2 x=2 所以m=1 n=1 x=2 符号规定式通式为:CHFCI mnxy y=2m+2-n-x=2+2-1-2=1 所以R22的符号规定式为CHCIF2 (2)R134符号规定式通式为R(m-1)(n+1)x m-1=1 n+1=3 x=4 所以m=2 n=2 x=4 符号规定式通式为:CHFCImnxy y=2m+2-n-x=4+2-2-4=0 所以R134的符号规定式为CHF224 13. 单级蒸汽压缩式制冷实际循环与理论循环有何区别, 答:单级蒸汽压缩式制冷实际循环与理论循环的区别: 在实际循环中存在: (1)制冷剂在流动过程中会产生阻力压降; (2)蒸发器出口蒸汽过热 (3)冷凝器出口液体过冷; (4)压缩机压缩空气的过程不等熵。 与理论循环相比，实际循环单位实际压缩功增大，而压缩机实际输气量减小。 14. 什么叫有效过热,什么叫有害过热,有效过热对哪些制冷剂有利，对哪 些制冷剂不利, 答:有效过热:即吸入蒸汽的过热量全部来自冷藏货物间内的吸热。如果吸 6 入蒸汽的过热发生在蒸发器本身的后部，或者发生在安装于被冷却室内的吸气管道上，或者发生在二者皆有的情况下，那么因过热而吸收的热量来自被冷却空间，如吸入蒸汽的过热热全部来自冷藏货物间或客车室内的西热，因而产生了有用的制冷效果。这种过热称之为“有效”过热。 有效过热对R502 R600a R290 R134a等制冷剂有利，而对R22 和Nh3等制冷剂不利。 有害过热:吸入蒸汽的过热全部来自冷藏货物间外。由蒸发器出来的低温制冷剂蒸汽，在通过吸入管道进入压缩机前，从周围环境中(如冷藏货物间之外)吸取热量而过热，制冷剂所增加的吸热量Δq0r并没有对冷却对象产生任何制冷效应，即没有提高制冷装置的有效制冷量，习惯上称这种过热为“无效”过热。在这种吸气过热时，过热度越大，制冷系数和单位容积制冷量降低越多，冷凝器的热负荷也增加越多，故称之为有害过热。蒸发温度越低，有害过热越大。 15. 什么是回热循环,它对制冷循环有何影响, 答:回热循环就是让蒸发器出来的制冷剂蒸汽和高温制冷剂液体在热交换器中进行热交换，使液体过冷，气体过热的循环。 回热循环对制冷循环的影响: (1)可以保证制冷装置的压缩机运转安全; )可以减小节流热损失。 (2 16. 蒸汽有害过热对循环各性能参数有何影响,减小蒸汽有害过热的是 什么, 答:蒸汽过热对循环各性能参数的影响: 单位质量制冷量q0不变; 单位理论功增大; 制冷系数减小; 单位容积制冷量减小; 冷凝器的热负荷增加。 减小蒸汽有害过热的措施:吸气管路用隔热材料包扎起来。 17. 什么叫过冷度,什么叫过热度, 答:过冷度:饱和温度与过冷液体的温度之差称为过冷度。 过热度:过热蒸汽的温度与饱和蒸汽的温度之差称为过热度。 18. 蒸汽压缩制冷用制冷剂是如何分类的, 答:按化学结构分有: 无机化合物(如R717等);碳氢化合物(R600a、R290等)。?氟里昂(R22、R134a等);?多元混合溶液(非共沸溶液有R407C等，共沸溶液有R502等);按蒸发温度和冷凝压力分有:?高温低压制冷剂;?中温中压制冷剂;?低温高压制冷剂。按可然性和毒性分，分不可然、可然、易燃、低毒、高毒等组合类别。 7 19. 何为CFC类物质,为何要限制和禁用CFC类物质, 答:CFC类物质就是不含氢的氟里昂。CFC物质对大气忠的臭氧和地球高空的臭氧层有严重的破坏作用，会导致地球表面的紫外线辐射强度增加，破坏人体免疫系统。还会导致大气温度升高，加剧温室效应。因此，减少和禁用CFC类物质的使用和生产，已经成为国际社会环保的紧迫任务。 20. 冷凝温度变化和蒸发温度变化分别对蒸汽压缩式制冷系统有何影响, 答:当蒸温度一定时，随着冷凝温度的升高，则节流损失增大，制冷量减少，而轴功率增大，制冷系数降低;冷凝温度下降，则节流损失减小，制冷量增加，功耗减少，制冷系数提高。 当冷凝温度一定时，随着蒸发温度的下降，压缩机制冷量减少，而轴功率与制冷系数视情况而变。也减少。冷凝温度不变时，制冷机在不同蒸发温度下轴功率是变化的，而且与未变化前的蒸发温度有关。当t由室温逐渐下降时，制冷e 机的轴功率逐渐增大，t下降到一定值时，轴功率会达到最大值。如果蒸发温度e t继续下降，轴功率逐渐减小。 e 二. 画图及说明 ,(画出制冷系统的基本原理图及单级蒸汽压缩式制冷循环的理论循环压焓图和T-S，并说明其循环过程。 答:制冷系统的基本原理图间图1。 压缩机的可逆绝热过程是等熵过程，节流过程常可看作为等焓过程，则循环可用如下P-H和,-S图表示。图2 为单级蒸汽压缩式制冷循环的理论循环压焓图和T-S。 冷凝器 压缩机 节流阀 蒸发器 图1 8 图2 ,(画出蒸汽压缩制冷回热循环的P-H图和,,,图。 解:单级蒸汽压缩制冷回热循环的P-H图和,-S图如下图所示: 三. 计算题 ,(假定循环为单级压缩蒸汽制冷的理论循环，蒸发温度t0=,15?,冷凝温度为30?，工质为R12，试对该循环进行热力计算。 (根据R12的热力性质图表，查出有关状态参数值: h1=345.8 kJ/kg v1=0.09145 m3/kg h3=h4=228.6 kJ/kg h2=375.1 kJ/kg t2=57?) 解:该循环的压焓图如下所示: 9 1 单位质量制冷量 q=h,h=345.8-228.6=117.2 kJ/kg 0153 2 单位容积制冷量 q= q/ v=117.2/0.09145=1281.6 kJ/M V01 4 单位理论功 w=h2,h1=375.1-345.8=29.3 kJ/kg 0 5 制冷系数 ε= q/ w=117.2/29.3=4.0 00 6冷凝器单位热负荷 q=h,h=375.1-228.6=146.5 kJ/kg k23 4-1,(有一氨压缩制冷机组，制冷能力Q为4.0×10KJ?h，在下列条件工作:0 蒸发温度为-25?，进入压缩机的是干饱和蒸汽，冷凝温度为20?，冷凝过冷5?。试计算: (1)单位重量制冷剂的制冷能力; (2)每小时制冷剂循环量; (3)冷凝器中制冷剂放出热量; (4)压缩机的理论功率; (5)理论制冷系数。 5解:查表得到制冷剂氨在-25?时的P0=1.51585×10 pa，20?时的压力为Pc=0.85737 Mpa，15?时的压力为0.728785 Mpa。 首先在P—H图(或T—S图)上按照已知条件定出各状态点。 -1查得 H=1430KJ?kg 1-1 H=1680KJ?kg 2 冷凝出来的过冷液体(过冷度为5?)状态3 的决定:假设压力对液体的焓值几乎没有影响，从状态3沿着饱和液体线向下过冷5?，找到3 ，用此点的焓值近似代替3 的焓值，由于过冷度是有限的，实际上3 和3 很接近，不会造成太大的偏差。3 ?4仍为等焓膨胀过程， -1 H=H=270kJ?kg 3`4-1 制冷能力 q=H-H=1430-270=1160KJ?kg 014 4Q4，10,10G,,,34.5kg,h 制冷剂循环量 q11600 -1冷凝过程即2?3 ，放出热量Q=(H-H)G=34.5(270-1690)=-48645KJ?h 32 G(H,H)34.5(1680,1430)21N,,,2.40kW压缩机功率 36003600 10 H,H1430,270116014制冷系数 ,,,,,4.64H,H1680,143025021 ,.有人了一套装置用来降低室温。所用工质为水，工质喷入蒸发器内部分汽化，其余变为5?的冷水，被送到使用地点，吸热升温后以13?的温度回到蒸发器，蒸发器中所形成的干度为98%的蒸汽被离心式压气机送往冷凝器中，在32?的温度下凝结为水。为使此设备每分钟制成750kg的冷水，求 1) 蒸发器和冷凝器中的压力; 2) 制冷量(kJ/h); 3) 冷水循环所需的补充量; 4) 每分钟进入压气机的蒸汽体积。 解: (1) 从饱和水和饱和蒸汽表查得:蒸发器内5?水的饱和蒸汽压 55p=0.00872×10Pa，冷凝器的温度为32?水的饱和压力p=0.0468×10Pa 12(2) 本装置依靠5?的冷水从室内吸热，从而升温至13?来降低室温，故本装 置的制冷量为 Q=G(H,H)=GC(T,T) 02562P56 =750×4.184×(13,5) =25104(kJ/min)=1506240kJ/h (3) 对蒸发器作质量衡算 G=G，G (1) 132 对蒸发器再作能量衡算 GH=GH，GH (2) 153126 联立方程(1)和(2)求得G，即为冷水循环所需的补充量 3 750()HH,56 G= 3HH,15 从饱和水和饱和蒸汽表查得 H(t=5?，x=0.98)=2460kJ/kg，H(t=13?的饱和水)=54.(kJ/kg) 15 因此 25104G==10.48(kg/min) B246054.6, 3(4) 从饱和水和饱和蒸汽表查得:5?时的饱和蒸汽比容υ=147.12m/kg;5?g3时饱和水的比容υ=0.001m/kg，则干度为0.98的蒸汽比容 f3 υ=υx，υ(1,x)=147.12×0.98，0.001×(1,0.98)=144.18(m/kg) gf 最后得到每分钟进入压气机的蒸汽体积为 3 V=Gυ=10.48×144.18=1511(m/min) 3 11