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使用状态方程计算天然气焦耳-汤姆逊系数YUAN Weimin;WANG Hui;CHEN Xueyan;WANG Le;LEI Jiangkai;ZHANG Xiaohui;CHEN Li【摘要】当气体在管道中流动时,遇到阀门、孔板等节流元件,由于压力显著降低形成节流现象,需要通过焦耳-汤姆逊系数预测温度的变化.对具有代表性的立方型状态方程,即Redlich-Kwong(RK)、Soave-Redlich-Kwong(SRK)、Peng-Robinson(PR)状态方程,以及多参数状态方程即Benedict-Webb-Rubin-Starling(BWRS)状态方程和对比态原理状态方程即Lee-Kesler-Plocker(LKP)状态方程进行了焦耳-汤姆逊系数相关偏导数的推导,并给出了计算过程中涉及到的温度的一阶导数da/dT和Tda/dT公式及其单组分计算公式和多组分的混合规则.由具有代表性的状态方程推导出焦耳-汤姆逊系数公式,便于工程设计计算中使用.【期刊名称】《石油工程建设》【年(卷),期】2019(045)001【总页数】5页(P22-26)【作者】YUAN Weimin;WANG Hui;CHEN Xueyan;WANG Le;LEI Jiangkai;ZHANG Xiaohui;CHEN Li【作者单位】;;;;;;【正文语种】中文1 焦耳-汤姆逊系数及其基本关联式高压流体经节流膨胀后，由于压力变化而引起温度的变化，被称为节流效应或者焦耳-汤姆逊（Joule-Thomson）效应[1]。
节流膨胀可近似看作敞开系统稳流过程，并且是绝热又无轴功，如略去动能、位能变化，焓差为零，是恒焓过程。
节流膨胀时，微小的压力变化引起温度变化的关系称为微分节流效应系数或焦耳-汤姆逊（Joule-Thomson）效应系数[2]，以μJ来表示，它代表在等焓的情况下节流过程中温度随压力的变化率。
式中：μJ为焦耳-汤姆逊系数，K/kPa；p为系统压力，kPa；T为系统温度，K；H为气体的焓，J/mol。
整个计算过程的公式包括三部分：一．天然气物性参数及管线压降与温降的计算 二．天然气水合物的形成预测模型 三．注醇量计算方法一．天然气物性参数及管线压降与温降的计算 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 M y M(1) 式中 M —气体的平均分子量，kg/kmol ；y i —气体第i 组分的摩尔分数；M i —气体第i 组分的分子量，kg/kmol 。
天然气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 14.4221ρ (2) 20℃标准状态∑=i i M y 055241.ρ (3) 任意温度与压力下∑∑=ii ii V y M y ρ(4)式中 ρ—混合气体的密度，kg/m 3；ρi —任意温度、压力下i 组分的密度，kg/m 3； y i —i 组分的摩尔分数；M i —i 组分的分子量，kg/kmol ； V i —i 组分摩尔容积，m 3 /kmol 。
天然气密度计算公式gpMW ZRTρ= (5)天然气相对密度天然气相对密度Δ的定义为：在相同温度，压力下，天然气的密度与空气密度之比。
aρρ∆=(6) 式中 Δ—气体相对密度；ρ—气体密度，kg/m 3； ρa —空气密度，kg/m 3，在P 0=101.325kPa ，T 0=273.15K 时，ρa =1.293kg/m 3；在P 0=101.325kPa ，T 0=273.15K 时，ρa =1.293kg/m 3。
因为空气的分子量为28.96，固有28.96M∆=(7) 假设，混合气和空气的性质都可用理想气体状态方程描述，则可用下列关系式表示天然气的相对密度28.96gg ga a pMW MW MW RT pMW MW RT∆===(8) 式中 MW a —空气视相对分子质量；MW g —天然气视相对分子质量。
天然气的虚拟临界参数任何气体在温度低于某一数值时都可以等温压缩成液体，但当高于该温度时，无论压力增加到多大，都不能使气体液化。
天然气理想状态方程引言：天然气是一种重要的能源资源，广泛应用于工业、农业和家庭生活等领域。
研究天然气的性质和行为对于能源开发利用具有重要意义。
其中，天然气理想状态方程是描述天然气在理想条件下的状态和性质的基本方程。
本文将详细介绍天然气理想状态方程及其相关内容。
一、天然气理想状态方程的定义天然气理想状态方程是描述天然气在理想条件下的状态和性质的数学表达式。
根据理想气体定律，理想气体在一定温度和压力下，体积与温度、压力成正比，可以用如下方程表示：PV = nRT其中，P表示气体的压力，V表示气体的体积，n表示气体的物质的量，R为气体常数，T表示气体的温度。
二、理想状态方程的适用条件理想状态方程适用于在理想条件下的气体，即气体分子之间无相互作用力，体积可以忽略不计。
在高温、低压下，气体分子之间的相互作用力可以忽略不计，此时气体表现出理想气体行为。
三、天然气的主要成分天然气主要由甲烷(CH4)组成，同时还含有少量的乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)等烃类和氮气(N2)、二氧化碳(CO2)等非烃类成分。
其中，甲烷是最重要的成分，占据了天然气的绝大部分。
四、天然气理想状态方程的应用1. 计算天然气的物质的量根据理想状态方程，我们可以通过测量天然气的压力、体积和温度，计算出天然气的物质的量。
这对于评估天然气资源的储量和开发利用具有重要意义。
2. 预测天然气的性质理想状态方程可以帮助我们预测天然气在不同温度和压力下的性质。
例如，当温度升高或压力增大时，根据理想状态方程，我们可以预测天然气的体积会变大，密度会减小。
3. 设计天然气储存和输送系统天然气的储存和输送系统需要考虑到气体的压力、体积和温度等因素。
理想状态方程可以用于帮助设计天然气储存和输送系统，确保系统的安全和高效运行。
五、天然气理想状态方程的局限性尽管天然气理想状态方程在理论和实际应用中具有重要意义，但也存在一定的局限性。
理想状态方程假设气体分子之间无相互作用力，而实际气体分子之间存在一定的相互作用力。
天然气体积计算公式天然气是一种重要的能源资源，广泛应用于工业、民用和交通等领域。
在天然气的生产、输送和储存过程中，准确计算天然气的体积是十分重要的。
本文将介绍天然气体积计算的公式及其相关知识。
一、天然气体积的计算公式天然气的体积计算公式是根据理想气体状态方程得出的。
理想气体状态方程是描述气体状态的重要定律之一，由法国物理学家盖·吕萨克和爱德华·克拉普龙于18世纪末提出。
该方程可以表示为：PV = nRT其中，P表示气体的压力，V表示气体的体积，n表示气体的物质的量，R为气体常数，T表示气体的绝对温度。
在天然气的体积计算中，一般采用洛伦兹公式对天然气进行修正，该公式可以表示为：Z = 1 + B × P + C × P^2 + D × P^3其中，Z为修正系数，B、C、D为修正系数的常数，P为天然气的压力。
通过以上两个公式，可以计算出天然气的实际体积。
二、天然气体积计算的影响因素天然气体积的计算不仅仅依赖于上述的公式，还受到以下几个因素的影响：1. 压力：天然气的压力是影响天然气体积的重要因素。
随着压力的增加，天然气的体积会减小；反之，压力的减小会导致天然气的体积增大。
2. 温度：温度也是影响天然气体积的重要因素。
根据理想气体状态方程可知，温度的升高会导致天然气的体积增大，而温度的降低会导致天然气的体积减小。
3. 含气量：天然气的含气量是指单位体积内所含的天然气质量。
含气量的增加会导致天然气的体积增大，反之则会导致天然气的体积减小。
4. 组分：天然气是由多种气体组分组成的混合物，不同组分的气体在不同压力、温度下的体积变化也不同，因此组分的变化也会影响天然气的体积。
5. 地质条件：天然气储层的地质条件也会对天然气体积的计算产生影响。
例如，储层的渗透率、孔隙度等参数会影响天然气的储存和流动，从而影响天然气的体积。
三、天然气体积计算的应用天然气体积计算在天然气工业中有着广泛的应用。
天然气计量计算公式
1.天然气流量计算公式（以标立方米为单位）：
Q=SC×P×Z×T/(P0×T0)
其中
Q为实际流量（标立方米/小时）；
SC为流量计系数，与流量计的规格和型号相关；
P为实际压力（巴）；
Z为天然气压缩因子，与天然气的组分和条件有关；T为实际温度（摄氏度）；
P0为标准压力，一般取标准压力为101.325kPa；
T0为标准温度，一般取标准温度为273.15K。
2.天然气计量热值计算公式：
Qn=Qg×Hg/Hn
其中
Qn为标准煤气流量（万标立方米）；
Qg为实际天然气流量（万标立方米）；
Hg为实际天然气热值（MJ/万标立方米）；
Hn为标准天然气热值（MJ/万标立方米）。
3.天然气计量气体总能量计算公式：
W=Q×H×3600
其中
W为气体总能量（千焦耳）；
Q为天然气流量（标立方米/小时）；
H为天然气热值（J/立方米）；
3600为将小时单位转换为秒的换算系数。
4.天然气计量质量计算公式：
M=Q×ρ
其中
M为天然气质量（千克）；
Q为天然气流量（立方米/小时）；
ρ为天然气密度（千克/立方米）。
以上是常用的天然气计量计算公式，实际计算中可能还需要考虑修正系数、温度压力补偿等因素，具体计算公式和参数可根据实际情况进行相应的调整。
天然气密度1.4MPa天然气密度由理想气体状态方程：PV=nRT，则有n/V=P/RT=4×106÷（8.314×298.15）=1613.67mol/m³由于天然气的主要成分是甲烷，其他的成分很少，因此，再乘甲烷分子量得到天然气密度：16×1613.67mol/m³＝25.819kg/m³。
其中，常温为25℃。
天然气是一种无毒无色无味的气体，其主要成份是甲烷，天然气的低热值为34.91MJ/Nm3。
天然气(甲烷)的密度在0℃,101.352Kpa时为0.7174Kg/Nm3,相对密度(设空气的密度为1)为0.5548，天然气约比空气轻一半，完全燃烧时,需要大量的空气助燃。
1立方米天然气完全燃烧大约需要9.52立方米空气。
如果燃烧不完全,会产生有毒气体一氧化碳，因而在燃气器具使用场所,必须保持空气流通。
在封闭空间内,天然气与空气混合后易燃、易爆、当空气中的天然气浓度达到5-15％时，遇到明火就会爆炸，因而一定要防止泄漏。
举例说明如下：假设燃气锅炉为16t/h,即16*0.7=11.2mw，天然气热值为35170kj/m^3. 按热值计算如下：11.2mw=11.2*10^6j/s=11.2*3600*10^3kj/h1h所需天然气为=11.2*36*10^5/35170=1146.432m^3按经验系数计算如下：1h所需天然气为=16*80=1280m^3 天然气液化石油气的密度等物理性质天然气液化石油气的密度等物理性质一、液化石油气的密度密度是指单位体积的物质所具有的质量。
气体密度随温度和压力的不同有很大的变化，因此在表示气体密度时，必须规定温度和压力的条件。
一般以压力为1大气压，温度为0℃时作为标准态的值。
气体密度可用下式求得：式中：ρ-物质的密度(千克／米) m-物质的质量(千克) y-物质的体积(米)液化石油气既可以以气态形式存在，也可以以液态形式存在，所以，液化石油气的密度有气态密度和液态密度二种。
天然气管存量计算公式1、第一种计算公式 Q=293.15*V*P 均/(T 均*0.101325*Z)其中V 是该管段内容积（即管段管容），Z 是压缩因子，Z=1/(1+5.072*1000000*P 均*10^1.785^C 2/T 均^3.825)， P 均=2/3[P 1+0.101325+（P 2+0.101325）2/(P 1+P 2+2*0.101325)] T 均=(T 1+T 2)/2+273.15P 1、P 2、T 1、T 2分别为管段起、终点压力和温度；C 2是天然气相对密度（注：一定周期内会有小调整）。
总管存Q n 为各分段管存的求和。
2、第二种计算公式 （1）管段管存计算公式：10001pj pj V P T Z V P T Z ⨯⨯⨯=⨯⨯式中：0V ——管段在标准状态下的管存量，单位为立方米（m 3) ；1V ——管段的设计管容量，单位为立方米（m 3) ，计算公式为：4V 21Ld ⨯⨯=π式中：π=3.1415926；d ——管段的内直径，单位为米（m ）；L ——管段的长度，单位为米（m ）； pj P ——管段内气体平均压力(绝对压力)，单位为兆帕（MPa ）；0T ——标准参比条件的温度，数值为293.15K ； 0Z ——标准参比条件下的压缩因子，数值为0.9980； 0P ——标准参比条件的压力，数值为0.101325MPa ； pj T ——管段内气体平均温度，单位为开尔文（K ）；1Z ——工况条件下的压缩因子，根据GB/T 17747.2《天然气压缩因子的计算 第2部分：用摩尔组成进行计算》计算求得。
（2） 平均压力计算公式：12121223pj P P P P P P P ⎡⎤⨯=⨯+-⎢⎥+⎣⎦式中：1P ——管段起点气体压力，单位为兆帕(MPa)；2P ——管段终点气体压力，单位为兆帕(MPa)。
（3） 平均温度计算公式：123132T T T pj ⨯+⨯=式中：1T ——管段起点气体温度，单位为开尔文（K ）；2T ——管段终点气体温度，单位为开尔文（K ）。
物理天然气体积计算公式天然气是一种重要的能源资源，广泛应用于工业生产、家庭供暖、发电等领域。
在天然气的生产、储存和运输过程中，准确计算天然气的体积是非常重要的。
本文将介绍物理天然气体积计算的公式及其应用。
物理天然气体积计算公式是通过理想气体状态方程来计算的。
理想气体状态方程描述了气体的状态与其压力、体积和温度之间的关系，其数学表达式为PV=nRT，其中P为气体的压力，V为气体的体积，n为气体的摩尔数，R为气体常数，T为气体的温度。
根据理想气体状态方程，可以推导出物理天然气体积计算的公式如下：V = (nRT)/P。
其中，V为天然气的体积，n为天然气的摩尔数，R为气体常数，T为天然气的温度，P为天然气的压力。
在使用物理天然气体积计算公式时，需要注意以下几点：1. 温度单位的转换，在计算天然气体积时，温度的单位通常使用开尔文（K），而常见的温度单位是摄氏度（℃）。
因此，在使用公式计算天然气体积时，需要将温度转换为开尔文单位。
转换公式为T(K) = T(℃) + 273.15。
2. 压力单位的转换，在不同的国家和地区，压力的单位也有所不同，常见的压力单位有帕斯卡（Pa）、标准大气压（atm）、毫米汞柱（mmHg）等。
在使用物理天然气体积计算公式时，需要将压力转换为统一的单位。
常见的压力单位换算关系为1 atm = 101325 Pa = 760 mmHg。
3. 摩尔数的计算，摩尔数是指一种物质中含有的摩尔数量，通常用符号n表示。
在计算天然气体积时，需要知道天然气的摩尔数。
摩尔数的计算可以通过天然气的质量和摩尔质量来进行。
摩尔质量是指1摩尔物质的质量，常用符号M表示，其单位为g/mol。
摩尔数的计算公式为n = m/M，其中m为天然气的质量，M为天然气的摩尔质量。
通过以上几点注意事项，可以准确地使用物理天然气体积计算公式来计算天然气的体积。
下面将通过一个实际的例子来说明如何使用物理天然气体积计算公式。
假设有一定质量的天然气，其质量为1000克，温度为25摄氏度，压力为1 atm。
2.1 天然气临界参数计算2.1.1 天然气平均分子量天然气是混合气体，分子量不是一成不变的，其平均分子量按Key 规则计算:g i i M y M =∑（2.1）式中 M g —天然气的平均分子量kg/mol ；M i 、y i —天然气中i 组分的分子量和摩尔分数。
2.1.2 天然气的相对密度首先假定空气和天然气都取同一标准状态，天然气的相对密度可用下式表示： 28.9729g g g gg air air M M M r M ρρ===≈（2.2） 式中 r g —天然气的相对密度；g ρair ρ—同一标准状态下，天然气、空气的密度kg/m 3；g M air M —天然气、空气的平均分子量kg/mol 。
2.1.3 拟临界压力P PC 和拟临界温度T PC① 组分分析方法pc i ci p y p =∑pc i ci T yT =∑（2.3）g i i M y M =∑式中 ci p —— 天然气组分i 的临界压力(绝),MPa ；ci T —— 天然气组分i 的临界温度,(273+t)°K 。
② 相关经验公式方法在缺乏天然气组分分析数据的情况下，可引用Standing 在1941年发表的相关经验公式对于干气2pc 2pc 4.6660.1030.2593.31817g g g gp T γγγγ=+-=+- （2.4）对于湿气2pc 2pc 4.8680.35639.7103.9183.339.7g g g gp T γγγγ=+-=+- （2.5）也可以用下面经验关系式进行计算 对于干气pc pc pc pc 4.88150.386192.2222176.66670.74.77800.248292.2222176.66670.7g g g g gg p T p T γγγγγγ=-=+≥=-=+<（2.6）对于湿气pc pc pc pc 5.10210.6895132.2222176.66670.74.77800.2482106.1111152.22220.7g g g g gg p T p T γγγγγγ=-=+≥=-=+< （2.7）注意：上式是对于纯天然气适用，而对于含非烃CO 2 、H 2S 等可以用Wichert 和Aziz 修正。
