ISO 15403:2000
(Main)Natural gas — Designation of the quality of natural gas for use as a compressed fuel for vehicles
Natural gas — Designation of the quality of natural gas for use as a compressed fuel for vehicles
Gaz naturel — Désignation de la qualité de gaz naturel pour usage comme carburant comprimé pour véhicules
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 15403
First edition
2000-06-01
Natural gas — Designation of the quality of
natural gas for use as a compressed fuel
for vehicles
Gaz naturel — Désignation de la qualité de gaz naturel pour usage comme
carburant comprimé pour véhicules
Reference number
ISO 15403:2000(E)
©
ISO 2000
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ISO 15403:2000(E)
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ISO 15403:2000(E)
Contents Page
Foreword.iv
Introduction.v
1 Scope .1
2 Normative references .1
3 Terms and definitions .2
4 Symbols and abbreviations .9
5 Gas composition requirements.10
6 Gas properties.11
7 Driveability.12
8 Test methods.12
9 Sampling.13
Annex A (informative) Propane and butane content.14
Annex B (informative) Wobbe index range .16
Annex C (informative) Engine knock.18
Annex D (informative) Methane number and octane number .19
Annex E (informative) Water content of natural gas.22
Bibliography .23
© ISO 2000 – All rights reserved iii
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ISO 15403:2000(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies (ISO
member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO technical
committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been established has
the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and non-governmental, in
liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the International Electrotechnical
Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 3.
Draft International Standards adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting.
Publication as an International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this International Standard may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
International Standard ISO 15403 was prepared by Technical Committee ISO/TC 193, Natural gas.
Annexes A to E of this International Standard are for information only.
iv © ISO 2000 – All rights reserved
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ISO 15403:2000(E)
Introduction
Natural gas has been used to some extent as a fuel for internal combustion engines in compressor stations, co-
generation systems, and vehicles of various types for many years now. However, the prerequisites for growth, i.e.
economic viability and fuel availability, were generally not satisfied. Now, with the natural gas industry well
established, supplying 20 % of the world's primary energy, and the need for alternative, low-emission fuels, the
situation has improved considerably. During the past decade, natural gas vehicles have become a viable option with
some one million units now in use around the world. Growth is continuing as many governments actively promote
this clean-burning fuel with its environmental benefits. Many fleet operators are converting their vehicles, and
vehicle manufacturers are developing and marketing dedicated natural gas equipment.
In the context of this standard, natural gas vehicles (NGVs) utilize compressed natural gas stored "on-board". The
pressure of the gas stored in multiple containers is up to a maximum 25 000 kPa. Although the pressure has to be
reduced before combustion, compression and storage gives NGVs an adequate range. While NGVs were initially
equipped with converted gasoline or diesel engines, high-performance, dedicated natural gas engines are now
being extensively developed and produced. Liquefied natural gas (LNG) may also be stored in the fuel tanks of
natural gas vehicles. This, however, will be the subject of a separate International Standard.
This International Standard for the quality designation of compressed natural gas is designed to stipulate the
international requirements placed on the natural gas used as a motor fuel. Engine and vehicle manufacturers must
know these requirements so they can develop high-performance equipment which runs on compressed natural gas.
A technical report giving detailed data on the gas compositions used in ISO 15403 has been drafted and is being
circulated as an addendum.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 15403:2000(E)
Natural gas — Designation of the quality of natural gas for use as a
compressed fuel for vehicles
1 Scope
The aim of this International Standard is to provide manufacturers, vehicle operators, fuelling station operators and
others involved in the compressed-natural-gas vehicle industry with information on the fuel quality for natural gas
vehicles (NGVs) required to develop and operate compressed-natural-gas vehicle equipment successfully.
Fuel meeting the requirements of this International Standard should:
a) provide for the safe operation of the vehicle and associated equipment needed for its fuelling and maintenance;
b) protect the fuel system from the detrimental effects of corrosion, poisoning, and liquid or solid deposition;
c) provide satisfactory vehicle performance under any and all conditions of climate and driving demands.
Some aspects of this International Standard may also be applicable for the use of natural gas in stationary
combustion engines.
2 Normative references
The following normative documents contain provisions which, through reference in this text, constitute provisions of
this International Standard. For dated references, subsequent amendments to, or revisions of, any of these
publications do not apply. However, parties to agreements based on this International Standard are encouraged to
investigate the possibility of applying the most recent editions of the normative documents indicated below. For
undated references, the latest edition of the normative document referred to applies. Members of ISO and IEC
maintain registers of currently valid International Standards.
ISO 6326-1:1989, Natural gas — Determination of sulfur compounds — Part 1: General introduction.
1)
ISO 6326-2:— , Natural gas — Determination of sulfur compounds — Part 2: Gas chromatographic method using
an electrochemical detector.
ISO 6326-3:1989, Natural gas — Determination of sulfur compounds — Part 3: Determination of hydrogen sulfide,
mercaptan sulfur and carbonyl sulfide sulfur by potentiometry.
ISO 6326-4:1994, Natural gas — Determination of sulfur compounds — Part 4: Gas chromatographic method using
a flame photometric detector for the determination of hydrogen sulfide, carbonyl sulfide and sulfur-containing
odorants.
ISO 6326-5:1989, Natural gas — Determination of sulfur compounds — Part 5: Lingener combustion method.
ISO 6327:1981, Gas analysis — Determination of the water dew point of natural gas — Cooled surface
condensation hygrometers.
1) To be published. (Revision of ISO 6326-2:1981)
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ISO 15403:2000(E)
ISO 6570-1:1983, Natural gas — Determination of potential hydrocarbon liquid content — Part 1: Principles and
general requirements.
ISO 6570-2:1984, Natural gas — Determination of potential hydrocarbon liquid content — Part 2: Weighing method.
ISO 6974 (all parts), Natural gas — Determination of composition with defined uncertainty by gas chromatography.
ISO 6976:1995, Natural gas — Calculation of calorific values, density, relative density and Wobbe index from
composition.
ISO 10101-1:1993, Natural gas — Determination of water by the Karl Fischer method — Part 1: Introduction.
ISO 10101-2:1993, Natural gas — Determination of water by the Karl Fischer method — Part 2: Titration procedure.
ISO 10101-3:1993, Natural gas — Determination of water by the Karl Fischer method — Part 3: Coulometric
procedure.
ISO 11541:1997, Natural gas — Determination of water content at high pressure.
ISO 13734:1998, Natural gas — Organic sulfur compounds used as odorants — Requirements and test methods.
2)
ISO 14532:— , Natural gas — Terminology.
3 Terms and definitions
For the purposes of this International Standard, the following terms and definitions apply. Definitions were taken
from ISO 14532 whenever possible.
3.1
natural gas
complex mixture of hydrocarbons, primarily methane, but generally also including ethane, propane and higher
hydrocarbons in much smaller amounts and some non-combustible gases, such as nitrogen and carbon dioxide
NOTE 1 Natural gas generally also includes minor amounts of trace constituents.
NOTE 2 Natural gas is produced and processed from the raw gas or liquefied natural gas and, if required, blended to the
extent suitable for direct use (for example as gaseous fuel).
NOTE 3 Natural gas remains in the gaseous state under the temperature and pressure conditions normally found in service.
NOTE 4 Natural gas consists predominantly of methane (mole fraction greater than 0,70), and has a superior calorific value
3 3
normally within the range 30 MJ/m to 45 MJ/m . It contains also ethane (typically up to 0,10 mole fraction), propane, butanes
and higher alkanes in steadily decreasing amounts. Nitrogen and carbon dioxide are the principal non-combustible
components, each present at levels which typically vary from less than 0,01 mole fraction to 0,20 mole fraction.
Natural gas is processed from the raw gas so as to be suitable for use as industrial, commercial, residential fuel or as a
chemical feedstock. The processing is intended to reduce the contents of potentially corrosive components, such as hydrogen
sulfide and carbon dioxide, and of other components, such as water and higher hydrocarbons, potentially condensable in the
transmission and distribution of the gas. Hydrogen sulfide, organic sulfur compounds and water are then reduced to trace
amounts, and high carbon dioxide contents are likely to be reduced to below 0,05 mole fraction.
Natural gas is normally technically free from aerosol, liquid and particulate matter.
2) To be published.
2 © ISO 2000 – All rights reserved
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ISO 15403:2000(E)
In some circumstances natural gas may be blended with town gas or coke oven gas, in which case hydrogen and carbon
monoxide will be present in amounts up to 0,10 mole fraction and 0,03 mole fraction respectively. In this case, small amounts
of ethylene may also be present.
3)
Natural gas may also be blended with LPG /air mixtures, in which case oxygen will be present, and the levels of propane and
butanes will be considerably enhanced.
NOTE 5 Pipeline quality natural gas is one which has been processed so as to be suitable for direct use as industrial,
commercial, residential fuel or as a chemical feed stock.
The processing is intended to reduce the corrosive and toxicity effects of certain components, and to avoid condensation of
water or hydrocarbons in the transmission and distribution of the gas.
Hydrogen sulfide and water should only be present in trace amounts, and high carbon dioxide content is likely to be reduced.
[ISO 14532]
3.2
substitute natural gas
manufactured or blended gas which is interchangeable in its properties with natural gas
NOTE Manufactured gas is sometimes called synthetic natural gas.
[ISO 14532]
3.3
compressed natural gas
natural gas used as a fuel for vehicles, typically compressed up to 20 000 kPa in the gaseous state [ISO 14532]
NOTE The maximum pressure for natural gas stored in a container is 25 000 kPa.
3.4
gas quality
attribute of natural gas defined by its composition and its physical properties [ISO 14532]
3.5
normal reference conditions
reference conditions of pressure, temperature and humidity (state of saturation) equal to: 101,325 kPa and
273,15 K for a real, dry gas
3.6
standard reference conditions
reference conditions of pressure, temperature and humidity (state of saturation) equal to: 101,325 kPa and
288,15 K for a real, dry gas
NOTE 1 Good practice requires that the reference conditions are incorporated as part of the symbol, and not of the unit, for
the physical quantity represented.
EXAMPLE
�
��
Hp ,,T Vp ,T
��
Scrc crc mrc mrc
��
where
�
H superior calorific value on volumetric basis;
S
3) LPG = liquefied petroleum gas
© ISO 2000 – All rights reserved 3
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ISO 15403:2000(E)
T temperature of the combustion reference conditions;
crc
p pressure of the combustion reference conditions;
crc
V(p , T ) volume at temperature and pressure of the metering reference conditions.
mrc mrc
NOTE 2 Standard reference conditions are also referred to as metric standard conditions.
NOTE 3 The abbreviation s.t.p. (standard temperature and pressure) replaces the abbreviation N.T.P. (Normal Temperature
and Pressure), as formerly used, and is defined as the condition of pressure and temperature equal to: 101,325 kPa and
288,15 K. No restriction is given on the state of saturation.
[ISO 14532]
3.7
superior calorific value
energy released as heat by the complete combustion in air of a specified quantity of gas, in such a way that the
pressure p at which the reaction takes place remains constant, and all the products of combustion are returned to
1
the same specified temperature T as that of the reactants, all of these products being in the gaseous state except
1
for water formed by combustion, which is condensed to the liquid state at T [ISO 14532]
1
NOTE 1 Where the quantity of gas is specified on a molar basis, the calorific value, expressed in MJ/mol, is designated as:
Hp ,T
��
S1 1
On a mass basis the calorific value, expressed in MJ/kg, is designated as:
ˆ
Hp��,T
S1 1
3
Where the quantity of gas is specified on a volumetric basis, the calorific value, expressed in MJ/m , is designated as:
�
��
Hp,,TVp,T
��
S1 1 2 2
��
where p and T are the gas volume (metering) reference conditions.
2 2
The volumetric based calorific value should be specified to normal or standard reference conditions.
NOTE 2 The terms gross, higher, upper and total calorific value, or heating value, are synonymous with superior calorific
value.
NOTE 3 The calorific value should be specified to the combustion conditions.
NOTE 4 The calorific value is normally stated as dry.
�
EXAMPLEHp ,T designates the superior calorific value, specified on a volumetric basis, at standard reference
��
S,w src src
conditions and stated as wet. For simplicity, the combustion conditions are not specified.
3.8
inferior calorific value
energy released as heat by the complete combustion in air of a specified quantity of gas, in such a way that the
pressure p at which the reaction takes place remains constant, and all the products of combustion are returned to
1
the same specified temperature T as that of the reactants, all of these products being in the gaseous state
1
4 © ISO 2000 – All rights reserved
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ISO 15403:2000(E)
NOTE 1 Superior calorific value differs from inferior calorific value by the heat of condensation of water formed by
combustion.
NOTE 2 Where the quantity of gas is specified on a molar basis, the calorific value, expressed in MJ/mol, is designated as:
Hp��,T
I1 1
On a mass basis the calorific value, expressed in MJ/kg, is designated as:
ˆ
Hp ,T
��
I1 1
3
Where the quantity of gas is specified on a volumetric basis, the calorific value, expressed in MJ/m , is designated as:
�
��
Hp,,TV p,T
��
I1 1 2 2
��
where p and T are the gas volume (metering) reference conditions.
2 2
NOTE 3 The terms net and lower calorific value, or heating value, are synonymous with inferior calorific value.
NOTE 4 Superior and inferior calorific values can also be stated as dry or wet (denoted by the subscript "w") depending on
the water vapour content of the gas prior to combustion.
The effects of water vapour on the calorific values, either directly measured or calculated, are described in annex F of
ISO 6976:1995.
NOTE 5 Normally the calorific value is expressed as the superior, dry value specified on volumetric basis under normal or
standard reference conditions.
[ISO 14532]
3.9
density
mass of gas divided by its volume at specified conditions of pressure and temperature
NOTE In a mathematical representation the density is given by:
m
� pT, �
��
Vp,T
��
[ISO 14532]
3.10
relative density
quotient of the mass of a gas, contained within an arbitrary volume, and the mass of dry air of standard composition
(defined in ISO 6976:1995) which would be contained in the same volume at the same reference conditions
NOTE 1 An equivalent definition is given by the ratio of the density of the gas � to the density of dry air of standard
g
composition � at the same reference conditions.
a
� pT,
� �
g
src src
d �
� pT,
��
a src src
NOTE 2 Density can be expressed in terms of the real gas law:
Mp�
� �
ZR��T
© ISO 2000 – All rights reserved 5
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ISO 15403:2000(E)
With this relation the relative density, when both gas and air are considered as real fluids, becomes:
Mp�
gsrc
Zp�,,T ��RT M �Z �p T
� �
g src src src g a src src
d��
Mp�
MZp� ,T
a src � �
ag src src
Zp ,T ��RT
� �
a src src src
For ideal gas behaviour of the gases, when both gas and air are considered as fluids which obey the ideal gas law, the relative
density becomes:
M
g
d �
M
a
NOTE 3 In former times, the above ratio M /M was called specific gravity of a gas, which has the same value as the
g a
relative density if ideal behaviour of the gases is assumed. The term relative density should now replace the term specific
gravity.
[ISO 14532]
3.11
Wobbe index
calorific value, on a volumetric basis, at specified reference conditions, divided by the square root of the relative
density at the same specified metering reference conditions
NOTE 1 The volume is stated at normal or standard reference conditions.
NOTE 2 The Wobbe index is specified as superior (denoted the subscript "S") or inferior (denoted the subscript "I"),
depending on the calorific value, and as dry or wet (denoted by the subscript "w") depending on the calorific value and the
corresponding density.
EXAMPLE
Wobbe index, superior, specified on a volumetric basis, at standard reference conditions and stated as wet (denoted by the
supscript "w")
�
Hp ,T
� �
S,w src src
Wp ,T �
��
Ssrc src
dp� ,T
�
wsrc src
NOTE 3 The Wobbe index is a measure of heat input to gas appliances derived from the orifice flow equation. Heat input for
different natural gas compositions is the same if they have the same Wobbe index, and operate under the same gas pressure
(see ISO 6976).
[ISO 14532]
3.12
compression factor
quotient of the actual (real) volume of an arbitrary mass of gas, at a specified pressure and temperature, and the
volume of the same gas, under the same conditions, as calculated from the ideal gas law
NOTE 1 The terms compressibility factor and Z-factor are synonymous with compression factor.
NOTE 2 The formula for the compression factor is as follows:
V (real)
m
Z �
V (ideal)
m
6 © ISO 2000 – All rights reserved
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ISO 15403:2000(E)
where
RT�
V (ideal) �
m
p
Thus
pV� ()y
m
Zp(,T,y) �
RT�
where
p absolute pressure;
T thermodynamic temperature;
y set of parameters which uniquely characterizes the gas;
V molar volume;
m
R molar gas constant in coherent units;
Z compression factor.
In principle, y may be the complete molar composition (see ISO 12213-2, reference [1] in the Bibliography) or a distinctive set
of dependent physico-chemical properties (see ISO 12213-3, reference [2]).
NOTE 3 Compression factor is a dimensionless quantity usually close to unity near standard or normal reference conditions.
Within the range of pressures and temperatures encountered in gas transmission, compression factor can significantly differ
from unity.
NOTE 4 The supercompressibility factor is defined as the square root of the ratio of the compression factor at reference
conditions to the compression factor of the same gas at the conditions of interest:
Z
b
f �
Zp(,T,y)
where
Z compression factor at base conditions of pressure and temperature.
b
Base conditions are temperature and pressure conditions at which natural gas volumes are determined for purpose of custody
transfer. In natural gas measurements the properties of interest are temperature, pressure and composition. Assuming ideal
gas properties, for simplicity, tables of pure compounds can be prepared for use in calculating gas properties for any
composition at "base conditions". These "base conditions" are chosen near ambient.
In the IGU Dictionary of the Gas Industry the supercompressibility factor is defined as:
1
f �
Zp(,T,y)
The supercompressibility factor is used with measurements made by flow instruments. The volume obtained with a flow meter
must be multiplied by "f" to obtain the corrected volume.
The compression factor is used with measurements made by displacement methods. In this case the volume must be
multiplied by "1/Z" to obtain the correct volume.
© ISO 2000 – All rights reserved 7
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ISO 15403:2000(E)
3.13
water dew point
temperature above which no condensation of water occurs at a specified pressure
NOTE For any pressure lower than the specified pressure there is no condensation at this dew-point temperature.
[ISO 14532]
3.14
hydrocarbon dew point
temperature above which no condensation of hydrocarbons occurs at a specified pressure
NOTE 1 At a given dew point temperature there is a pressure range within which condensation occurs because of
retrograde behaviour. The cricondentherm defines the maximum temperature at which condensation can occur.
NOTE 2 The dew point line is the locus of pressure and temperature points which separate the single phase gas from the
gas-hydrocarbon liquid region.
3.15
molar composition
proportion of each component expressed as a molar (or mole) fraction, or molar (mole) percentage, of the whole
NOTE 1 Thus the mole fraction, x , of component i is the quotient of the number of moles of component i and the number of
i
moles of the whole mixture present in the same arbitrary volume. One mole of any chemical species is the amount of sub-
stance which has the relative molecular mass in grams. A table of recommended values of relative molecular masses is given
in ISO 6976:1995.
NOTE 2 For an ideal gas, the mole fraction (or percentage) is identical to the volume fraction (percentage), but this
relationship cannot in general be assumed to apply to real gas behaviour.
3.16
gas composition
fractions or percentages of the main components, associated components, trace components and other
components determined from natural gas analysis [ISO 14532]
3.17
odorization
addition of odorants, normally intensively smelling organic sulfur compounds, to natural gas (normally odourless) to
allow the recognition of gas leaks by smell at very low concentration (before a build up to a dangerous gas in air
concentration can occur) [ISO 14532]
3.18
methane number
rating indicating the knocking characteristics of a fuel gas
NOTE It is comparable to the octane number for petrol. The methane number expresses the mole fraction expressed as a
percentage of methane in a methane/hydrogen mixture which, in a test engine under standard conditions, has the same
tendency to knock as the fuel gas to be examined.
[ISO 14532]
8 © ISO 2000 – All rights reserved
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ISO 15403:2000(E)
4 Symbols and abbreviations
Quantity Symbol Units
Relative density d
Calorific value H
Calorific value, molar basis megajoules per mole (MJ/mol)
H
�
Calorific value, mass basis megajoules per kilogram (MJ/kg)
H
~
3
Calorific value, volumetric basis
H megajoules per cubic metre (MJ/m )
Inferior calorific value H
I
Superior calorific value H
S
Gas pressure p kilopascals (kPa)
Gas temperature T kelvins (K)
3
Gas volume V
cubic metres (m )
3
Wobbe index, volumetric basis W
megajoules per cubic metre (MJ/m )
Gas compression factor, Z
(Compressibility factor)
3
Density
� kilograms per cubic metre �kg/m )
Subscript
m quantity per mole
n relates to "normal reference conditions"
crc relates to “combustion reference conditions”
mrc relates to “metering reference conditions”
src relates to "standard reference conditions"
w states the parameter as "wet"
S superior
I inferior
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ISO 15403:2000(E)
5 Gas composition requirements
5.1 Water
The single most important safety requirement of compressed natural gas (CNG) fuel is a very low water dew-point
temperature to preclude the formation of liquid water at any time. Liquid water is a precursor to the formation of
corrosive compounds through combination with components in natural gas, namely carbon dioxide and hydrogen
sulfide. The combination of corrosive agents, and the pressure cycling, caused by fuel consumption and
subsequent refilling of the fuel storage container, can result in crack growth in metals and ultimately damage and
failure. Also, liquid water itself can be detrimental as it may cause blockages, both liquid and solid, in the fuel
system.
Thus, the water dew-point of the fuel gas at the fuelling station outlet shall be sufficiently below the lowest ambient
temperature in which fuelling stations and vehicles will operate.
5.2 Hydrocarbons
While hydrocarbon components contained in natural gas normally remain in the gaseous state in local distribution
systems, the pressures and temperatures experienced by CNG may cause condensation. Changes in fuel
composition due to revaporization of this liquid condensate at reduced tank pressures may affect the vehicle
performance unless a self-adaptive system is applied.
In cases where the natural gas contains significant quantities of propane and butane, for example caused by peak-
shaving operations, a liquid phase can be formed at elevated pressures and low temperatures because of their
relatively low vapour pressure (see annex A).
Thus, to
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 15403
Première édition
2000-06-01
Gaz naturel — Désignation de la qualité de
gaz naturel pour usage comme carburant
comprimé pour véhicules
Natural gas — Designation of the quality of natural gas for use as a
compressed fuel for vehicles
Numéro de référence
ISO 15403:2000(F)
©
ISO 2000
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ISO 15403:2000(F)
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ii © ISO 2000 – Tous droits réservés
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ISO 15403:2000(F)
Sommaire Page
Avant-propos.iv
Introduction.v
1 Domaine d'application.1
2 Références normatives .1
3 Termes et définitions.2
4 Symboles et abréviations .9
5 Exigences relatives à la composition du gaz .10
6 Propriétés du gaz.11
7 Agrément de conduite.12
8 Méthodes d’essai.12
9 Échantillonnage .13
Annexe A (informative) Teneurs en propane et en butane .14
Annexe B (informative) Plages d’indice de Wobbe.16
Annexe C (informative) Détonation (cliquetis) du moteur.18
Annexe D (informative) Indice de méthane et indice d’octane .19
Annexe E (informative) Teneur en eau des gaz naturels.22
Bibliographie .24
© ISO 2000 – Tous droits réservés iii
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ISO 15403:2000(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée aux
comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du comité
technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non gouvernementales, en
liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec la Commission
électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 3.
Les projets de Normes internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour
vote. Leur publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités
membres votants.
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments de la présente Norme internationale peuvent faire
l’objet de droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable de
ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
La Norme internationale ISO 15403 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 193, Gaz naturel.
Les annexes A à E de la présente Norme internationale sont données uniquement à titre d’information.
iv © ISO 2000 – Tous droits réservés
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ISO 15403:2000(F)
Introduction
Depuis un certain nombre d’années, le gaz naturel sert dans une certaine mesure de carburant pour les moteurs à
combustion interne des stations de compression, des systèmes de cogénération et de véhicules de divers types.
La croissance de ces applications demandait toutefois de prendre en compte certains aspects qui restaient
défaillants, notamment l’aspect économique et la mise à disposition de carburants. Aujourd’hui, avec la bonne
implantation de l’industrie gazière, qui répond à 20 % des besoins mondiaux en énergie primaire, et la nécessité de
trouver des substituts moins polluants aux carburants ordinaires, la situation s’est considérablement améliorée. Les
véhicules au gaz naturel sont devenus au cours des dix dernières années une option viable avec environ un million
de véhicules circulant dans le monde. Cette croissance se poursuit grâce aux politiques gouvernementales qui
favorisent l’utilisation de ce carburant propre et écologique. De nombreux opérateurs de parcs automobiles
convertissent leurs véhicules, et les constructeurs automobiles mettent au point et commercialisent des véhicules
adaptés au gaz naturel.
Les véhicules roulant au gaz naturel, au sens de la présente norme, utilisent le gaz stocké sous forme comprimée
«embarquée». La pression de stockage dans les différents réservoirs est de l’ordre de 25 000 kPa au maximum.
Bien que cette pression doive être réduite avant la combustion, la compression et le stockage permettent aux
véhicules roulant au gaz naturel d’avoir une autonomie suffisante. Tandis qu’à l’origine on convertissait les moteurs
à essence ou au diesel pour fonctionner au gaz naturel, on met actuellement au point, puis on fabrique de façon
extensive, des moteurs à hautes performances fonctionnant exclusivement au gaz naturel. Le gaz naturel peut
également être stocké sous forme liquéfiée (GNL) dans le réservoir des véhicules roulant au gaz naturel. Cet
aspect fera toutefois l’objet d’une Norme internationale séparée.
La présente Norme internationale, qui concerne la désignation des qualités du gaz naturel comprimé, est destinée
à définir les exigences internationales auxquelles doit satisfaire le gaz naturel lorsqu’il est utilisé comme carburant.
Ces exigences doivent en effet être connues des constructeurs automobiles et des fabricants de moteurs pour leur
permettre de mettre au point des matériels à hautes performances qui fonctionnent au gaz naturel comprimé.
Un rapport technique donnant de façon détaillée la composition des gaz utilisés dans l'ISO 15403 a été élaboré et
est en cours de diffusion en tant qu’additif à la norme.
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NORME INTERNATIONALE ISO 15403:2000(F)
Gaz naturel — Désignation de la qualité de gaz naturel pour usage
comme carburant comprimé pour véhicules
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale a pour objet de fournir aux constructeurs, aux exploitants de parcs automobiles,
aux responsables de stations de remplissage et à tous ceux qui sont impliqués dans l’industrie des véhicules
roulant au gaz naturel comprimé les informations qui leur sont nécessaires sur la qualité du carburant alimentant
les véhicules ainsi que les équipements automobiles conçus pour fonctionner avec du gaz naturel comprimé.
Pour respecter les exigences de la présente Norme internationale, il convient que le carburant
a) assure un fonctionnement en toute sécurité du véhicule et des équipements qui lui sont associés pendant le
remplissage et en maintenance;
b) protège l’installation des effets nocifs de la corrosion, de la contamination, et des dépôts liquides ou solides;
c) garantisse un fonctionnement satisfaisant du véhicule dans toutes les conditions climatiques et quelles que
soient les sollicitations que lui fait subir le conducteur.
Des aspects abordés dans la présente Norme internationale peuvent également être applicables à l’utilisation du
gaz naturel dans les moteurs stationnaires à combustion interne.
2 Références normatives
Les documents normatifs suivants contiennent des dispositions qui, par suite de la référence qui y est faite,
constituent des dispositions valables pour la présente Norme internationale. Pour les références datées, les
amendements ultérieurs ou les révisions de ces publications ne s’appliquent pas. Toutefois, les parties prenantes
aux accords fondés sur la présente Norme internationale sont invitées à rechercher la possibilité d'appliquer les
éditions les plus récentes des documents normatifs indiqués ci-après. Pour les références non datées, la dernière
édition du document normatif en référence s’applique. Les membres de l'ISO et de la CEI possèdent le registre des
Normes internationales en vigueur.
ISO 6326-1:1989, Gaz naturel — Détermination des composés soufrés — Partie 1: Introduction générale.
1)
ISO 6326-2:— , Gaz naturel — Détermination des composés soufrés — Partie 2: Méthode par chromatographie
en phase gazeuse avec détecteur électrochimique.
ISO 6326-3:1989, Gaz naturel — Détermination des composés soufrés — Partie 3: Détermination du sulfure
d’hydrogène, des thiols et du sulfure de carbonyle par potentiométrie.
ISO 6326-4:1994, Gaz naturel — Détermination des composés soufrés — Partie 4: Détermination du sulfure
d’hydrogène, du sulfure de carbonyle et des composés soufrés malodorants par chromatographie en phase
gazeuse avec détecteur à photométrie de flamme.
1) À publier. (Révision de l’ISO 6326-2:1981)
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ISO 15403:2000(F)
ISO 6326-5:1989, Gaz naturel — Détermination des composés soufrés — Partie 5: Méthode de combustion
Lingener.
ISO 6327:1981, Analyse des gaz — Détermination du point de rosée des gaz naturels — Hygromètres à
condensation à surface refroidie.
ISO 6570-1:1983, Gaz naturel — Détermination de la teneur en hydrocarbures liquides potentiels — Partie 1:
Principes et prescriptions générales.
ISO 6570-2:1984, Gaz naturel — Détermination de la teneur en hydrocarbures liquides potentiels — Partie 2:
Méthode par pesée.
ISO 6974 (toutes les parties), Gaz naturel — Détermination de la composition avec une incertitude définie par
chromatographie en phase gazeuse.
ISO 6976:1995, Gaz naturel — Calcul du pouvoir calorifique, de la masse volumique, de la densité relative et de
l’indice de Wobbe à partir de la composition.
ISO 10101-1:1993, Gaz naturel — Dosage de l’eau par la méthode de Karl Fischer — Partie 1: Introduction.
ISO 10101-2:1993, Gaz naturel — Dosage de l’eau par la méthode de Karl Fischer — Partie 2: Méthode
titrimétrique.
ISO 10101-3:1993, Gaz naturel — Dosage de l’eau par la méthode de Karl Fischer — Partie 3: Méthode
coulométrique.
ISO 11541:1997, Gaz naturel — Dosage de l’eau à haute pression.
ISO 13734:1998, Gaz naturel — Composés organiques soufrés utilisés comme odorisants — Prescriptions et
méthodes d’essai.
2)
ISO 14532:— , Gaz naturel — Terminologie.
3 Termes et définitions
Pour les besoins de la présente Norme internationale, les termes et définitions suivants s'appliquent. Les
définitions ont été reprises de l’ISO 14532, chaque fois que c’était possible.
3.1
gaz naturel
mélange complexe d’hydrocarbures, composé principalement de méthane, mais en général également, en
beaucoup plus faibles quantités, d’éthane, de propane et d’hydrocarbures supérieurs, ainsi que de certains gaz
non combustibles tels que l’azote et le dioxyde de carbone
NOTE 1 Le gaz naturel renferme aussi, en général, des constituants en traces, en faibles quantités.
NOTE 2 Le gaz naturel est produit à partir de gaz brut ou de gaz naturel liquéfié, traité et mélangé, si nécessaire, à un degré
compatible avec son utilisation directe (par exemple comme combustible gazeux).
NOTE 3 Le gaz naturel demeure à l’état gazeux dans les conditions de températures et de pressions normalement
rencontrées en service.
NOTE 4 Le gaz naturel se compose principalement de méthane (fraction molaire supérieure à 0,70); son pouvoir calorifique
3 3
supérieur se situe normalement dans une plage comprise entre 30 MJ/m et 45 MJ/m . Il contient également de l’éthane
(généralement en fraction molaire de 0,10 au maximum), du propane, des butanes et des alcanes supérieurs en quantités
2) À publier.
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ISO 15403:2000(F)
décroissant régulièrement. L’azote et le dioxyde de carbone sont ses principaux constituants non combustibles, chacun étant
présent à un niveau qui peut varier entre 0,01 et 0,20 en fraction molaire.
Le gaz naturel brut est transformé en combustible industriel, commercial ou domestique, ou en matière première pour l’industrie
chimique. Ce traitement vise à diminuer la teneur en constituants potentiellement corrosifs, tels que le sulfure d’hydrogène et le
dioxyde de carbone, ainsi que d’autres composés, tels que l’eau ou les hydrocarbures supérieurs, qui peuvent se condenser
pendant le transport ou la distribution du gaz. Le sulfure d’hydrogène (hydrogène sulfuré), les composés organiques soufrés et
l’eau sont ainsi réduits à l’état de traces, et la quantité élevée de dioxyde de carbone diminue jusqu’à ne plus dépasser une
fraction molaire de 0,05.
Normalement, le gaz naturel est techniquement exempt d’aérosols, de liquides et de matières particulaires.
Dans certaines conditions, le gaz naturel peut être mélangé avec du gaz de ville ou du gaz de four à coke, auquel cas sa teneur
en hydrogène et en monoxyde de carbone peut atteindre des fractions molaires de 0,10 et 0,03 respectivement. Dans ce cas,
de petites quantités d’éthylène peuvent également être présentes.
Le gaz naturel peut également être mélangé à des mélanges air/gaz de pétrole liquéfiés (GPL); dans ce cas, il contiendra de
l’oxygène, de même que du propane et des butanes en quantités fortement accrues.
NOTE 5 Le gaz naturel de qualité «transport» (ou «gazoduc») est un gaz qui a été traité de manière à pouvoir être utilisé
directement comme combustible industriel, commercial ou domestique, ou comme matière première pour I’industrie chimique.
Son traitement est destiné à réduire les effets corrosifs et toxiques de certains constituants, et à éviter la condensation de l’eau
ou des hydrocarbures dans les réseaux de transport et de distribution du gaz.
En règle générale, l’hydrogène sulfuré et l’eau ne sont présents qu’à l’état de traces, et le dioxyde de carbone en quantités
réduites.
[ISO 14532]
3.2
gaz naturel de substitution
gaz manufacturé ou ajusté dont les propriétés le rendent interchangeable du gaz naturel
NOTE Le gaz manufacturé est quelquefois appelé gaz naturel de synthèse.
[ISO 14532]
3.3
gaz naturel comprimé
gaz naturel utilisé comme carburant pour véhicules, généralement comprimé jusqu’à 20 000 kPa à l’état gazeux
[ISO 14532]
NOTE La pression maximale du gaz naturel stocké dans un conteneur est 25 000 kPa.
3.4
qualité du gaz
caractéristique du gaz naturel définie par sa composition et ses propriétés chimiques [ISO 14532]
3.5
conditions normales de référence
conditions de référence de la pression, de la température et de I’humidité (état de saturation) égales à 101,325 kPa
et 273,15 K pour un gaz réel sec
3.6
conditions standard de référence
conditions de référence de la pression, de la température et de l’humidité (état de saturation) égales à 101,325 kPa
et 288,15 K pour un gaz réel sec
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ISO 15403:2000(F)
NOTE 1 La bonne pratique veut que les conditions de référence soient indiquées avec le symbole de la grandeur physique
représentée, et non pas avec son unité.
EXEMPLE
�
��
Hp ,,T Vp ,T
��
S crc crc mrc mrc
��
où
�
H est le pouvoir calorifique supérieur, exprimé en termes de volume;
S
T est la température, dans les conditions de référence de la combustion;
crc
p est la pression, dans les conditions de référence de la combustion;
crc
V(p , T ) est le volume, à la température et à la pression dans les conditions de référence du mesurage.
mrc mrc
NOTE 2 Les conditions standard de référence sont également appelées conditions standard métriques.
NOTE 3 L’abréviation t.p.s. (température et pression standard) remplace l’abréviation T.P.N. (température et pression
normales), anciennement utilisée, et se définit comme la condition où la pression et la température sont respectivement égales
à 101,325 kPa et 288,15 K. Aucune restriction n’est donnée quant à l’état de saturation.
[ISO 14532]
3.7
pouvoir calorifique supérieur
PCS
quantité d’énergie libérée sous forme de chaleur par la combustion complète dans l’air d’une quantité spécifiée de
gaz, de manière que la pression, p , à laquelle se produit la réaction demeure constante et que tous les produits de
1
combustion soient ramenés à la même température, T , que les produits de réaction, tous les produits se trouvant
1
à l’état gazeux à l’exception de l’eau formée par la combustion, qui est condensée à l’état liquide à T [ISO 14532]
1
NOTE 1 Lorsque la quantité de gaz est exprimée en termes de moles, le pouvoir calorifique supérieur, exprimé en MJ/mol,
est désigné comme étant
Hp ,T
��
S1 1
Lorsque la quantité de gaz est exprimée en termes de masse, le pouvoir calorifique supérieur, exprimé en MJ/kg, est désigné
comme étant
ˆ
Hp ,T
��
S1 1
3
Lorsque la quantité de gaz est exprimée en termes de volume, le pouvoir calorifique supérieur, exprimé en MJ/m , est désigné
comme étant
�
��
Hp,,TVp,T
��
S1 1 2 2
��
où p et T sont les conditions de référence (de mesurage) du volume de gaz.
2 2
Il convient que le pouvoir calorifique en termes de volume soit spécifié dans les conditions normales ou standard de référence.
NOTE 2 L’anglais dispose de plusieurs synonymes pour désigner le pouvoir calorifique supérieur.
NOTE 3 Il convient que le pouvoir calorifique soit spécifié dans les conditions de combustion.
NOTE 4 Le pouvoir calorifique est normalement indiqué à l'état sec.
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ISO 15403:2000(F)
�
EXEMPLE Hp ,T désigne le pouvoir calorifique supérieur, exprimé en termes de volume, dans les conditions
��
S,w src src
standard de référence et à l'état humide. Pour des raisons de simplicité, les conditions de combustion ne sont pas spécifiées.
3.8
pouvoir calorifique inférieur
quantité d’énergie libérée sous forme de chaleur par la combustion complète dans l’air d’une quantité spécifiée de
gaz de telle manière que la pression, p , à laquelle se produit la réaction demeure constante et que tous les
1
produits de combustion soient ramenés à la même température spécifiée, T , que les produits de réaction, tous les
1
produits se trouvant à l’état gazeux
NOTE 1 Le pouvoir calorifique supérieur diffère du pouvoir calorifique inférieur de par la chaleur de la condensation de l’eau
sous l’effet de la combustion.
NOTE 2 Lorsque la quantité de gaz est exprimée en termes de moles, le pouvoir calorifique inférieur, exprimé en MJ/mol, est
désigné par
Hp ,T
��
I1 1
Lorsque la quantité de gaz est exprimée en termes de masse, le pouvoir calorifique inférieur, exprimé en MJ/kg, est désigné par
ˆ
Hp ,T
��
I1 1
3
Lorsque la quantité de gaz est exprimée en termes de volume, le pouvoir calorifique inférieur, exprimé en MJ/m , est désigné
par
�
��
Hp,,TV p,T
��
I1 1 2 2
��
où p et T sont les conditions de référence (de mesurage) du volume de gaz.
2 2
NOTE 3 L’anglais dispose de plusieurs synonymes pour désigner le pouvoir calorifique inférieur.
NOTE 4 Les pouvoirs calorifiques supérieur et inférieur peuvent également être indiqués pour le gaz à l’état sec ou humide
(indice «w») en fonction de la teneur en vapeur d’eau contenue dans le gaz avant la combustion.
Les effets de la vapeur d’eau sur le pouvoir calorifique, qu’ils soient mesurés directement ou calculés, sont décrits dans
l’annexe F de I’ISO 6976:1995.
NOTE 5 Normalement le pouvoir calorifique indiqué est le pouvoir calorifique supérieur à l’état sec, exprimé en termes de
volume, dans les conditions normales ou standard de référence.
[ISO 14532]
3.9
masse volumique
quotient de la masse du gaz par le volume de celui-ci dans les conditions spécifiées de pression et de température
NOTE La représentation mathématique de la masse volumique est
m
���pT, �
Vp��,T
[ISO 14532]
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ISO 15403:2000(F)
3.10
densité
quotient de la masse d’un gaz, contenue dans un volume arbitraire, par la masse d’air sec de composition normale
(définie dans l'ISO 6976:1995) qui serait contenue dans le même volume dans les mêmes conditions de référence
NOTE 1 Définition équivalente: Rapport de la masse volumique du gaz � à la masse volumique d’air sec de composition
g
normale � dans les mêmes conditions de référence.
a
� �pT,
�
g src src
d �
� pT,
��
a src src
NOTE 2 La masse volumique peut être définie par la loi des gaz réels:
Mp�
� �
ZR��T
Dans ce cas, si l’air et le gaz sont considérés comme des gaz réels, la densité devient:
Mp�
gsrc
Zp,,T ��RT M �Z p T
� � � �
g src src src g a src src
d��
Mp�
MZp� ,T
� �
a src
ag src src
Zp ,T ��RT
� �
a src src src
En revanche, en cas de comportement des gaz comme des gaz parfaits, si l’air et le gaz sont considérés comme obéissant à la
loi des gaz parfaits, la densité devient:
M
g
d �
M
a
NOTE 3 Ne s’applique qu’à l’anglais.
[ISO 14532]
3.11
indice de Wobbe
quotient, en termes de volume, dans les conditions de référence spécifiées, du pouvoir calorifique par la racine
carrée de la densité, dans les mêmes conditions spécifiées de référence de mesurage
NOTE 1 Le volume est exprimé dans les conditions normales ou standard de référence.
NOTE 2 L’indice de Wobbe est spécifié par l’indice supérieur (indice «S») ou inférieur (indice «I»), en fonction du pouvoir
calorifique considéré, et à l’état sec ou humide (indice «w»), en fonction du pouvoir calorifique et de la masse volumique
correspondante.
EXEMPLE
Indice de Wobbe supérieur, spécifié en termes de volume, dans les conditions standard de référence et à l’état humide:
�
Hp ,T
� �
S,w src src
Wp ,T �
��
Ssrc src
dp ,T
� �
wsrc src
NOTE 3 L’indice de Wobbe est la mesure de la quantité de chaleur alimentant les appareils à gaz, dérivée de l’équation du
débit au niveau de l’orifice d’entrée. Des gaz naturels de compositions différentes mais ayant le même indice de Wobbe et les
mêmes conditions de pression auront le même rapport calorifique (voir ISO 6976).
[ISO 14532]
6 © ISO 2000 – Tous droits réservés
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ISO 15403:2000(F)
3.12
facteur de compressibilité
quotient du volume réel d’une masse arbitraire de gaz, dans les conditions spécifiées de pression et de
température, et du volume du même gaz, dans les mêmes conditions, calculé d’après la loi des gaz parfaits
NOTE 1 Les termes «facteur de compression» et «facteur Z» sont synonymes de «facteur de compressibilité».
NOTE 2 La formule du facteur de compressibilité est la suivante:
V (réel)
m
Z �
V (parfait)
m
où
RT�
V (parfait) �
m
p
Ainsi
pV� ()y
m
Zp(,T,y) �
RT�
où
p est la pression absolue;
T est la température thermodynamique;
y est une série de paramètres qui caractérisent le gaz de façon unique;
V est le volume molaire;
m
R est la constante molaire des gaz en unités cohérentes;
Z est le facteur de compressibilité.
En principe, y peut être soit la composition molaire complète (voir ISO 12213-2, référence [1] dans la Bibliographie), soit une
série distinctive de propriétés physico-chimiques dépendantes (voir ISO 12213-3, référence [2]).
NOTE 3 Le facteur de compressibilité est une grandeur sans dimension généralement proche de l’unité au voisinage des
conditions de référence normales ou standard. Sur la plage des pressions et températures rencontrées pendant le transport du
gaz, le facteur de compressibilité peut notablement différer de 1.
NOTE 4 Le facteur de surcompressibilité est défini par la racine carrée du rapport du facteur de compressibilité, dans les
conditions de référence, et du facteur de compressibilité du même gaz, dans les conditions considérées:
Z
b
f �
Zp(,T,y)
où Z est le facteur de compressibilité, dans les conditions de référence de pression et de température.
b
Les conditions de base sont les conditions de pression et de température dans lesquelles sont déterminés les volumes de gaz
naturel aux fins de cession à l’abonné. Pour les mesurages de gaz naturel, les propriétés intéressantes sont la température, la
pression et la composition. Dans l’hypothèse de propriétés de gaz parfaits, il est possible, pour plus de simplicité, de préparer
des tables de composés purs utilisables pour calculer les propriétés de gaz de toutes compositions dans les «conditions de
base». Ces conditions de base sont choisies voisines des conditions ambiantes.
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ISO 15403:2000(F)
Dans le Dictionnaire de l’Union internationale de l’industrie du gaz (UIIG), le facteur de surcompressibilité est défini sous la
forme suivante:
1
f �
Zp(,T,y)
Le facteur de surcompressibilité s’utilise pour les mesurages avec débitmètre. On doit multiplier le volume obtenu avec le
débitmètre par f pour obtenir le volume corrigé.
Le facteur de compressibilité s’utilise pour les mesurages par des méthodes volumétriques. Dans ce cas, le volume obtenu doit
être multiplié par 1/Z pour obtenir le volume correct.
3.13
point de rosée eau
température au-dessus de laquelle ne se produit plus aucune condensation de l’eau à une pression spécifiée
NOTE À cette température de point de rosée, il ne se produit pas de condensation de l’eau quelle que soit la pression en
dessous de la pression spécifiée.
[ISO 14532]
3.14
point de rosée hydrocarbures
température au-dessus de laquelle ne se produit plus aucune condensation des hydrocarbures à une pression
spécifiée
NOTE 1 À une température donnée de point de rosée hydrocarbures correspond une plage de pression à l’intérieur de
laquelle une condensation peut se produire sous l’effet d’un comportement rétrograde. La température maximale à laquelle la
condensation peut se produire s’appelle le cricondentherm.
NOTE 2 La courbe de rosée est le lieu géométrique des points de pression et de température, qui sépare la région
monophasique des gaz de celle biphasique des mélanges gaz/liquide.
3.15
composition molaire
proportion de chaque constituant, exprimée sous la forme d’une fraction molaire (ou mole), ou d’un pourcentage
molaire (ou mole), de l’ensemble
NOTE1 Lafractionmolaire, x , d’un constituant i est le quotient du nombre de moles du constituant i par le nombre de
i
moles du mélange total dans le même volume arbitraire. Dans une espèce chimique donnée, la mole est la quantité de
substance correspondant à la masse moléculaire relative, en grammes. Un tableau des valeurs recommandées des masses
moléculaires relatives est donnée dans I’ISO 6976:1995.
NOTE 2 Pour un gaz parfait, la fraction (ou le pourcentage) molaire est identique à la fraction (ou au pourcentage)
volumique, mais cette relation ne peut pas en général être posée en hypothèse pour les gaz réels.
3.16
composition des gaz
fractions ou pourcentages des constituants majeurs, mineurs, en traces et autres, présents dans le gaz naturel
analysé [ISO 14532]
3.17
odorisation
ajout d’odorants, normalement des composés organiques soufrés d’odeur intense, au gaz
...
Questions, Comments and Discussion
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