化工热力学-GG-第2章-流体的PVT关系-陕西.ppt

化工热力学-GG-第2章-流体的PVT关系-陕西.ppt

《化工热力学-GG-第2章-流体的PVT关系-陕西.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工热力学-GG-第2章-流体的PVT关系-陕西.ppt（148页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

1,第二章流体的PVT关系,2,各章之间的联系,第3章纯流体的热力学性质（H,S,U，难测；由EOS+Cp得到）,第5章相平衡,给出物质有效利用极限,给出能量有效利用极限,化工热力学的任务,第4章流体混合物的热力学性质,第2章流体的PVT关系（p-V-T,EOS）,第6章化工过程能量分析（H,S,W，Ex）,第7章压缩、膨胀、动力循环与制冷循环（H,S,Q,W,）,3,引言,万事万物状态、性质的变化绝大多数是由于物质T，p变化引起的。

自然界最软的石墨在1400，5-10万atm的高温高压下，能变成最硬的金刚石；1atm下，-191下的空气会变成液体，-213则变成了坚硬的固体。

1400，5-10万atm,4,火灾中的液化气罐之所以会发生爆炸，是由于温度升高使液化气由液体变成气体，继而内部压力急剧升高，使液化气罐超压爆炸；,TP,5,化工生产恰恰就是巧妙利用物质随T、p变化，状态和性质大幅度变化的特点，依据热力学原理来实现物质的低成本大规模生产。

例如，先进的超临界萃取技术，就是物质在利用超临界状态具有惊人的溶解能力，可提取传统化学方法无法提取的高附加值物质。

因此研究物质的p-V-T之间的关系有着极其重要的意义。

6,P-V-T关系的用途,1.流体的p-V-T关系可直接用于设计，如：

1）输送管道直径的选取。

2）储罐的体积、承受压力。

2.利用可测的热力学性质（T，P，V，CP）计算不可测的热力学性质（H，S，G，f，）。

而2点的意义比1点要大得多。

（将在第3、4章介绍）,有了p-V-T关系，热力学的大多数问题均可得到解决。

7,第二章内容,2.1纯流体的p-V-T相图2.2气体状态方程（EOS）2.3对应态原理和普遍化关联式2.4液体的p-V-T性质2.5真实气体混合物p-V-T关系2.6状态方程的比较和选用,8,2.1纯流体的p-V-T相图,2.1.1TV图2.1.2p-V图2.1.3p-T图2.1.4p-V-T立体相图2.1.5纯流体p-V-T关系的应用及思考,9,T,v,1,2,5,3,4,2.1.1TV图,在常压下加热水,10,11,液体和蒸汽,液体,气体,临界点,饱和液相线（泡点线）,饱和汽相线（露点线）,2.1.1T-V图,12,2.1.2P-V图,13,临界点,2.1.2P-V图,汽液两相平衡区F=C-P+2=1,过热蒸汽区,恒温线,什么是正常沸点？

超临界流体区（TTc和PPc）,过冷液体区L,饱和液相线（泡点线）,饱和汽相线（露点线）,1点、2线、4区,14,临界点p-V-T中最重要的性质,1）Tc、pc是纯物质能够呈现汽液平衡时的最高温度和最高压力。

要使气体液化温度绝对不能超过Tc。

气体“液化”的先决条件是TTc，否则无论施加多大的压力都不可能使之液化。

2）临界等温的数学特征：

等于临界温度的等温线在临界点出现水平拐点。

重要！

15,Vg,Vl,V,x,系统所处两相状态点。

如何描述两相共存区不同的状态点？

纯物质从饱和液体点D到饱和蒸汽点E,T和P保持不变的，只有体积在变化。

16,固体区,液体区,气体区,三相点F=C-P+2=0水的三相点：

0.0098,临界点,汽固平衡线,液固平衡线,汽液平衡线,2.1.3P-T图,临界等容线,超临界流体区（TTc和PPc）,2点、3线、4区,17,P-T图的特征、相关概念,-T图最能表达温度、压力变化所引起的相态变化，因此p-T图常被称之为相图。

单相区两相平衡线（饱和曲线）汽化曲线、熔化曲线、升华曲线三相点（Tt,Pt）和临界点（Tc,Pc,Vc）等容线临界等容线V=Vc、VVc、VVc,18,2.1.4P-V-T立体相图,P-V-T立体相图,19,水的P-V-T立体相图,2.1.4P-V-T立体相图,20,【例2-1】将下列纯物质经历的过程表示在p-V图上：

1）过热蒸汽等温冷凝为过冷液体；2）过冷液体等压加热成过热蒸汽；3）饱和液体恒容加热；4）在临界点进行的恒温膨胀,21,C,P,V,1,3（T降低）,4,2,5,1）过热蒸汽等温冷凝为过冷液体；2）过冷液体等压加热成过热蒸汽；3）饱和蒸汽可逆绝热膨胀；4）饱和液体恒容加热；5）在临界点进行的恒温膨胀,22,【例2-2】：

现有一过程，从p-V图的状态点a（过热蒸气）出发，到达状态点d（过冷液体）可以有两种途径：

均相途径（abcd）；非均相途径（abcd）。

请在p-T图上画出对应的路径。

23,A,B,C,D,24,【例2-2】,25,【例2-3】在4L的刚性容器中装有50、2kg水的饱和汽液混合物，已知50水的饱和液相体积Vsl=1.0121，饱和汽相体积Vsv=12032；水的临界体积Vc=3.111。

现在将水慢慢加热，使得饱和汽液混合物变成了单相，问：

此单相是什么相？

如果将容器换为400L，最终答案是什么？

1）由于刚性容器体积保持不变，因此加热过程在等容线上变化，到达B1时，汽液共存相变为液相单相；继续加热，当TTc，则最终单相为超临界流体，即C1点。

2）当水慢慢加热后，则状态从位于汽液共存区的A2，变为汽相单相B2，继续加热，当TTc，则最终单相为临界流体C2。

26,2.1纯流体的P-V-T相图,2.1.1T-V图2.1.2P-V图2.1.3P-T图2.1.4P-V-T立体相图2.1.5纯流体P-V-T关系的应用,27,2.1.5纯流体p-V-T关系的应用,1.气体液化和低温技术流体p-V-T关系的最大应用就是气体的液化。

如空气液化、天然气液化。

为了便于储运，一般需将天然气制成液化天然气（LNG）。

甲烷：

Tc=-82.62，pc=4.536MPa,。

问：

室温下能否通过加压使天然气变成LNG？

气体“液化”的先决条件是物质TTc。

28,临界点最重要的性质,29,3）为了使蒸发压力高于大气压力。

2）在冷凝温度下的蒸汽压也不宜过高；,1）临界温度要高，否则在常温或普通低温范围内不能被液化；,制冷剂的选择离不开p-V-T数据。

2.制冷剂的选择在选择氟里昂替代品时，离不开p-V-T数据。

制冷剂工作特点:

低压饱和蒸汽室温下饱和液体交替变化。

对制冷剂的要求：

30,【例2-4】液化气是理想的气体燃料。

对家庭用液化气的要求是加压后变成液体储于高压钢瓶里，打开减压阀后即汽化，以便燃烧。

请你根据对液化气储存和使用的要求来选择液化气成分。

表1各种气体的Tc、pc以及正常沸点Tb,3.液化气成分的选择,31,液相区,气相区,P-T图,8atm下变成液体,1atm下变成气体,32,室温1040,室内压力1atm,TC=196.46Tb=36.05,-82.62,32.18,96.59,液化气的p-T图,151.9,乙烯、丙烯、丁烯能做液化气吗？

33,超临界流体区（TTc和PPc）,4.超临界流体萃取技术,1）定义：

在TTc和PPc区域内，气体、液体变得不可区分，形成的一种特殊的流体，称为超临界流体。

34,2）特点：

超临界流体兼具气体和液体两者的优点。

具有液体一样的溶解能力和密度等；具有气体一样的低粘度和高扩散系数。

在临界状态附近，溶质在超临界流体中的溶解度对T、P的变化很敏感；T、P微小变化会导致溶解度有几个数量级的突变；超临界流体技术正是利用了这一特性，通过对T、P的调控来进行物质的分离。

35,3）超临界萃取技术的工业应用：

超临界流体包括:

CO2、H2O、甲苯、甲醇、乙醇等。

只有CO2应用最多。

价廉、易得、无毒，具有惊人的溶解能力。

临界条件温和：

Tc=31.1；pc=7.4MPa。

萃取温度在接近室温（3540）就能将物质分离出来，且能保持药用植物的有效成分和天然活性。

对于高沸点、低挥发性、易热解的物质也能轻而易举萃取出来，这是传统分离方法做不到的；最初，用超临界CO2成功地从咖啡中提取咖啡因；现在非常多用于中药提取领域。

从红豆杉树皮叶中获得的紫杉醇是抗癌药物；从银杏叶中提取银杏黄酮；从蛋黄中提取的卵磷脂。

36,各种溶剂的临界特性,37,超临界流体萃取过程简介,将萃取原料装入萃取釜。

采用CO2为超临界溶剂。

CO2气体经热交换器冷凝成液体；用加压泵把压力提升到工艺过程所需的压力（应高于CO2的pc），同时调节温度，使其成为超临界CO2流体。

CO2流体作为溶剂从萃取釜底部进入，与被萃取物料充分接触，选择性溶解出所需的化学成分。

含溶解萃取物的高压CO2流体经节流阀降压到低于CO2的pc以下进入分离釜，由于CO2溶解度急剧下降而析出溶质，自动分离成溶质和CO2气体二部分，前者为过程产品，定期从分离釜底部放出，后者为循环CO2气体，经过热交换器冷凝成CO2液体再循环使用。

整个分离过程是利用CO2流体在超临界状态下对有机物有极高的溶解度，而低于临界状态下对有机物基本不溶解的特性，将CO2流体不断在萃取釜和分离釜间循环，从而有效地将需要分离提取的组分从原料中分离出来。

38,39,利用超临界CO2流体技术从植物/动物中提取纯天然的高附加值的物质,高附加值的天然产品,有樱桃味US$120/Ib无樱桃味US$14/Ib,（从樱桃核中提取）,US$140/IbUS$14/Ib,苯甲酮,苯甲醇,40,2.2状态方程,从2.1可知，流体的p-V-T数据是多么的重要。

毫无疑问，流体的p-V-T数据是可以直接测定的。

现已积累了大量水、空气、氨和氟里昂等的p-V-T数据。

但测定数据费时耗资，而且测定所有流体的所有p-V-T数据是不现实的，特别是高温高压下的p-V-T数据测定不但技术上相当困难而且非常危险。

仅从有限的p-V-T测定数据不可能全面地了解流体的p-V-T行为。

流体的p-V-T数据更重要作用是通过它推算内能、焓、熵等信息。

需要P-V-T关系的解析形式！

状态方程！

41,热力学最基本性质有两大类,P,V,T,Cp,x（物质）,如何解决？

U,H,S,G（能量）,但存在问题：

1）有限的P-V-T数据，无法全面了解流体的P-V-T行为；2）离散的P-V-T数据，不便于求导和积分，无法获得数据点以外的P-V-T和H，U，S，G数据。

易测,难测!

从容易获得的物性数据（P、V、T、x）来推算较难测定的数据（H，U，S，G）,怎么办?

42,Maxwell关系式特点是将难测的量用易测的量代替。

如用代;用代;,Maxwell方程,建立了S=S（T，P）。

仅与P-V-T有关,43,如何解决？

只有建立能反映流体P-V-T关系的解析形式才能解决。

这就是状态方程EquationofState（EOS）的由来。

EOS反映了体系的特征，是推算实验数据之外信息和其它物性数据不可缺少的模型。

流体P-V-T数据+状态方程EOS是计算热力学性质最重要的模型之一。

EOS+CPig所有的热力学性质,44,2.2状态方程（EOS）,2.2.1状态方程（EOS）的定义2.2.2理想气体的状态方程2.2.3气体的非理想性2.2.4真实气体的状态方程2.2.4.1vanderWaals范德华状态方程2.2.4.2Redlich-Kwong状态方程2.2.4.3Soave-Redlich-Kwong状态方程2.2.4.4Peng-Robinson状态方程2.2.4.5Virial（维里）状态方程2.2.5状态方程的小结,45,2.2.1状态方程（EOS）的定义,EOS是计算热力学性质最重要的模型之一。

为何？

.EOS是物质P-V-T关系的解析式即用一个EOS即可精确地代表相当广泛范围内的P、V、T实验数据，借此可精确地计算所需的P、V、T数据。

2.用EOS可计算不能直接从实验测定的其它热力学性质（H，S，G）数据。

3.用EOS可进行相平衡和化学反应平衡计算什么是EOS状态方程？

f（P,V,T）=0状态方程EquationofState（EOS）,46,2.2.1状态方程（EOS）的定义,目前已有150多种EOS。

但没有一个EOS能描述在工程应用范围内任何气体的行为。

状态方程包含的规律愈多，方程就愈可靠；准确性越高