化工热力学-GG-第2章流体的PVT关系.ppt
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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,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6章化工过程能量分析(H,S,W,Ex),第5章相平衡,给出物质有效利用极限,第7章压缩、膨胀、动力循环与制冷循环(H,S,Q,W,),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章状态方程(p-V-T,EOS),7,-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。
8,第二章内容,2.0引言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,9,2.1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,10,T,v,1,2,5,3,4,2.1.1TV图,在常压下加热水,11,12,2.1.1T-V图,13,2.1.2P-V图,14,临界点,过冷液体区L,2.1.2p-V图,饱和液相线(泡点线),饱和汽相线(露点线),汽液两相平衡区,超临界流体区(TTc和PPc),过热蒸汽区V,恒温线,1点、2线、5区,气相区G(TTc),15,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!
16,P-V图的特征、相关概念,“1点”临界点。
Tc临界温度;Pc临界压力;Vc临界体积。
“2线”饱和线(饱和液相线、饱和汽相线)“5区”4个单相区+1个两相共存区过冷液体区L;过热蒸汽区V;气相区G(TTc);超临界流体区(TTc和PPc);1个两相共存区(V/L);“等温线”(T=Tc、TTc、TTc),1点、2线、5区、等温线,17,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。
18,Tc是加压使气体液化所允许的最高温度,
(1)当TTc时,无论施加多大的压力都不能使该气体液化;
(2)当TTc时,任何气体都可以被液化。
所谓“永久气体”也是由于室温比其Tc高所致。
1908年7月10日,荷兰物理学家昂纳斯(H.K.Onnes)实现了1.15K的低温,将氦液化了,从而消除了最后一种“永久气体”。
(3)当T=Tc时,只需施加比pc稍大的压力就可使该气体液化。
19,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,20,固相区,液相区,气相区,三相点F=C-P+2=0,临界点,汽固平衡线,液固平衡线,汽液平衡线,2.1.3p-T图,超临界流体区(TTc和PPc),2点、3线、4区,21,2.1.4P-V-T立体相图,P-V-T立体相图,22,水的P-V-T立体相图,2.1.4P-V-T立体相图,23,水的相变P-V图,24,空气压缩机,25,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,26,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,.13例2-2p.14例2-3,27,2.1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流体p-V-T关系的应用及思考,28,2.1.5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。
29,临界点最重要的性质,30,3)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:
31,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,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,151.9,33,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,超临界流体特性,超临界流体的多种物理化学性质介于气体和液体之间,并兼具两者的优点。
36,3)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。
37,各种溶剂的临界特性,38,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。
39,40,2.2状态方程,我们可知纯流体p-V-T关系的非常重要!
而状态方程是p-V-T关系的解析式;有了可靠的状态方程加上理想气体的热容Cp,几乎可以解决热力学上大多数问题。
状态方程EOS:
EquationofState!
41,热力学最基本性质有两大类,P,V,T,Cp,x(物质),U,H,S,G(能量),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,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?
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,什么是状态方程(EOS)?
描述流体p-V-T关系的函数式。
EOS可表达为f(p,V,T)=0EOS习惯上写成压力的显函数形式p=F(V,T),46,2.2.2理想气体的状态方程理想气体EOS:
PV=RT;是f(P,V,T)=0中最简单的一种形式。
理想气体:
忽略分子间的相互作用;忽略气体分子本身的体积。
误差非常高!
47,2.2.2理想气体的状态方程,理想气体EOS只适合压力非常低的气体,不适合真实气体。
例2:
将1kmol甲烷压缩储存于容积为0.125m3,温度为323.16K的钢瓶内.问此时甲烷产生的压力多大?
其实验值为1.875x107Pa.解:
误差高达14.67%!
48,2.2.3气体的非理想性1,真实气体分子有大小、分子间有相互作用力是造成气体非理想性的原因。
真实气体对理想气体的偏离程度可以用压缩因子Z来表达:
(a)分子间吸引力促使Z1。
(c)吸引力和排斥力的平衡暗指Z=1。
(注意理想气体是一个特例,既没有吸引力,也没有排斥力)。
更直观的表达为:
49,2.2.4真实气体的状态方程,真
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- 化工 热力学 GG 流体 PVT 关系