2022年流体的PVT关系和状态方程.pdf

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1、流体的 PVT关系与状态方程流体的 P-V-T 关系与状态方程教学目的要求能熟练掌握流体( 特别就是气体 ) 的各种类型的P、V、T 关系 (包括状态方程法与对应状态法 ) 及其应用、优缺点与应用范围。?定性认识流体P-V-T 行为 ; ?掌握描述流体P-V-T 关系的模型化方法, 了解几种常见的状态方程; ?掌握对比态原理与普遍化状态方程?掌握计算真实气体混合物P-V-T 关系的方法 , 并会进行计算。?了解液体的P-V-T 关系教学内容在化工过程的分析、研究与设计中,流体的压力 p、体积 V 与温度 T 就是流体最基本的性质之一 ,并且就是可以通过实验直接测量的。而许多其它的热力学性质如内

2、能U、熵S、Gibbs自由能 G 等都不方便直接测量,它们需要利用流体的p V T 数据与热力学基本关系式进行推算。因此 ,流体的 p V T 关系的研究就是一项重要的基础工作。2、1 纯流体的 P-V-T 关系2、2 气体的状态方程2、3 对应态原理与普遍化关联式2、4 真实气体混合物的P-V-T 关系2、5 液体的 P-V-T 关系2、6 状态方程的比较、选用与应用2、1 纯流体的 P-V-T 关系纯物质在平衡态下的p V T 关系 , 可以表示为三维曲面, 如图 21。曲面上分单相区及两相共存区。曲线AC 与BC 代表汽液共存的边界线, 它们相交于点C, C 点就是纯物质的临界点, 它所

3、对应的温度、压力与摩尔体积分别称为临界温度Tc、临界压力 pc 与临界体积 Vc。将 p V T 曲面投影到平面上, 则可以得到二维图形。图22 与23 分别为图 21投影出的 p T 图与p V 图。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 1 页，共 12 页 - - - - - - - - - - 流体的 PVT关系与状态方程图 22 纯物质的 p T 图图 23 纯物质的 p V 图图 22 中的三条相平衡曲线: 升华线、熔化线与汽化线, 三线的交点就是三相点。高于临界温度与压力的流体称为超

4、临界流体,简称流体。 如图 22, 从A 点到 B 点, 即从液体到汽体, 没有穿过相界面, 即就是渐变的过程,不存在突发的相变。超临界流体的性质非常特殊,既不同于液体 , 又不同于气体 , 可作为特殊的萃取溶剂与反应介质。近些年来, 利用超临界流体特殊性质开发的超临界分离技术与反应技术成为引人注目的热点。图 23 就是以温度 T 为参变量的 p V 图。图中包含了若干条等温线, 高于临界温度的等温线曲线平滑并且不与相界面相交。小于临界温度的等温线由三个部分组成, 中间水平段为汽液平衡共存区,每个等温线对应一个确定的压力, 即为该纯物质在此温度下的饱与蒸气压。曲线 AC 与BC 分别为饱与液相

5、线与饱与气相线, 曲线 ACB 包含的区域为汽液共存区,其左右分别为液相区与气相区。等温线在两相区的水平段随着温度的升高而逐渐变短, 到临界温度时最后缩成一点C。从图 23 中可以瞧出 , 临界等温线在临界点上就是一个水平拐点, 其斜率与曲率都等于零,在数学上表示为: 0)(0)(22TcTcVPVP式( 21) 与( 22) 对于不同物质都成立,它们对状态方程等的研究意义重大。纯物质 PVT 关系的应用 :超临界技术与液化气体成分的选择2、2 气体的状态方程纯物质的状态方程(Equation of State, EOS) 就是描述流体p-V-T 性质的关系式,即: f( p, T, V )

6、= 0 状态方程类型 :立方型、多常数型、理论型; 混合物的状态方程从纯物质出发,通过引入混合规则,来计算混合物的热力学性质。2.2.1理想气体状态方程假定分子的大小如同几何点一样, 分子间不存在相互作用力, 由这样的分子组成的气体叫做理想气体。 在极低的压力下, 真实气体可以当作理想气体处理, 以简化问题。 理想气体状态方程就是最简单的状态方程:精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 2 页，共 12 页 - - - - - - - - - - 流体的 PVT关系与状态方程RTPV理想气体状态方

7、程的用途:1) 在工程设计中 , 可以用理想气体状态方程进行近似的估算,低压下的气体 ( 特别就是难液化的N2,H2,CO,CH4, );2) 可以作为衡量真实气体状态方程就是否正确的标准之一, 当p0或者 V时,任何真实气体状态方程都应还原为理想气体方程。 3) 理想气体状态常被作为真实流体的参考态或初值。2、2、2 立方型状态方程立方型状态方程就是指方程可展开为体积( 或密度 ) 的三次方形式。这类方程能够解析求根 , 有较高精度 , 又不太复杂 , 很受工程界欢迎。( 1) van der Waals状态方程2VabVRTp该方程就是第一个适用于实际气体的状态方程, 与理想气体状态方程相

8、比, 它加入了参数a与b, 它们分别表征分子间的引力与分子本身体积的影响, 可以从流体的p-V-T实验数据拟合得到 ,也可以由纯物质的临界数据计算得到。ccccPRTbPTRa81642722(2)Redlich-Kwong (RK) 方程)(2/ 1bVVTabVRTpccccpRTbPTRa08664.042748.05 .22RK方程的计算准确度比van der Waals方程有较大的提高, 可以比较准确地用于非极性与弱极性化合物,但对于强极性及含有氢键的化合物仍会产生较大的偏差。RK 方程能较成功地用于气相 P-V-T的计算 , 但计算液相体积的准确性不够, 不能同时用于汽、液两相。为

9、了进一步提高RK方程的精度 , 扩大其使用范围, 便提出了更多的立方型状态方程。对RK方程进行修正 ,但同时降低了 RK 的简便性与易算性。成功的有Soave的修正式 (SRK)。( 3) Soave-Redlish-Kwang 方程( 1972年) 为了提高RK方程对极性物质及饱与液体p V T计算的准确度。Soave对 RK方程进行了改进 ,称为RKS( 或 SRK, 或 Soave) 方程。方程形式为: )()(bVVTabVRTp精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 3 页，共 12 页

10、 - - - - - - - - - - 流体的 PVT关系与状态方程)176.0574.148.0()1(1)(08664.0)(42748.0)()(225.022mTmTpRTbTpTRTaTarrccrccrc与RK 方程相比 ,SRK 方程可计算极性物质 , 更主要的就是可计算饱与液体密度,使之能用于混合物的汽液平衡计算, 故在工业上获得了广泛应用。( 4) PengRobinson方程RK方程与RKS方程在计算临界压缩因子Zc与液体密度时都会出现较大的偏差, 为了弥补这一明显的不足, PengRobinson于 1976年提出了她们的方程, 简称PR方程。)()()(bVbbVVT

11、abVRTp)26992.054226.137464.0()1(1 )(07780.0)(45724.0)()(225. 022mTmTpRTbTpTRTaTarrccrccrcPR 方程预测液体摩尔体积的准确度较SRK 方程有明显改善, 而且也可用于极性物质。能同时适用于汽、液两相, 在工程相平衡计算中广泛应用。立方型状态方程根的求取当T Tc 时, 立方型状态方程有一个实根, 它就是气体容积。当TTc时, 高压下立方型状态方程有一个实根, 它就是液体容积。 低压存在三个不同实根, 最大的 V值就是蒸气容积, 最小的 V值就是液体容积 , 中间的根无物理意义求解方法 : 直接迭代法与牛顿迭代

12、法三种问题类型 : 1)已知 T,V, 求P; 显压型 , 直接计算2)已知 P,T, 求V; 工程中常见情况, 迭代求解。3)已知 P,V, 求T。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 4 页，共 12 页 - - - - - - - - - - 流体的 PVT关系与状态方程迭代求解2、2、3 Virial(维里 ) 方程维里方程该方程利用统计力学分析了分子间的作用力, 具有较坚实的理论基础。方程的形式为 :323211VDVCVBRTPVzPDPCPBRTPVz维里系数的物理意义:B, B:

13、 第二维里系数 , 它表示对一定量的真实气体, 两个分子间的作用所引起的真实气体与理想气体的偏差。C,C: 第三维里系数 , 它表示对一定量的真实气体 ,三个分子间的作用所引起的真实气体与理想气体的偏差。维里系数 = f ( 物质 , 温度 )当方程 ( 25) (27) 取无穷级数时 , 不同形式的virial 系数之间存在着下述关系: RTBBRTBCC22Virial 截断式 : 1、两项维里截断式 :PBVBRTPVZ11蒸汽适用于MPaPTTc5.1,2、三项维里截断式 :2211PCPBVCVBRTPVZ蒸汽适用于MPaPMPaTTc55.1,2、2、4 多参数状态方程与简单的状态

14、方程相比, 多参数状态方程可以在更宽的T、p范围内准确地描述不同物系的 p-V-T关系 ; 但其缺点就是方程形式复杂, 计算难度与工作量都较大。( 1) BenedictWebbRubin方程 ( 1940年) 该方程在计算与关联轻烃及其混合物的液体与气体热力学性质时极有价值。22326322000exp181TcabRTTCARTBRTpRWB常数方程式中 , 为密度 ; A0, B0,C0, a,b,c, 与 等 8个常数由纯物质的p-V-T数据与蒸气压数据确定。在烃类热力学性质计算中,BWR 方程计算精度很高,但该方程不能用于含水体系。以提精品资料 - - - 欢迎下载 - - - -

15、- - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 5 页，共 12 页 - - - - - - - - - - 流体的 PVT关系与状态方程高BWR 方程在低温区域的计算精度为目的,Starling等人提出了11个常数的 Starling 式(或称BWRS 式) ( 2) Martin Hou方程( 1955年) 该方程就是1955年 Martin 教授与我国学者候虞钧提出的, 简称MH 方程。 ( 后又称为MH-55 型方程 ) 。为了提高该方程在高密度区的精确度, 1981年候虞钧教授等又将该方程的适用范围扩展到液相区, 称为 MH-81 型方程。1

16、52/475. 5exp51iRTTfiTTCTBATfbVTfpMHiciiiiiii的通式为：MH 81型状态方程能同时用于汽、液两相,方程准确度高,适用范围广 ,能用于包括非极性至强极性的物质(如 NH3、H2O),对量子气体H2、He等也可应用 ,在合成氨等工程设计中得到广泛使用。状态方程的选用: 2、3 对应态原理与普遍化关联式状态方程存在的问题:真实气体状态方程都涉及到物性常数,方程的通用性受到了限制。在实际工作中,当研究的物质其热力学性质既没有足够的实验数据,又没有状态方程中固有的参数时,计算便会产生困难,因此十分需要研究能用于真实气体的普遍化方法。2.3.1对比态原理对比态原理

17、认为, 在相同的对比状态下, 所有的物质表现出相同的性质。van der Waals提出的简单对比态原理方程就是: rrrrTVVP813/32简单对应状态原理就就是两参数对应状态原理, 表述为 : 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 6 页，共 12 页 - - - - - - - - - - 流体的 PVT关系与状态方程对于不同的流体, 当具有相同的对比温度与对比压力时, 则具有大致相同的压缩因子。并且其偏离理想气体的程度相同。这种简单对比态原理对应简单流体( 如氩、氪、氙 ) 就是非常准

18、确的。这就就是二参数压缩因子图的依据。只有在各种气体的临界压缩因子Zc相等的条件下, 简单对比态原理才能严格成立。而临界压缩因子Zc在 0、20、3范围内变动 , 并不就是一个常数。可见, 范德华提出的简单对比态原理只就是一个近似的关系, 只适用于球形非极性的简单分子。拓宽对比态原理的应用范围与提高计算精度的有效方法就是在简单对比态原理( 二参数对比态原理 ) 的关系式中引入第三参数。2、3、2 三参数对比态原理z = f (Tr ,Pr,第三参数 ) 第三参数的特性:最灵敏反映物质分子间相互作用力的物性参数,当分子间的作用力稍有不同 ,就有明显的变化。1955 年,K、S、Pitzer 提出

19、了以偏心因子作为第三因子的关系式: z = f (Tr,Pr, )。把压缩因子瞧作就是对比温度、对比压力与偏心因子的函数。纯物质的偏心因子就是根据物质的蒸气压来定义的:对于不同的流体, 具有不同的值。但简单流体 ( 氩、氪、氙) 的所有蒸气压数据落在了同一条直线上, 而且该直线通过Tr=0、7, log prs =-1 这一点。对于给定流体对比蒸气压曲线的位置, 用在 Tr=0、 7的流体与氩、氪、氙( 简单球形分子) 的log prs 值之差来表征。Pitzer把这一差值定义为偏心因子, 即 =- log prs - 1、00 (Tr = 0、7) 因此 , 任何流体的值均可由该流体的临界温

20、度Tc、临界压力 pc 值及 Tr=0、7时的饱与蒸气压ps 来确定。氩、氪、氙这类简单球形流体的 0, 而非球形流体的表征物质分子的偏心度 , 即非球形分子偏离球对称的程度。根据以上结论 ,Pitzer 提出了两个非常有用的普遍化关系式: 1、压缩因子的多项式表示的普遍化关系式(简称普压法 ) 2、两项维里系数表示的普遍化关系式(简称为普维法) 2、3、3 普遍化压缩因子图法对于所有相同的流体 ,若处在相同的Tr 与 pr 下,其压缩因子必定相等。(0)(1)ZZZZ(0) 简单流体的压缩因子Z(1) 研究流体相对于简单流体的偏差Z(0)与 Z(1)的都就是 Tr 与 pr 的复杂函数 ,计

21、算时可直接查图Pitzer 关系式对于非极性或弱极性的气体能够提供可靠的结果,误差立方型状态方程两项截断维里方程理想气体状态方程。2/ 711rTslcccRTVZP精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 11 页，共 12 页 - - - - - - - - - - 流体的 PVT关系与状态方程立方型状态方程中:PRSRKRKvdW 1)若计算液体体积, 则直接用修正的Rackett方程既简单精度又高, 不需要用立方型状态方程来计算; 2)若计算气体体积。SRK,PR就是大多数流体的首选, 无论压力、温度、极性如何,它们能基本满足计算简单。精度较高的要求, 因此在工业上已广泛使用。对于个别流体或精度要求特别高的, 则需要使用对应的专用状态方程或多参数状态方程 , 如对于 CO2 、H2S与 N2首选 BWRS 方程 ; 在没有计算机软件又需要快速估算的情况下, 精度要求非常低的可用理想气体状态方程 , 精度要求稍高可以使用普遍化方法。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 12 页，共 12 页 - - - - - - - - - -