第2章-PVT关系和状态方程ppt课件.ppt
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1、化学工业出版社化学工业出版社 n 第第2章章 -关系和状态方程关系和状态方程Chapter 2 P-V-T Relations and Equation of State(EOS)化学工业出版社化学工业出版社 n 本章要点1引言2纯物质的P-V-T相图3状态方程(EOS) 立方型 高次型 4对应态原理5流体的饱和热力学性质6混合物的状态方程混合法则7理想气体的性质8状态方程体积根的求解化学工业出版社化学工业出版社 n 1引言l流体P-V-T是重要的热力学数据,广泛应用于工程中,并有广泛的积累;lP、V、T数据容易实验测量;是认识P-V-T关系的基础;是建立EOS的基础;lEOS是P-V-T关系
2、的解析形式,由此可以推算实验数据之外信息;lEOS是反映体系特征的模型,对推算其它物性有重要的意义;lEOS+CPig理论上可计算所有的热力学性质。化学工业出版社化学工业出版社 n 2 纯物质的P-V-T相图l纯物质的P-V-T立体相图相:物理和化学性质相同的系统l纯物质的P-T图三相点t (tri-phase) 临界点C(critical) 平衡曲线 vapor and gas 的区别:TC 液体气体(汽体)无相变化l纯物质的P-V图二相区化学工业出版社化学工业出版社 n 纯物质的P-V-T相图化学工业出版社化学工业出版社 n P-V-T相图特征、相关概念l单相区(V,G,L,S)l两相共存
3、区(V/L,L/S,G/S)l饱和线l过热蒸汽l过冷液体l三相线(V/L/S)l临界点l超临界流体(TTc和PPc)纯物质的P-T图化学工业出版社化学工业出版社 n P-T图的特征、相关概念l单相区l两相平衡线(饱和曲线)m汽化曲线-t到到cm熔化曲线-m升华曲线-趋向0Kl三相点(Tt,Pt)-纯物质和混合物l临界点(Tc,Pc,Vc) -可以无相变化l等容线m临界等容线V=Vc、VVc、VTc、T0; Patt0Prep=RT/(V-b) (很多情况下如此)Patt= -a(T)/f(V) a(T)是T的函数, f(V)是V的二次函数lb称体积参数,a称能量参数;a,b通称方程常数常数l立
4、方型方程在确定方程常数常数时,一般使用临界等温线在临界点的特性。化学工业出版社化学工业出版社 n 4-1van der Waals(vdW) 方程2VabVRTP第一个同时计算汽,液两相,表达临界点的方程其它立方型方程的基础形式简单,a,b是常数,准确度低,实际应用少计算常数采用了临界等温线在临界点的条件化学工业出版社化学工业出版社 n 关于vdW常数和临界压缩因子Zc临界等温线在C点的斜率和曲率等于零0222,ccccTVabVRTVP06243,22ccccTVabVRTVP化学工业出版社化学工业出版社 n 解方程组得方程常数389cccVbVRTaccccccccccccVRTVVRTV
5、VRTVabVRTP8389322可得到化学工业出版社化学工业出版社 n 375. 083ccccRTVPZ2226427ccPTRa ccPRTb81方程常数多用pc、Tc表示(VC不如pc、Tc可靠) 化学工业出版社化学工业出版社 n 关于状态方程的Zc值vdW给出了一个固定的Zc ,即Zc=0.375。多数Zc在0.230.29之间,明显低于vdW方程的Zc。可见vdW方程计算准确性不会好。二参数立方型方程,若根据临界点条件确定常数,只能给出一个固定的Zc,这是两参数立方型方程的不足之处;方程形式不同,给出的Zc值不同(主要与f(V)有关)。Zc值是状态方程优劣的标志之一(改进的方向,但
6、不唯一)。化学工业出版社化学工业出版社 n 4-2 Redlich-Kwong(RK)方程bVVTabVRTPl改变了方程的引力项Patt,以使得计算的V减小(或者说,使方程的Zc值减小),试图改进方程计算P-V-T的准确性;l用同于vdW方程的方法得到常数a,b;和Zc值化学工业出版社化学工业出版社 n RK方程常数ccccPTRPTRa5 . 225 . 22342748. 0312ccccPRTPRTb08664. 012913lZc=1/3=0.333lRK方程计算气相体积准确性有了很大提高lRK方程计算液相体积的准确性不够l不能同时用于汽、液两相计算(准确性)化学工业出版社化学工业出
7、版社 n 4-3 Soave RK(SRK)方程bVVabVRTP沿用了Prep,将RK方程的 a/T0.5 改成为 a(T)= ac(Tr,);SRK规定(Tr=1,)=1,所以在临界点时,RK与SRK完全一样,所以,SRK的Zc=1/3;若用临界点条件确定常数,SRK与RK常数关系ac=aRK/Tc0.5b=bRK化学工业出版社化学工业出版社 n SRK方程常数cccccPRTbPTRa08664. 042748. 022a(T)= ac(Tr,),其中是一个纯物质的特性常数,称为偏心因子,可以查表得到。Soave 通过拟合纯物质烃的蒸汽压数据,得到5 . 025 . 01176. 057
8、4. 148. 01rT这样就可以从纯物质的Tc,Pc和计算SRK常数化学工业出版社化学工业出版社 n SRK方程的特点l在临界点同RK,Zc=1/3(偏大);l计算常数需要Tc,Pc和(比RK多),a是温度的函数;l除了能计算气相体积之外,能用于表达蒸汽压(汽液平衡),是一个适用于汽、液两相的EOS,但计算液相体积误差较大;l为了改善计算液相体积的准确性,Peng-Robinson提出了PR方程。化学工业出版社化学工业出版社 n 4-4 Peng-Robinson(PR)bVbbVVabVRTP,rcTaacccPRTa2457235. 0ccPRTb077796. 05 . 025 . 0
9、126992. 054226. 137646. 01rT化学工业出版社化学工业出版社 n PR方程的特点lZc=0.307,更接近于实际情况,虽较真实情况仍有差别,但PR方程计算液相体积的准确度较SRK确有了明显的改善;l计算常数需要Tc,Pc和,a是温度的函数;l能同时适用于汽、液两相;l工业中得到广泛应用l在提供的计算软件Thermo-Pro中,用PR作为状态方程模型,用于均相性质、纯物质饱和性质、混合物汽液平衡计算等。化学工业出版社化学工业出版社 n 5多常数(高次型)状态方程l立方型方程形式简单,常数可以从Tc、Pc和计算;数学上有解析的体积根;但计算准确性不高。l方程常数更多的高次型
10、状态方程,适用的范围更大,准确性更高,但 复杂性 和 计算量增大,随着电算技术的发展,多常数方程的应用受到重视,多常数方程包含了更多的流体的信息,具有更好的预测流体性质的能力;l多常数方程的基础是维里virial方程A- 1正正常常沸沸点点、临临界界参参数数和和偏偏心心因因子子物质Tb / K*Tc / KPc / MPaZc甲烷111.63190.584.6040.2280.011乙烷184.55305.334.8700.2840.099丙烷231.05369.854.2490.2800.152正丁烷272.65425.403.7970.2740.193异丁烷261.30408.103.64
11、80.2830.176丙烯225.46364.804.6100.2750.148苯353.24562.164.8980.2710.211甲苯383.78591.794.1040.2640.264甲醇337.70512.648.0920.2240.564乙醇351.44516.256.3790.2400.635丙酮329.35508.104.7000.2320.309Ar87.3150.84.2350.291-0.004O290.18154.585.0430.2890.019N277.35126.153.3940.2870.045H220.3933.191.2970.305-0.220CO218
12、5.10304.197.3810.2740.225H2O373.15647.3022.0640.2300.344NH3239.82405.4511.3180.2420.255R12(CCl2F2)243.40385.004.1240.2800.176R22(CHClF2)232.40369.204.9750.2670.215 化学工业出版社化学工业出版社 n 维里(virial)方程21VCVBZ21PCPBZl B、C(或B、C)称作第二、三维里virial系数,其系数之间也有相互关系。l 两种形式的virial方程是等价的,但实际中常用密度型的virial方程两项或三项截断式。l 微观上,
13、virial系数反映了分子间的相互作用,宏观上,virial系数仅是温度的函数l 任何状态方程都可以通过级数展开,转化为virial方程的形式化学工业出版社化学工业出版社 n 两项维里virial方程截断式 8321832010008. 0423. 0331. 00637. 0000607. 00121. 01385. 033. 01445. 01rrrrrrrccTTTBTTTTBBBRTBPVBRTPVZ通过T就可以计算出第二维里系数B。化学工业出版社化学工业出版社 n 从P-V-T数据来确定B,CCBVVRTPVVTVPVCBRTPVV和得外推至应是一直线图数据作用等温的, 01, 1/
14、1 ,-1化学工业出版社化学工业出版社 n 第二virial系数与Boyle温度TB第二virial系数与ZP图上的等温线在p0时的斜率有关221ZRTCPZRTBPZTPPPZRTPZRTB00lim1lim随着温度的升高,ZP图上的等温线在P0时的斜率由负变为正,第二virial系数B只在某一温度下变为零,这一温度称为Boyle温度,用TB表示,即B(TB)=0,或01lim0BTTPPZ另外,要注意:01limlim00PZRTPRTVPP化学工业出版社化学工业出版社 n Benedict-Webb-Rubin(BWR)方程22266322000exp1TcaabRTTCARTBRTP原
15、先为八个常数方程。经普遍化处理后,能从纯物质的临界压力、临界温度和偏心因子估算常数。BWR方程的数学形式上的规律性不好,常用于石油加工中烃类化合物的计算。现已有12常数型,20常数型,25常数型,36常数型,甚至更多的常数。化学工业出版社化学工业出版社 n ccccTTTTTTTTkkkeCTBATFeCTBATFeCTBATFeCTBATFRTTFbVTFP47555555475544444755333347552222151.其中MH-55方程有九个常数,常数的求取很有特色,只需要输入纯物质的临界参数和某一点的蒸汽压数据,就能从数学公式计算出所有的常数准确度高,适用范围广,能用于非极性至强
16、极性化合物MH方程现已广泛地应用于流体P-V-T、汽液平衡、液液平衡、焓等热力学性质推算。化学工业出版社化学工业出版社 n 总结lP-V-T相图是EOS的基础,必须掌握相图上和点、线、面,相关概念,相互关系;l状态方程的基本用途是P-V-T计算,但更大意义在于作为推算其它性质的模型;l立方型状态方程由于形式简单,计算方便受到工程上的重视,特别是SRK和PR由于适用汽液两相,能用于汽液平衡;l多常数方程在使用范围和计算准确性方面有优势;l应用时应根据实际情况和方程特点选择。化学工业出版社化学工业出版社 n 计算实例演示l例题2-2化学工业出版社化学工业出版社 n 6对应态原理(CSP) van
17、der Waals首先提出了二参数对应态原理,可以将vdW方程转化为二参数对应态原理方程22233138/,/,/313883893rrrrcrcrcrccccccccccVVTPVVVPPPTTTVVVVTTVPRTPPVVRTVVRTP化学工业出版社化学工业出版社 n 两参数CSPrrrrPTVV,rrPTZZ,l 对应态原理:在相同对比温度、对比压力下,任何气体或液体的对比体积(或压缩因子)是相同的;l 一定意义上是普遍化方程(只含有Tc和Pc, 没有其它物性参数):只能适合于简单的球形流体。l 其它的对比热力学性质之间也存在着较简单的对应态关系;l 两参数对应态原理计算准确性不好。Z=
18、PV/RT=PrVr/R/TrPcVc/Tc=ZcPrVr/Tr=Z(Tr,Pr,Zc)=Z(Tc,Pc) (vdW 的Zc=0.375)或化学工业出版社化学工业出版社 n 三参数CSPl Lydersen等引入Zc作为第三参数l 根据Zc=0.23、0.25、0.27和0.29四组,得到crrZPTZZ,此三参数CSP还不够合理。对比参数crcrcrVVVTTTppp,对量子气体atmpTTTpppcrcr:,8,8如化学工业出版社化学工业出版社 n Pitzer的三参数CSPl 用偏心因子为第三参数,Z=Z(Tr,Pr, )l Z(0)是简单流体的压缩因子,第二项的偏导数项用Z(1)表示,
19、是研究流体相对于简单流体的偏差。它们都是对比参数Tr、pr的函数。l 得到了Z(0)和Z(1)的图表,见附录。l 提供从简单流体的性质推算其它流体性质的思路:即将简单流体作为研究的基准。 1007 . 07 . 0lg1)(lg)(lgZZZZZPPPrrTSrTSrSr该流体简单流体化学工业出版社化学工业出版社 n Lee-Kesler和Teja方程l (0),(r)和(r1),(r2)是不同的参考流体l 思路是:从参考流体的状态方程得到研究流体的状态方程l 不同参考流体影响推算研究流体性质的可靠性 1212110)(0rrrrrrrrZZZZZZZZ化学工业出版社化学工业出版社 n 三参数
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