化工热力学第二章

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化工热力学_Chapter2-02

化工热力学_Chapter2-02

Mar. 19, 2010主要内容2.1 纯物质的p-V-T关系2.2 气体的状态方程2.3 对比态原理及其应用2.4 真实气体混合物的p-V-T关系2.5 液体的p-V-T性质9多常数状态方程Virial、Martin-Hou、Benedict-Webb-Rubin等2.2.3 多常数状态方程将p展开为V的多项(无穷项)级数累加和。

多常数状态方程是基于Virial方程,最初的Virial 方程是以经验式提出的,之后由统计力学得到证明。

优点:方程常数多,适用范围广,准确度高;缺点:方程形式复杂,计算难度量和工作量都较大。

1. Virial方程(1901)¾1901年,荷兰Leiden大学Onnes提出;¾由图2-3纯物质的p-V图知,气相区,等温线近似于双曲线,p↑,V↓。

微观上:Virial系数反映了分子间的相互作用:¾第二Virial系数( B 或B´)反映了两分子间的相互作用;¾第三Virial系数( C 或C´)反映了三分子间的相互作用等等。

宏观上:对于确定的物质,Virial系数仅是温度的函数。

Virial系数的获取( 1 ) 由统计力学进行理论计算——目前应用很少( 2 ) 由实验测定或者由文献查得——精度较高( 3 ) 用普遍化关联式计算,或从p-V-T数据来确定——方便,但精度不如实验测定的数据Virial方程的意义¾由于高阶Virial系数数据的缺乏限制了Virial方程的使用范围,但不能忽视Virial方程的理论价值;¾高次型状态方程与Virial方程均有一定的关系。

例:已知异丙醇在200℃下的第二和第三Virial系数为3-16-2,=−⋅=−⋅388(cm mol)26000(cm mol)B C试计算200℃、1MPa时异丙醇蒸气的V和Z:(1) 用理想气体方程;(2) 用式(2-28);(3) 用式(2-29)。

化工热力学第二章liyibing

化工热力学第二章liyibing
Z 1 B V
(2-9) (2-10a) (2-10b)
1 B/ p
1 Bp RT
实践表明,当温度低于临界温度、压力不高于1.5MPa时,用二阶舍项的维里 方程可以很精确地表示气体的p-V-T关系,当压力高于5.0MPa时,需要用更多阶 的维里方程。
2.2.3 立方型状态方程
立方型状态方程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 解析求解,精度较高,又不太复杂,很受工程界欢迎。
等温线在两相区的水平段随温度的升高而逐渐变短,到 临界温度时最后缩成一点C。临界等温线在图2-3中临界点 为水平拐点,其斜率和曲率均为零,数学上表示为
( )
2 p
p V T Tc
0
(2-1)
( V 2 )T Tc 0
(2-2)
式 ( 2-1)、( 2-2 ) 对于不同物质均成立,它们对状态方程 等的研究意义重大。
为了提高 RK 方程对极性物质及饱和液体p-V-T 计算的精确度,Soave 对RK 方程进行了改进,成为 RKS (或SRK,或Soave)方程。它将RK 方程中与温度有 关的a/T0.5 改为a(T),方程形式为
p RT a(T ) V b V (V b)
2
(2-14) V
1
B


C

2

D

3

式中,B(B′)、C(C′)、D(D′)、分别称为第二、第三、第四、… … 维里 (Virial) 系数。 当式 ( 2-5 ) - ( 2-7 ) 取无群级数时,不同形式的维里系数之间存在着下述关系:
B / B RT
C B2 C (RT ) 2
2.2.3.2 Redlich-Kwong 方程

化工热力学课件-第二章 流体的p-V-T关系

化工热力学课件-第二章 流体的p-V-T关系

宏观定义
pV RT Z 1
物理意义
1. 分子间没有作用力 2. 分子本身不占有体积
1. 理想气体可否被液化(或固化)? 2. 实际气体何时可近似为理想气体?
非理想性
• 分子有大小和形状(几何特性):
硬球软球哑铃状链状拓扑结构….
• 分子间有作用力(化学特性):
作用力包括吸引与排斥两部分,吸引部分又可分解为: 色散、偶极和多极、 氢键、 链的连接性等
例2/4-1 已知SO2在431 K下,第二、三Virial系数分别为: B=-0.159 m3kmol-1 C=9.0×10-3 m6kmol-2 试计算SO2在431 K、1 MPa下的摩尔体积为多少?
解:
用舍项Virial方程:
Z
PV RT
1
B V
C V2
将p=1×106 Pa,R=8.314×103 m3 ·Pa·kmol-1K-1, B=-0.159 m3kmol-1,C=9.0×10-3 m6kmol-2,T=431 K 代入上式中并整理后得
及(b)饱和液相的摩尔体积。(正丁烷在此状况下适用RK状态 方程。)饱和汽相与液相的摩尔体积实验值分别为2482 cm3mol-1
和115.0 cm3mol-1。
解2/5-2:
由附录B1查得正丁烷的Tc及pc值,并求得:
Tr
350 425.2
0.8232
pr
0.9457 3.799
0.2489
由(2/5-14)式可求出参数q , :, 及(Tr)值由表2/5-1中查得
Tr=0.7时: 球形分子logprS = -1 其它流体的 logprS < -1
考虑到一般流体与简单 流体的差别,提出偏心 因子的概念。

化工热力学02第二章

化工热力学02第二章

vdW方程常数a、b的确定
(1) V 3 3V V 2 3V 2V V 3 0 c c c
V
3
(V Vc ) 0
3
bp c RT c pc
V
2

a pc
V
ab pc
0
p
RT V b

a V
2
以上两式中,同幂的系数必相等
3V c 3V c Vc
r p
4
r 4

2 2 cp c
T
4 4 Tc c
r 非极性; 0 r 0.5 10 强极性;弱极性 0.5 1 0 0非极性;5 10 强极性; . 0 . 5 10 r
6 6 r r r
6
压缩因子的物理意义
理想气体两个假定: (1)分子不占有体积 (2)分子之间没有作用力 反映实际气体与理想气体的偏离程度定义压缩因子:

超临界流体的应用
超临界萃取 超 临 界 聚 合 反 应
SCF
超临界中化学反应
超 细 颗 粒 及 薄 膜 材 料 制 备
超 临 界 流 体 萃 取 的 应 用
医药工业
中草药提取
酶,纤维素精制 金属离子萃取 烃类分离 共沸物分离 高分子化合物分离 植物油脂萃取 酒花萃取 植物色素提取 天然香料萃取
5、纯物质的三相点随着所处的压力或温度的不同而改变。
思考题:
对于纯物质,一定温度下的泡点压力与露点压力 的
(相同/不同);一定温度下的泡点与露点,在p-T 图上是 的(重叠/分开) ,而在p-V图上是 泡点的轨迹称为 ,露点的轨迹称为 的(重叠/分开), ,饱和汽、液相

化工热力学课件第二章

化工热力学课件第二章

第二章 流体的p-V-T关系
——纯物质的p-V-T关系
第二章 流体的p-V-T关系
——纯物质的p-V-T关系
ห้องสมุดไป่ตู้
第二章 流体的p-V-T关系
——纯物质的p-V-T关系
第二章 流体的p-V-T
——纯物质的p-V-T关系
第二章 流体的p-V-T关系
——气体的状态方程
状态方程是流体p-V-T的解析表达式。
落 , 冬 季 无 雪时光 秃着枝 桠的树 木,此 时被雪 花装点 成琼装 玉树, 格外美 丽。
楚 博 、 孔 庙 、报恩 寺、清 真寺、 基督教 堂等在 雪花漫 舞中换 上白雪 装。那 青瓦、
红 墙 、 黄 墙 早就掩 隐雪中 ,只留 下一座 座白色 楼宇, 白雪建 筑惹得 游人竞 相拍照
留 存,记 载雪的 影子。
——气体的状态方程
第二章 流体的p-V-T关系
——气体的状态方程
第二章 流体的p-V-T关系
——气体的状态方程
第二章 流体的p-V-T关系
——气体的状态方程
第二章 流体的p-V-T关系
——气体的状态方程
第二章 流体的p-V-T关系
——气体的状态方程
第二章 流体的p-V-T关系
——气体的状态方程
第二章 流体的p-V-T关系
——气体的状态方程
第二章 流体的p-V-T关系
——气体的状态方程
第二章 流体的p-V-T关系
——气体的状态方程
第二章 流体的p-V-T关系
——气体的状态方程
第二章 流体的p-V-T关系
——气体的状态方程
第二章 流体的p-V-T关系
——气体的状态方程
第二章 流体的p-V-T关系

气体压缩因子计算 化工热力学-第二章

气体压缩因子计算 化工热力学-第二章
第二章 流体的P-V-T关系
2.1 纯物质的P-V-T关系
一.P-T图
P
密 流 区
1-2线 汽固平衡线(升华线) 2-c线 汽液平衡线(汽化线) 2-3线 液固平衡线(熔化线) C点临界点,2点三相点 P<Pc,T<Tc的区域,属汽体 P<Pc,T>Tc的区域,属气体 P=Pc,T=Tc的区域,两相 性质相同 P>Pc,T>Tc的区域,密流区 具有液体和气体的双重性质, 密度同液体,溶解度大;粘度 同气体,扩散系数大。


根据状态方程式的形式、结构进行分类可分为两类:
立方型:具有两个常数的EOS 精细型:多常数的EOS
二. 立方型(两常数)EOS
1. VDW Equation (1873) 形式: RT
a P - 2 V-b V
a/V2 —
分子引力修正项。
由于分子相互吸引力存在,分子撞击器壁的力减小,造成压
V V dV dT dP T P P T

容积膨胀系数
等温压缩系数
1 V = V T P
1 V k= V P T
dV dT - kdP V
当温度和压力变化不大时,流体的容积膨胀系
8.314
J/mol· (kJ/kmol· K K)
三.

多常数状态方程
P13 式(2-34) 8个常数
(一).B-W-R Eq 1.方程的形式 式中B0、A0、C0、a、b、c、α、

运用B-W-R Eq时,首先要确定式中的8个常数, 至少要有8组数据,才能确定出8个常数。
关于两常数(立方型)状态方程,除了我们介绍的

化工热力学 第二章 流体的压力,体积,温度的关系:状态方程式

化工热力学 第二章   流体的压力,体积,温度的关系:状态方程式
5
m 3 kmol
1 3
0.08664 a PC 2 b 0.42748 R
a 0.08664 1 TC b 0.42748 R
2 3
VC 3.847 b
化工热力学
第二章
流体的PVT关系
化工热力学
第二章
流体的PVT关系C 6a 4 3 VC b VC
两式相比得:
2
2a VC b TC 3 R VC
2
2 VC b VC 3
VC 3b
27 R 2TC a 64 PC
2
2a 4b 8a TC 3 R 27b 27bR
化工热力学
第二章
流体的PVT关系
(a)、求蒸汽的摩尔体积 将RK方程两端乘
V b 整理成:
P
aV b T PV V b
1 2
RT V b P
写成迭代形式:
RT Vi 1 b P
aVi b T PVi Vi b
1 2
化工热力学
化工热力学
3
第二章
2
流体的PVT关系
0 .5
PVi RTVi ab / T Vi 1 2 0.5 Pb bRT a / T
如令: b 2 C
3
bRT a ,则上式写成: 1 P PT 2
取初值:
RT 2 ab CVi 1 Vi Vi 1 P PT 2
2P 0 V 2 T Tc
27 R T a 64 PC
2
2 C
RTC b 8PC
化工热力学
第二章

化工热力学第二章 PVT (2)

化工热力学第二章 PVT (2)

§2.3.3真实气体的状态方程
§2.3.3.1 van der Waals范德华状态方程
§2.3.3.2 Redlich-Kwong状态方程 §2.3.3.3 Peng-Robinson状态方程 §2.3.3.4 Virial(维里)状态方程
§2.3.3.5 Martin-Hou方程
§2.3.4 状态方程的选用
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。具有液体一样的密度、溶解能力和传热系数 ,具有气 体一样的低粘度和高扩散系数。
物质的溶解度对T、P的变化很敏感 ,特别是在临界状态 附近 , T、P微小变化会导致溶质的溶解度发生几个数量 级的突变 ,超临界流体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。
P,V ,T,Cp,x 易测
U,H, S,G
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 )
难测!
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。
US$140/Ib
US$14/Ib
30
§2.2.3 超临界萃取技术的工业应用
物质特殊的超临界性质,近年来在化 学工业中得到较多应用 ,并成为《化 工热力学》领域研究的热点之一。
可以肯定,超临界流体在化学工业的 应用将会越来越广泛。
31
§2.2.4 临界点数据的应用
—液化气成分的选择
液化石油气的主要 成分为何是丙烷、 丁烷和少量的戊烷 而不是甲烷、乙烷 和正己烷?
19
②纯物质的P-T图
临界等容线
液固平衡线
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RT aV b V b P PV V b
aVk b RT Vk 1 b P PVk Vk b
8.314 300 Vk 1 0.08058 370.4 1653.7Vk 0.08058 370.4 Vk Vk 0.08058
RT a( V b ) V b 1/ 2 P PT V V b
(V b ) P
aVk b RT Vk 1 b 1/ 2 P PT Vk Vk b
初值取
RT V0 P

( 2 )求液体的摩尔体积
RT a P 1/ 2 V b T V V b
(2-1)
2.2 气体的状态方程
(equation of state,EOS )

纯流体的状态方程(EOS) 是描述流体P-V-T性质的关 系式。 f( P, T, V ) = 0
(2-2)
混合物的状态方程中还包括混合物的组成(通常是 摩尔分数)。
纯物质的P、V、T数据容易从实验直接测定,利
用状态方程可将有限的实验数据关联起来,内推或 预测更大范围内的未知数据;
二阶舍项维里方程:由于多个分子相互碰撞的概率 依分子数递减,又由于高阶维里系数的数据有限, 最常用的是二阶舍项的维里方程,其形式为:
B Bp Z 1 1 Bp 1 V RT
(2-5)
注:利用维里方程计算气体密度参见示例2-1(下页)
2.2.3 立方型状态方程

立方型状态方程可以展开成为 V 的三次方形
2
0.5

2
1.2259
3648 8.314 408.1 b 0.08664 0.08058m3 / kmol 3648
a 0.42768
8.314 2 408.12
1.2259 1653.7kP m 6 / kmol2 a
RT a P V b V V b
2 8
R 2Tc2 a(T ) a T 0.42748 T Pc RTc b 0.08664 Pc
T 1 0.480 1.574 0.176
式中ω 为偏心因子,
2
1 T
0.5 r
2

与RK方程相比,RKS方程提高了对极性物质及含有氢键物 质的p-V-T关联计算的精度,更主要的是该方程在饱和液体 密度的计算中更准确,使之能较好地用于混合物的汽液平衡 计算,故在工业上获得了广泛的应用。 RK、RKS方程可变换成如下迭代形式,便于采用计算机求 解: 1 A h b B Z h (2-9) 1 h B 1 h V Z bp 式中:B RT ap a(T ) p A 2 2.5 RK 方程 或 RKS 方程 2 2 RT RT 迭代过程可参考示例2-2。
式。van der Waals 方程是第一个适用真实
气体的立方型方程,其形式为:
RT a P 2 V b V
(2–6)
27 R 2TC2 a 64 PC
RTC b 8PC
1
Redlich - Kwong ( RK )方程
RT a P 1/ 2 V b T V V b
R 2Tc2.5 a 0.42768 Pc RTc b 0.08664 Pc
图2-2 P-V-T相图的投影图
图 2-3 纯物质的P-T图
图2-4 纯物质的P-V图
PC

气 液/汽 饱和液相线
VC

饱和汽相线
图2-5 纯物质的P-V图

等温线在两相区的水平段随温度的升高而逐渐变 短,到临界温度时最后缩成一点C,即临界点 。在 临界点 处:
P 0 V T Tc 2P 0 2 V T Tc
4.4656.167 0.08058 V2 6.814 6.109 6.1676.167 0.08058
V3 6.102
V4 6.101
V 6.101m / kmol
3
2.2.4 多参数状态方程
与简单的2-3参数状态方程相比,多参数状
态方程可以在更宽的T、p范围内准确地描述
( 1 ) 由统计力学进行理论计算,主要用于第二维里系数计算 ( 2 ) 由实验测定或者由文献查得, 用于各阶维里系数计算 ( 3 ) 用普遍化关联式计算第二维里系数,较方便,但精度不 如实验测定的数据
当温度低于临界温度、压力不高于1.5MPa时, 用二阶舍项的维里方程可以很精确地表示气体的p –V -T关系,当压力高于5.0MPa时,需要用更多阶 的维里方程。
理想气体方程的意义

在较低压力和较高温度下可用理想气体方程进 行计算; 为真实气体状态方程计算提供初始值; 判断真实气体状态方程的极限情况的正确程度, 当 P 或者 0 V 时,任何的状态 方程都还原为理想气体方程。

2.2.2 维里方程

Virial方程的两种形式
PV Z 1 B P C P 2 DP 3 压力多项式 (2-4) RT PV B C D 体积多项式 Z 1 2 3 RT V V V
4.248Vk 0.08058 Vk 1 6.814 Vk Vk 0.08058 RT 8.314 300 3 V0 6.734m / kmol P 370.4 4.2486.734 0.08058 V1 6.814 6.198 6.7346.734 0.08058
2 流体的 P-V-T关系

2.1 2.2
纯物质的P-V-T关系 气体的状态方程


2.3
2.4 2.5
对比态原理及其应用
真实气体混合物的P-V-T关系 液体的P-V-T性质
2.1
纯物质的P-V-T关系
液 固 固 液 汽

临界点 气

临界点 气

凝固时收缩
凝固时膨胀
图2-1 纯物质的P-V-T相图
T 1 0.37464 1.54226 0.26992 1 Tr
2
0.5

2
注:PR方程预测液体摩尔体积的准确度较RKS有明显的改善。 PR方程可采用类似于RK方程的迭代方法来计算,见下页。
讨论:立方型状态方程根的意义及求解方法

给定T和V,由立方型状态方程 可直接求得P 。但大多数情况是 由T和P求 V 。 当T > Tc 时,立方型状态方程有 一个实根,它是气体容积。 当T<Tc时,高压下立方型状态方 程有一个实根,它是液体容积。 低压存在三个不同实根,最大的 V值是蒸气容积,最小的V值是液

BWR方程是第一个能在高密度区表示流体P-V-T关系和计 算汽液平衡的多参数方程,在工业上得到了一定的应用。原 先该方程的8个常数是从烃类的P-V-T和蒸汽压数据拟合得 到。但后人为了提高方程的预测性,对BWR 方程常数进行 了普遍化处理,即能从纯物质的临界温度、临界压力和偏心 因子估算常数。
2 Martin-Hou 方程
不同物系的p-V-T关系,但适用的物质有限,
且需要有非常可靠的实验数据,应用于混合
物时过于复杂。

常用的 多参数状态方程有BWR方程(1940 年)和MH方程(1955年),均是维里型方 程。
1 BWR 方程
C0 2 P RT B0 RT A0 2 bRT 3 T c 3 6 a 2 1 2 exp 2 T
4.465Vk 0.08058 Vk 1 6.814 Vk Vk 0.08058 RT 8.314 300 3 V0 6.734m / kmol P 370.4 4.4656.734 0.08058 V1 6.814 6.167 6.7346.734 0.08058
(2-7)
* RK方程能较成功地用于非极性和弱极性气体,但 用于强极性及含有氢键的化合物时会产生较大偏差, 且不适用于计算液体密度,因而不能预测纯流体的 蒸汽压(即汽液平衡)。
2 Soave - Redlich - Kwa(T ) V b V V b
Tc=126.2K Pc=3.648MPa ω =0.176
解 从附录二查得异丁烷的临界参数为
( 1 ) RK方程
3.648 103 8.314 408.1 b 0.08664 0.08058m3 / kmol 3.648 103 a 0.42768 8.314 2 408.12.5 2.725 10 4 kP m 6 K 0.5 / kmol2 a
将方程写成三次展开式
RT 2 1 2 a ab V V Pb bRT 0.5 V 0.5 0 P P T PT
3
Vk 1
PV RTV ab / T 2 0.5 Pb bRT a / T
3 k 2 k
0.5
初值取
V0 b

例2-3 试用RK、RKS和PR方程分别计算 异丁烷在300K,3.704MPa时摩尔体积。 其实验值为V=6.081m3/kmol 。

例2-2MATHCAD程序:利用RK方程计算异丙醇蒸气的摩尔体积
3 Peng - Robinson ( PR )方程
a T RT p V b V V b b V b
2 10
R 2Tc2 a (T ) a T 0.45724 T Pc RTc b 0.07780 Pc
B B RT
C B2 C 2 2 RT
D 3BC 2 B 3 D R 3T 3

Virial 系数
B(B‘)、C(C’)、D(D‘)分别称为第 二、第三、第四维里系数,其物理意义分别代 表两个、三个和四个分子间相互作用力所引起 的真实气体与理想气体之间的偏差。维里系数 可以通通过以下几种方法得到:
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