化工热力学-第3章流体PVT关系01相图

化工热力学ChemicalEngineeringThermodynamics上海大学ShanghaiUniversity鄢浩Telmail:hao-yan@办公室：东区环化楼204上海大学ShanghaiUniversity2023/2/52流体的PVT关系上海大学ShanghaiUniversity2023/2/531.流体的热力学性质分类：流体可直接测量：不可直接测量：EOS数学模型流体的pVT关系是化工热力学的起点和基石。2.表示方法：相图、状态方程式、热力学性质图表上海大学ShanghaiUniversity2023/2/54一单组分流体的PVT关系二气体的状态方程式三对比态原理与普遍化真实气体状态方程式四真实气体混合物的PVT关系五液体的普遍化关联式主要内容上海大学ShanghaiUniversity2023/2/55一、单组分流体的pVT相图上海大学ShanghaiUniversity2023/2/56固固液液液-汽汽气临界点三相线固-汽凝固时收缩三维相图上海大学ShanghaiUniversity2023/2/57气临界点液-汽液固固-汽三相线汽凝固时膨胀三维相图上海大学ShanghaiUniversity2023/2/58各点、线、面、区的位置和物理意义：单相区(V,G,L,S)两相共存区(V/L,L/S,G/S)饱和线三相线临界点超临界流体(T>Tc和p>pc)三维相图的投影上海大学ShanghaiUniversity2023/2/59T-V相图上海大学ShanghaiUniversity2023/2/510水在常压加热变化带有活塞的汽缸保持恒压液体水画出其T-V相图（20℃－300℃）问题:上海大学ShanghaiUniversity2023/2/511观察加热上海大学ShanghaiUniversity2023/2/512上海大学ShanghaiUniversity2023/2/513液体汽体液体和汽体饱和汽相线（露点线）饱和液相线（泡点线）上海大学ShanghaiUniversity2023/2/514在单相区，等温线为光滑的曲线或直线；高于Tc的的等温线光滑，无转折点，低于Tc的的等温线有折点，由三部分组成。汽液两相区的体积差随温度和压力的上升而减少，外延至ΔV=0点，可求得Pc,Vc和Tc.等温线在两相区的水平段随温度的升高而逐渐变短，到临界温度最后缩成一点C——临界点。上海大学ShanghaiUniversity2023/2/515等温线在临界点处是一个水平拐点，其斜率和曲率均为零。数学上的表达式为：临界点的数学特征上海大学ShanghaiUniversity2023/2/516p-V相图上海大学ShanghaiUniversity2023/2/517恒温下,水体积随压力变化带有活塞的汽缸液体水画出其p-V相图（150℃）问题:p=1MPaT=150℃上海大学ShanghaiUniversity2023/2/518观察加热p=1MPaT=150℃p=0.4762MPaT=150℃p=0.4762MPaT=150℃p=0.4762MPaT=150℃p=0.762MPaT=150℃上海大学ShanghaiUniversity2023/2/519特性：汽液两相区的体积差随温度和压力的上升而减少，外延至ΔV=0点，可求得Pc,Vc和Tc.在单相区，等温线为光滑的曲线或直线；高于Tc的的等温线光滑，无转折点，低于Tc的的等温线有折点，由三部分组成。等温线在两相区的水平段随温度的升高而逐渐变短，到临界温度是最后缩成一点C。上海大学ShanghaiUniversity2023/2/520p-T相图上海大学ShanghaiUniversity2023/2/521从A点到B点，即从液体到气体，但没有穿过相界面，这个变化过程是渐变的的过程，不存在突发的相变。上海大学ShanghaiUniversity2023/2/522例题3-1在4L的刚性容器中装有50℃、2kg水的饱和气液混合物，已知50℃时水的饱和液相体积，饱和汽相体积，水的临界体积分别如下。现在将水慢慢加热，使得饱和气液混合物变成了单相，问：此单相是什么？如果将容器换为400L，最终答案时什么？上海大学ShanghaiUniversity2023/2/523解：如图所示:（1）若刚性容器的体积为4L，则容器中水的饱和气液混合物的单位质量为：即A1点位于饱和液相体积与临界体积之间的汽液共存区内。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T>Tc，则最终单相为超临界流体，即C1点。上海大学ShanghaiUniversity2023/2/524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T>Tc，则最终单相为超临界流体C2.超临界流体区(2)同理，容器体积为400L时，上海大学ShanghaiUniversity2023/2/525p-V-T关系的应用上海大学ShanghaiUniversity2023/2/526超临界流体技术气体液体Fig.相图超临界流体临界温度（Tc)临界点固体三相点上海大学ShanghaiUniversity2023/2/527物理性质气体超临界流体液体密度(kg/m3)0.6~1200~9001000粘度(Pa・s)10-510-5~10-410-3扩散系数(m2/s)10-510-7~10-810-9超临界流体（SCF)的特点气体超临界流体状态气体T，PT,P超临界萃取技术上海大学ShanghaiUniversity2023/2/528萃取器分离器萃取物辅助溶剂减压阀泵萃取装置的基本构成上海大学ShanghaiUniversity2023/2/529上海大学ShanghaiUniversity2023/2/530应用实例：①从啤酒花中提取有效成分(绿草酮α-酸、蛇麻酮β-酸)德国、美国80年代工业化，回收率达97%②从咖啡豆中分离咖啡因

T=70-900C,p=16-20MPa,SCCO2中溶解的咖啡因用水吸收除去。咖啡因含量可由3%降至0.02%。③从甘草中提取甘草素

T=40oC,p=35MPa,采用SCCO2–C2H5OH–H2O体系作萃取剂上海大学ShanghaiUniversity2023/2/531超临界萃取的优点：①萃取剂的溶解能力易于通过调节温度和压力控制。②可在低温下操作，不破坏提取物中的活性组分。③可较快地达到平衡，萃取速率快，生产周期短④溶剂回收简单方便，不存在残留物⑤萃取剂可循环使用，不产生三废，不污染环境

广泛应用于食品工业、香料工业、医药工业、石油工业、煤炭工业剂超临界色谱等领域超临界萃取的缺点：压力高，设备造价高上海大学ShanghaiUn