化工熱力學(xué)-第3章流體PVT關(guān)系01相圖

化工熱力學(xué)ChemicalEngineeringThermodynamics上海大學(xué)ShanghaiUniversity鄢浩Telmail:hao-yan@辦公室：東區(qū)環(huán)化樓204上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/52流體的PVT關(guān)系上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/531.流體的熱力學(xué)性質(zhì)分類：流體可直接測量：不可直接測量：EOS數(shù)學(xué)模型流體的pVT關(guān)系是化工熱力學(xué)的起點和基石。2.表示方法：相圖、狀態(tài)方程式、熱力學(xué)性質(zhì)圖表上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/54一單組分流體的PVT關(guān)系二氣體的狀態(tài)方程式三對比態(tài)原理與普遍化真實氣體狀態(tài)方程式四真實氣體混合物的PVT關(guān)系五液體的普遍化關(guān)聯(lián)式主要內(nèi)容上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/55一、單組分流體的pVT相圖上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/56固固液液液-汽汽氣臨界點三相線固-汽凝固時收縮三維相圖上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/57氣臨界點液-汽液固固-汽三相線汽凝固時膨脹三維相圖上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/58各點、線、面、區(qū)的位置和物理意義：單相區(qū)(V,G,L,S)兩相共存區(qū)(V/L,L/S,G/S)飽和線三相線臨界點超臨界流體(T>Tc和p>pc)三維相圖的投影上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/59T-V相圖上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/510水在常壓加熱變化帶有活塞的汽缸保持恒壓液體水畫出其T-V相圖（20℃－300℃）問題:上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/511觀察加熱上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/512上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/513液體汽體液體和汽體飽和汽相線（露點線）飽和液相線（泡點線）上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/514在單相區(qū)，等溫線為光滑的曲線或直線；高于Tc的的等溫線光滑，無轉(zhuǎn)折點，低于Tc的的等溫線有折點，由三部分組成。汽液兩相區(qū)的體積差隨溫度和壓力的上升而減少，外延至ΔV=0點，可求得Pc,Vc和Tc.等溫線在兩相區(qū)的水平段隨溫度的升高而逐漸變短，到臨界溫度最后縮成一點C——臨界點。上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/515等溫線在臨界點處是一個水平拐點，其斜率和曲率均為零。數(shù)學(xué)上的表達式為：臨界點的數(shù)學(xué)特征上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/516p-V相圖上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/517恒溫下,水體積隨壓力變化帶有活塞的汽缸液體水畫出其p-V相圖（150℃）問題:p=1MPaT=150℃上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/518觀察加熱p=1MPaT=150℃p=0.4762MPaT=150℃p=0.4762MPaT=150℃p=0.4762MPaT=150℃p=0.762MPaT=150℃上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/519特性：汽液兩相區(qū)的體積差隨溫度和壓力的上升而減少，外延至ΔV=0點，可求得Pc,Vc和Tc.在單相區(qū)，等溫線為光滑的曲線或直線；高于Tc的的等溫線光滑，無轉(zhuǎn)折點，低于Tc的的等溫線有折點，由三部分組成。等溫線在兩相區(qū)的水平段隨溫度的升高而逐漸變短，到臨界溫度是最后縮成一點C。上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/520p-T相圖上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/521從A點到B點，即從液體到氣體，但沒有穿過相界面，這個變化過程是漸變的的過程，不存在突發(fā)的相變。上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/522例題3-1在4L的剛性容器中裝有50℃、2kg水的飽和氣液混合物，已知50℃時水的飽和液相體積，飽和汽相體積，水的臨界體積分別如下?，F(xiàn)在將水慢慢加熱，使得飽和氣液混合物變成了單相，問：此單相是什么？如果將容器換為400L，最終答案時什么？上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/523解：如圖所示:（1）若剛性容器的體積為4L，則容器中水的飽和氣液混合物的單位質(zhì)量為：即A1點位于飽和液相體積與臨界體積之間的汽液共存區(qū)內(nèi)。由于剛性容器體積保持不變，因此加熱過程在等容線上變化，到達B1時，汽液共存相變?yōu)橐合鄦蜗?；繼續(xù)加熱，當(dāng)T>Tc，則最終單相為超臨界流體，即C1點。上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/524當(dāng)水慢慢加熱后，則狀態(tài)從位于汽液共存區(qū)的A2，變?yōu)槠鄦蜗郆2，繼續(xù)加熱，當(dāng)T>Tc，則最終單相為超臨界流體C2.超臨界流體區(qū)(2)同理，容器體積為400L時，上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/525p-V-T關(guān)系的應(yīng)用上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/526超臨界流體技術(shù)氣體液體Fig.相圖超臨界流體臨界溫度（Tc)臨界點固體三相點上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/527物理性質(zhì)氣體超臨界流體液體密度(kg/m3)0.6~1200~9001000粘度(Pa?s)10-510-5~10-410-3擴散系數(shù)(m2/s)10-510-7~10-810-9超臨界流體（SCF)的特點氣體超臨界流體狀態(tài)氣體T，PT,P超臨界萃取技術(shù)上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/528萃取器分離器萃取物輔助溶劑減壓閥泵萃取裝置的基本構(gòu)成上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/529上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/530應(yīng)用實例：①從啤酒花中提取有效成分(綠草酮α-酸、蛇麻酮β-酸)德國、美國80年代工業(yè)化，回收率達97%②從咖啡豆中分離咖啡因

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從甘草中提取甘草素

T=40oC,p=35MPa,采用SCCO2–C2H5OH–H2O體系作萃取劑上海大學(xué)ShanghaiUniversity2023/2/531超臨界萃取的優(yōu)點：①萃取劑的溶解能力易于通過調(diào)節(jié)溫度和壓力控制。②可在低溫下操作，不破壞提取物中的活性組分。③可較快地達到平衡，萃取速率快，生產(chǎn)周期短④溶劑回收簡單方便，不存在殘留物⑤萃取劑可循環(huán)使用，不產(chǎn)生三廢，不污染環(huán)境

廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)、香料工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、石油工業(yè)、煤炭工業(yè)劑超臨界色譜等領(lǐng)域超臨界萃取的缺點：壓力高，設(shè)備造價高上海大學(xué)ShanghaiUn