第1章-流体pVT关系课件

第1章-流体pVT关系课件1主要内容主要内容u 流体流体pVT关系发展概况关系发展概况u 流体的非理想性流体的非理想性u 混合物的混合物的pVT行为行为u 维里方程维里方程u 立方型状态方程立方型状态方程u 总结总结主要内容 流体pVT关系发展概况2 流体的流体的p V T关系的发展概况关系的发展概况 流体的p V T关系的发展概况3一、理想气体一、理想气体1662年年 Boyle定律定律1834年年 理想气体状态方程理想气体状态方程二、维里方程二、维里方程Onnes：1901年以一种经验的关系式开发出了维年以一种经验的关系式开发出了维里方程；里方程；Ursell：1927年年 维里方程的进一步理论发展；维里方程的进一步理论发展；Mayer：1937年年 维里方程的进一步理论发展维里方程的进一步理论发展一、理想气体1662年 Boyle定律1834年 理想气体状4第1章-流体pVT关系课件5三、立方型状态方程三、立方型状态方程1873年年van der Waals（范德华）（范德华）首次提出了能表达从气首次提出了能表达从气态到液态连续性的状态方程态到液态连续性的状态方程：对对van der Walls方程作了很多改进，其中比较成功地改进方程作了很多改进，其中比较成功地改进包括包括Redlich和和Kwong改进的改进的RK方程、方程、Soave的进一步改进的进一步改进（Soave方程，方程，1972年），年），Peng和和Robinson（1976年）年）这些立方型状态方程中的参数基本上可用临界性质表示，这些立方型状态方程中的参数基本上可用临界性质表示，但也包括对温度和其他性质如压缩因子但也包括对温度和其他性质如压缩因子Z或偏心因子的修或偏心因子的修正，这些方程的改进大都是经验的或者任意的。正，这些方程的改进大都是经验的或者任意的。近来一些统计力学理论已用于改进立方型状态方程。近来一些统计力学理论已用于改进立方型状态方程。三、立方型状态方程对van der Walls方程作了很多改6四、液体四、液体l对于液体，虽然在理论上和关联方面已做了很多工作，但对于液体，虽然在理论上和关联方面已做了很多工作，但了解仍然比气体少得多。了解仍然比气体少得多。l有一些经验关联式专门用于液体密度的计算，如有一些经验关联式专门用于液体密度的计算，如Hankinson 和和Thomson提出的饱和液体密度计算关联式是提出的饱和液体密度计算关联式是典型代表；典型代表；l一些复杂的方程，如一些复杂的方程，如PR方程、方程、BWR方程、方程、HarmensKnapp方程，可作为较好的液体密度表达式。方程，可作为较好的液体密度表达式。l特别值得推荐的是特别值得推荐的是ASOG和和UNIFAC方法，通过流体的分方法，通过流体的分子结构去预测液体的混合物行为。子结构去预测液体的混合物行为。基团贡献法基团贡献法 四、液体对于液体，虽然在理论上和关联方面已做了很多工作，但了7流体的非理想性流体的非理想性第1章-流体pVT关系课件8一、与理想性的偏差一、与理想性的偏差l理想气体理想气体分子的大小如同几何点分子的大小如同几何点分子间不存在相互作用力分子间不存在相互作用力极低的压力下真实气体非常接近理想气体极低的压力下真实气体非常接近理想气体许多实际物质的性质可以通过与理想气体的偏差，这许多实际物质的性质可以通过与理想气体的偏差，这也是热力学研究的一个重要方法。如压缩因子也是热力学研究的一个重要方法。如压缩因子Z，剩余，剩余性质性质MR一、与理想性的偏差理想气体分子的大小如同几何点分子间不存在相9此外，实际气体与理想气体之间的另一个重要差别是此外，实际气体与理想气体之间的另一个重要差别是它们的热行为。如它们的热行为。如此外，实际气体与理想气体之间的另一个重要差别是它们的热行为。10二、分子间作用力二、分子间作用力l分子的大小、形状和结构确定了它们之间的力和最终的分子的大小、形状和结构确定了它们之间的力和最终的pVT行为。引力使分子结合在一起，斥力使分子分开。前者行为。引力使分子结合在一起，斥力使分子分开。前者在分子距离大时起作用，后者在近距离范围内有影响。在分子距离大时起作用，后者在近距离范围内有影响。l根据分子的电性质，分子可以分为三种：根据分子的电性质，分子可以分为三种：（1）电中性和对称性，通常维非极性分子）电中性和对称性，通常维非极性分子（2）电中性而非对称性，即具有偶极距，称为极性分子；）电中性而非对称性，即具有偶极距，称为极性分子；（3）有剩余价，可产生缔合和氢键。）有剩余价，可产生缔合和氢键。在所有分子中都存在斥力和引力，但在缔合和极性分子中，在所有分子中都存在斥力和引力，但在缔合和极性分子中，它们以不寻常的形式出现。它们以不寻常的形式出现。目前目前pVT关系和方程最成功地描述非极性物质的行为，包括关系和方程最成功地描述非极性物质的行为，包括重要的烃类。重要的烃类。二、分子间作用力分子的大小、形状和结构确定了它们之间的力和最11分子极性分子极性u极性：当一个键的电中心与其质量中心不重合时，就产生偶极距。极性是以偶极距的大小来定义的。偶极距的单位为Debye。u极性分子特点：极性分子与非极性分子相比，具有较大的黏度和较高的沸点和熔点；极性分子还更能溶解于水。特别重要的是极性分子表现出更大的超额热力学性质。u分子之间的作用力可以使用位能函数来描述。例如Lennard-Jones 12-6位能函数。分子极性极性：当一个键的电中心与其质量中心不重合时，就产生偶12分子的缔合和氢键分子的缔合和氢键l极性物质的分子趋向于形成基团，因为它们的氢极性物质的分子趋向于形成基团，因为它们的氢原子表现出好像有剩余价，这种作用称为氢键。原子表现出好像有剩余价，这种作用称为氢键。其趋势是随着组成原子的电负性减小而减小。其趋势是随着组成原子的电负性减小而减小。l例如例如(HF)6；而乙酸、甲酸的气体在略高于沸点时；而乙酸、甲酸的气体在略高于沸点时是双分子；醇类、酯类、醛类和其他物质，在正是双分子；醇类、酯类、醛类和其他物质，在正常压力和温度下，也表现出明显的缔合。这种缔常压力和温度下，也表现出明显的缔合。这种缔合的程度随压力和浓度减小而降低，缺随着温度合的程度随压力和浓度减小而降低，缺随着温度的升高而降低。的升高而降低。分子的缔合和氢键极性物质的分子趋向于形成基团，因为它们的氢原13氢键氢键例如氟化氢例如氟化氢 两个电负性足够大的原两个电负性足够大的原X和和Y，在适当的条件下可以按的，在适当的条件下可以按的形式和氢连接。形式和氢连接。因而，分子如果含有和电负性因而，分子如果含有和电负性原子连接的氢（如在醇、酸、胺中），它就显示出互相缔原子连接的氢（如在醇、酸、胺中），它就显示出互相缔合以及和其他具有可接近的电负性原子的分子生成溶剂化合以及和其他具有可接近的电负性原子的分子生成溶剂化物的强烈趋势。物的强烈趋势。再如：醋酸主要以二聚体组成，这是存在氢键的作用。再如：醋酸主要以二聚体组成，这是存在氢键的作用。氯仿氯仿CHCl3和丙酮和丙酮CH3COCH3有溶剂化的趋势，这是因有溶剂化的趋势，这是因为氯仿中的伯氢原子和丙酮中的羰基氧之间形成氢键，这为氯仿中的伯氢原子和丙酮中的羰基氧之间形成氢键，这种溶剂化作用对于氯仿丙酮溶液的性质有显著影响。种溶剂化作用对于氯仿丙酮溶液的性质有显著影响。氯仿和二异丁基甲酮也形成氢键，但由于存在空间障碍，氯仿和二异丁基甲酮也形成氢键，但由于存在空间障碍，络合的趋势小得多。络合的趋势小得多。氢键例如氟化氢 14CClClClHCH3COCH3CCCCCCCCCOCClClClHCH3COCH3CCCCCCCCCO15l比较同分异构体比较同分异构体C2H6O的某些热力学性质，便可的某些热力学性质，便可以很好地说明氢键对于物化性质的强烈影响。以很好地说明氢键对于物化性质的强烈影响。乙醇乙醇 CH3CH2OH;二甲醚二甲醚 CH3OCH3比较同分异构体C2H6O的某些热力学性质，便可以很好地说明氢16当形成氢键的物质溶于相对惰性的非极性溶剂中，当形成氢键的物质溶于相对惰性的非极性溶剂中，然后研究溶液的热力学性质，往往可以发现同种分然后研究溶液的热力学性质，往往可以发现同种分子的氢键。子的氢键。如：乙醇溶于过量的非极性溶剂（如己烷或环己烷）如：乙醇溶于过量的非极性溶剂（如己烷或环己烷）时，其混合体积有明显膨胀（超额体积大于时，其混合体积有明显膨胀（超额体积大于0 0）。这）。这是由于氢键不断地断裂，直至无限稀释时，二聚体、是由于氢键不断地断裂，直至无限稀释时，二聚体、三聚体、高聚体等都消失，所有的分子都以单体存三聚体、高聚体等都消失，所有的分子都以单体存在。在。再如：研究四氯化碳再如：研究四氯化碳CCl4丙酮及氯仿丙酮及氯仿CHCl3丙丙酮之间的作用力非常不同。酮之间的作用力非常不同。当形成氢键的物质溶于相对惰性的非极性溶剂中，然后研究溶液的热17混合焓，混合焓，KJ/mol012-1-2丙酮摩尔分数丙酮摩尔分数-100-20-60丙酮摩尔分数丙酮摩尔分数-100冰点冰点CCl4丙酮丙酮混合焓，KJ/mol012-1-2丙酮摩尔分数-100-20181.丙酮和四氯化碳的混合热是正的（吸热），而丙酮和氯仿的丙酮和四氯化碳的混合热是正的（吸热），而丙酮和氯仿的混合热是负的，数值上也差别很大。混合热是负的，数值上也差别很大。四氯化碳混合热的数据表明，物理的分子力的影响只造成少量四氯化碳混合热的数据表明，物理的分子力的影响只造成少量的吸热。但在氯仿混合物中，化学效应之大不仅抵消了物理作的吸热。但在氯仿混合物中，化学效应之大不仅抵消了物理作用对混合热应有的贡献，而且造成放热。因为破坏氢键需要能用对混合热应有的贡献，而且造成放热。因为破坏氢键需要能量，所以形成氢键时，自然需要放出能量。量，所以形成氢键时，自然需要放出能量。2.氯仿和四氯化碳有两个低共熔点，之间有一段上凸的曲线，氯仿和四氯化碳有两个低共熔点，之间有一段上凸的曲线，极值点在极值点在50处，这表明在固态中存在络合物，不过液态时解处，这表明在固态中存在络合物，不过液态时解离了。离了。存在络合物充分证明了两种不同分子间的强烈作用。极值点出存在络合物充分证明了两种不同分子间的强烈作用。极值点出现在组成轴的中点。因此我们推知络合物化学计量比为现在组成轴的中点。因此我们推知络合物化学计量比为1：11.丙酮和四氯化碳的混合热是正的（吸热），而丙酮和氯仿的19缔合存在时的缔合存在时的pVT行为行为其转换分数为其转换分数为由多聚物的平衡常数决定由多聚物的平衡常数决定缔合存在时的pVT行为其转换分数为由多聚物的平衡常数决定20l用缔合平衡表示的多组元用缔合平衡表示的多组元pVT行为是很麻烦的，这行为是很麻烦的，这种数据也很难找到。种数据也很难找到。l因此，除含氧有机物质的二聚物，其平衡常数已因此，除含氧有机物质的二聚物，其平衡常数已充分知道外，处理这类问题通常不考虑化学平衡而充分知道外，处理这类问题通常不考虑化学平衡而用经验的状态方程。用经验的状态方程。一定要注意由于氢键造成的缔合或者聚合一定要注意由于氢键造成的缔合或者聚合对于其对于其pVT行为的影响行为的影响用缔合平衡表示的多组元pVT行为是很麻烦的，这种数据也很难找21混合物的混合物的pVT行为行为混合物的pVT行为22u真实气体混合物的非理想性，可看成是由两方面的原因造真实气体混合物的非理想性，可看成是由两方面的原因造成的成的纯气体的非理想性纯气体的非理想性混合作用所引起的非理想性混合作用所引起的非理想性u真实气体混合物真实气体混合物p V-T性质的计算方法与纯气体的计算方性质的计算方法与纯气体的计算方法是相同的法是相同的,也有两种也有两种EOS普遍化方法普遍化方法u但是但是由于混合物组分数的增加由于混合物组分数的增加，使它的计算又具有，使它的计算又具有特殊性特殊性。真实气体混合物的非理想性，可看成是由两方面的原因造成的23一、虚拟临界性质一、虚拟临界性质当混合物应用对应状态原理时，就需要确定对比参数当混合物应用对应状态原理时，就需要确定对比参数 ，就必须解决，就必须解决混合物的临界性质混合物的临界性质问题。当以混合物的真实问题。当以混合物的真实临界性质为依据时，对比状态方程是不正确的。临界性质为依据时，对比状态方程是不正确的。设想一个满意的通过组成和纯物质临界表示的虚拟临界性设想一个满意的通过组成和纯物质临界表示的虚拟临界性质。这些虚拟的临界性质通常与真实的性质有明显不同。质。这些虚拟的临界性质通常与真实的性质有明显不同。混合物的临界常数是通过一些规则将混合物中各组分的临混合物的临界常数是通过一些规则将混合物中各组分的临界参数联系在一起的。界参数联系在一起的。一、虚拟临界性质当混合物应用对应状态原理时，就需要确定对比参24u表达式：最简单的是表达式：最简单的是Kay规则，该规则将混合物的规则，该规则将混合物的虚拟临界参数表示成：虚拟临界参数表示成：u虚拟对比变量为：虚拟对比变量为：表达式：最简单的是Kay规则，该规则将混合物的虚拟临界参数表25u使用情况：使用情况：（1）用这些虚拟临界参数计算混合物）用这些虚拟临界参数计算混合物p V-T关系关系关系时，所得结果一般较好。关系时，所得结果一般较好。（2）适用于）适用于（3）对于组分差别很大的混合物，尤其对于具有）对于组分差别很大的混合物，尤其对于具有极性组元的系统以及可以缔合为二聚物的系统均极性组元的系统以及可以缔合为二聚物的系统均不适用。不适用。（4）常应用于三参数压缩因子图等。）常应用于三参数压缩因子图等。使用情况：26Prausnitz对计算各临界参数提出如下的混合规则：对计算各临界参数提出如下的混合规则：二元交互作用参数二元交互作用参数kij是由经验决定的，也可以由是由经验决定的，也可以由二元交互第二维里系数的实验数据得到。二元交互第二维里系数的实验数据得到。Prausnitz对计算各临界参数提出如下的混合规则：二元27二、混合规则二、混合规则u对于纯气体的对于纯气体的p V-T关系可以概括为：关系可以概括为：若要将这些方程扩展到混合物，必须增加组成若要将这些方程扩展到混合物，必须增加组成x这个变量，即表示为：这个变量，即表示为：如如何何反反映映组组成成x对对混混合合物物p V T性性质质的的影影响响，成成为为研研究究混混合合物物状状态态方方程程的的关键之处。关键之处。目前广泛采用的函数关系是目前广泛采用的函数关系是混合规则。混合规则。u混混合合规规则则：将将状状态态方方程程中中的的常常数数项项，表表示示成成组组成成x以以及及纯纯物物质质参参数数项项的的函函数，这种函数关系称作为混合规则。不同的状态方程，有不同的混合规则。数，这种函数关系称作为混合规则。不同的状态方程，有不同的混合规则。u这这些些规规则则的的目目的的是是用用组组成成和和纯纯组组分分的的性性质质来来表表示示混混合合物物的的性性质质，某某些些混混合规则有合理的依据，但大多数是纯经验的。合规则有合理的依据，但大多数是纯经验的。u与与状状态态方方程程相相联联系系，主主要要感感兴兴趣趣的的是是临临界界参参数数的的规规则则，以以及及参参数数的的直直接接求取。求取。二、混合规则对于纯气体的p V-T关系可以概括为：28u由统计力学可以导出气体混合物的第二由统计力学可以导出气体混合物的第二Virial系数为：系数为：且且BijBji。u对于二元混合物，展开式为：对于二元混合物，展开式为：B11，B22分别为纯分别为纯1物质和物质和2物质的第二维里系数，物质的第二维里系数，uB12代表混合物性质，称为交叉第二维里系数，用以下代表混合物性质，称为交叉第二维里系数，用以下经验式计算：经验式计算：思考？对于多元混合物，思考？对于多元混合物，表达式怎样？表达式怎样？由统计力学可以导出气体混合物的第二Virial系数为：思考？29混合物的立方型状态方程混合物的立方型状态方程u基本情况：基本情况：（1）不同的状态方程当用于混合物）不同的状态方程当用于混合物p-V-T计算时应计算时应采用不同的混合规则；采用不同的混合规则；（2）一个状态方程也可使用不同的混合规则。）一个状态方程也可使用不同的混合规则。（3）大多数状态方程均采用经验的混合规则。）大多数状态方程均采用经验的混合规则。（4）混合规则的优劣只能由实践来检验。）混合规则的优劣只能由实践来检验。混合物的立方型状态方程基本情况：30u通常形式通常形式：立方型状态方程用于混合物时，方程中参数立方型状态方程用于混合物时，方程中参数a和和b常采用以下常采用以下的混合规则：的混合规则：对于二元混合物，对于二元混合物，交叉项交叉项 aij是计算关键是计算关键（1）可以用下式计算：）可以用下式计算：kij称为二元交互作用参数。称为二元交互作用参数。（2）Prausnitz等人建议用下式计算交叉项等人建议用下式计算交叉项aij通常形式：31l为了提高计算精度，也可以改变参数的混合规则，为了提高计算精度，也可以改变参数的混合规则，如：如：为了提高计算精度，也可以改变参数的混合规则，如：32GEEOS混合规则混合规则u超额超额Gibbs自由能一状态方程自由能一状态方程(GE 一一EOS)模模型以型以GE 混合规则为桥梁，将活度系数模型和状态方程结合混合规则为桥梁，将活度系数模型和状态方程结合为一体。为一体。GE 可根据活度系数模型可根据活度系数模型(如如van Laar 状态方程、状态方程、Wilson状态状态方程、方程、NRTL模型、模型、UNIQUAC模模型、型、UNIFAC模型等模型等)计算。计算。逸度系数通过状态方程计算，逸度系数通过状态方程计算，计算式中含有参数计算式中含有参数a和和b状态方程的体积参数状态方程的体积参数b用传统混合规则计算用传统混合规则计算将参数将参数b及逸度计算公式代入及逸度计算公式代入A式可得状式可得状态方程相互作用参数态方程相互作用参数a的表达式的表达式GEEOS混合规则超额Gibbs自由能一状态方程(GE 33uHuronVidal(HV)混合规则混合规则Huron等令压力趋于无穷大，对等令压力趋于无穷大，对b用线性混合规则用线性混合规则该规则有一定的该规则有一定的缺陷缺陷：（1）HV混合规则是在混合规则是在压力趋于无穷大压力趋于无穷大时得到的，而实时得到的，而实际际GE模型的参数是在低压或有限压力下回归得到的；模型的参数是在低压或有限压力下回归得到的；（2）HV混合规则超额体积混合规则超额体积VE必须为必须为0，限制了，限制了b的混合的混合规则只能用规则只能用线性混合规则线性混合规则计算；计算；（3）HV规则混合规则不能直接用规则混合规则不能直接用GE模型已有的模型已有的参数参数表，表，需要重新拟合参数。需要重新拟合参数。HuronVidal(HV)混合规则该规则有一定的缺陷：34uWongSandier(WS)混合规则混合规则避免了避免了HV混合规则超额体积必须为混合规则超额体积必须为0的情况，的情况，b使用了非线性混合规则。使用了非线性混合规则。用用NRTL模型结合此规则计算了水环己烷等体模型结合此规则计算了水环己烷等体系的液液平衡，效果比普通的系的液液平衡，效果比普通的EOS混合规则好。混合规则好。WongSandier(WS)混合规则避免了HV混合规则超35uMHV1(Modified HV)混合规则混合规则。对于对于SRK状态方程，状态方程，q1=-0.593；对于；对于PR状态方程，状态方程，q1=-0.53；对于；对于van der Waals状态方程，状态方程，q1=-0.85不适合外推到高温不适合外推到高温MHV1(Modified HV)混合规则。对于SRK状态36uHVID混合规则混合规则HVID混合规则将无限稀活度系数导入状态方程，结合混合规则将无限稀活度系数导入状态方程，结合UNIFAC 93(Dortmund)模型模型，预测对称极性物系、醇一烃，预测对称极性物系、醇一烃物系、酮一烃物系及烃类混合物的相平衡得到了较好的结果。物系、酮一烃物系及烃类混合物的相平衡得到了较好的结果。uMHV2混合规则混合规则对于对于SRK 状态方程，式状态方程，式q1=-0.4780，q2=-0.004 7提高了外推的准确性提高了外推的准确性HVID混合规则HVID混合规则将无限稀活度系数导入状态方程37结合传统混合规则的状态方程法常常不能准确描述液相行为，结合传统混合规则的状态方程法常常不能准确描述液相行为，尤其对极性物系、强不对称物系等；尤其对极性物系、强不对称物系等；GE 一一EOS模型能够准确模型能够准确地描述液相行为，改进了传统方法的不足。地描述液相行为，改进了传统方法的不足。GE 一一EOS模型可将用较低温度和压力下实验数据回归的参模型可将用较低温度和压力下实验数据回归的参数推广用于较高温度和较高压力下的相平衡计算，且预测结果数推广用于较高温度和较高压力下的相平衡计算，且预测结果比较准确。比较准确。GE 一一EOS模型无需确定纯物质参考态的逸度。这样模型无需确定纯物质参考态的逸度。这样GE 一一EOS法就将法就将UNIFAC模型扩展到可计算汽模型扩展到可计算汽(气气)液平衡。液平衡。GE 一一EOS模型可利用已有的活度系数模型参数计算混合物模型可利用已有的活度系数模型参数计算混合物的的a。尤其与估算方法。尤其与估算方法(以以UNIFAC法为代表法为代表)结合时，不再需结合时，不再需要用实验数据拟合交互作用参数，免除了用实验数据关联的困要用实验数据拟合交互作用参数，免除了用实验数据关联的困难。难。结合传统混合规则的状态方程法常常不能准确描述液相行为，尤其对38GE 一一EOS模型的改进比较灵活，可通过改进活度系数模型、模型的改进比较灵活，可通过改进活度系数模型、活度系数模型参数、混合规则模型、混合规则模型参数及状活度系数模型参数、混合规则模型、混合规则模型参数及状态方程参数来改进态方程参数来改进GE 一一EOS模型的准确性。模型的准确性。以混合规则为桥梁，以混合规则为桥梁，GE 一一EOS模型直接将状态方程和超模型直接将状态方程和超额额Gibbs自由能的计算方法结合到一块。这种方法经过十多自由能的计算方法结合到一块。这种方法经过十多年的发展，已经日益成熟。在相平衡的计算中，尤其针对强年的发展，已经日益成熟。在相平衡的计算中，尤其针对强不对称物系和强极性物系或条件为高温、高压时，能够代替不对称物系和强极性物系或条件为高温、高压时，能够代替状态方程法和活度系数法得到满意的计算结果。状态方程法和活度系数法得到满意的计算结果。GE 一EOS模型的改进比较灵活，可通过改进活度系数模型、活39三、二元相互作用参数三、二元相互作用参数l混合物的行为自然要受不同分子间相互作用的影响，尤其当一些混合物的行为自然要受不同分子间相互作用的影响，尤其当一些分子是极性的。三重或者更高重的相互作用，通常没有组元对之分子是极性的。三重或者更高重的相互作用，通常没有组元对之间的相互作用重要。因此，除纯组元外，只要结合二元数据，就间的相互作用重要。因此，除纯组元外，只要结合二元数据，就能导致状态方程精度改善。能导致状态方程精度改善。l这些参数通常用于以下几种情况：这些参数通常用于以下几种情况：1.对虚拟临界性质的一种调整对虚拟临界性质的一种调整2.直接调整状态方程中的某些参数。直接调整状态方程中的某些参数。三、二元相互作用参数混合物的行为自然要受不同分子间相互作用的401.4 维里方程维里方程1.4 维里方程41维里方程维里方程u基本概念：基本概念：（1）“维里维里”（virial）这个词是从拉丁文演变而来的，它的原意是）这个词是从拉丁文演变而来的，它的原意是“力力”的意思。的意思。（2）方程利用）方程利用统计力学统计力学分析分析分子间的作用力分子间的作用力，具有坚实的理论基础，具有坚实的理论基础。u方程形式：方程形式：压力形式：压力形式：体积形式：体积形式：密度形式密度形式：u维里系数维里系数：分别称为第二、第三、第四分别称为第二、第三、第四维维里（里（virial）系数。）系数。对于特定的物质，它们是温度的函数。对于特定的物质，它们是温度的函数。维里方程基本概念：42u维里方程最初用经验方式开发，后用统计力学分维里方程最初用经验方式开发，后用统计力学分析分子间力发展起来的。维里理论的应用大大超过析分子间力发展起来的。维里理论的应用大大超过pVT关系；同样的系数可包含在描述气体的其他性质关系；同样的系数可包含在描述气体的其他性质之中，如黏度、热容中。之中，如黏度、热容中。u混合物的混合规则：混合物的混合规则：维里方程最初用经验方式开发，后用统计力学分析分子间力发展起来43l注意几点注意几点（1）截尾形式：无穷级数对计算是不实用的，故在）截尾形式：无穷级数对计算是不实用的，故在B或者或者C截断的形式是常用的。截断的形式是常用的。（2）维里系数：从位能函数可以计算维里系数，特别是第）维里系数：从位能函数可以计算维里系数，特别是第二维里系数；二维里系数；（3）混合物：采用）混合物：采用Prausinitz提出的临界参数及提出的临界参数及B、C的混合的混合规则规则（4）二聚作用）二聚作用pVT行为与理想性的负偏差，有时是因为分子的缔合引起的，行为与理想性的负偏差，有时是因为分子的缔合引起的，其中二聚作用是最为普遍的。其中二聚作用是最为普遍的。注意几点44有关二聚作用有关二聚作用当压力为当压力为p时，平衡常数为时，平衡常数为e是是A的二聚分数。由上式可以解出：的二聚分数。由上式可以解出：当缔合度不大时，可以近似解得：当缔合度不大时，可以近似解得：e较小时较小时有关二聚作用当压力为p时，平衡常数为e是A的二聚分数。由上式45维里方程意义维里方程意义（1）（2）（3）（4）高阶维里系数的缺乏限制了维里方程的使用范围。高阶维里系数的缺乏限制了维里方程的使用范围。但绝不能忽略维里方程的理论价值。但绝不能忽略维里方程的理论价值。目前，维里方程不仅可以用于目前，维里方程不仅可以用于p V-T关系的计算，关系的计算，而且可以基于分子热力学利用维里系数联系气体的而且可以基于分子热力学利用维里系数联系气体的粘度、声速、热容等性质。粘度、声速、热容等性质。常用物质的维里系数可以从文献或数据手册中查到，常用物质的维里系数可以从文献或数据手册中查到，并且可以用普遍化的方法估算。并且可以用普遍化的方法估算。维里方程意义（1）高阶维里系数的缺乏限制了维里方程的使用范围461.5 立方型状态方程立方型状态方程1.5 立方型状态方程47立方型状态方程立方型状态方程u立方型状态方程是指方程可展开为立方型状态方程是指方程可展开为体积（或密度）的三次体积（或密度）的三次方形方形式。式。u特点：这类方程能够解析求根，有较高精度，又不太复杂，特点：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。很受工程界欢迎。u常用方程：常用方程：van der WaalsRK方程方程RKS方程方程PR方程方程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48一、参数一、参数a和和b的估算：的估算：（1）从流体的）从流体的p-V-T实验数据拟合得到实验数据拟合得到（2）利用）利用这些参数还用于许多性质计算，这些参数还用于许多性质计算，如密度、蒸气压、逸度等。如密度、蒸气压、逸度等。因此，用这些数据拟合参数，因此，用这些数据拟合参数，以适用于某些性质。以适用于某些性质。纯物质的纯物质的p V图图 一、参数a和b的估算：纯物质的p V图 49u方程形式方程形式归纳立方型状态方程，可以将其表示为如下的形式：归纳立方型状态方程，可以将其表示为如下的形式：u方程参数：方程参数：参参数数和和为为纯纯数数据据，对对所所有有的的物物质质均均相相同同；对对于于不不同同的的方方程数据不同；程数据不同；参参数数b是是物物质质的的参参数数，对对于于不不同同的的状状态态方方程程会会有有不不同同的的温温度度函数。函数。立立方方型型方方程程形形式式简简单单，方方程程中中一一般般只只有有两两个个参参数数，参参数数可可用纯物质临界性质和偏心因子计算，有时也与温度有关。用纯物质临界性质和偏心因子计算，有时也与温度有关。,二、立方型状态方程的通用形式二、立方型状态方程的通用形式方程形式,二、立方型状态方程的通用形式50方程求解方程求解TTcT=Tc立方型状态方程是一个关于立方型状态方程是一个关于V的三次方程，其等温线如下图，根据不同的三次方程，其等温线如下图，根据不同的情况，其解有三种情况的情况，其解有三种情况:T T Tc c时，时，一个实根，两个虚根一个实根，两个虚根T=Tc时有时有三个相等的实根三个相等的实根TTcT=Tc 立方型状态方程是一个关于V的三次方程51三、三、Redlich-Kwong方程方程u 方程形式方程形式：vDW方程的引力项没有考虑温度的影响，而方程的引力项没有考虑温度的影响，而RK方程的引力项加入了温度方程的引力项加入了温度项。项。混合规则混合规则三、Redlich-Kwong方程 方程形式：混合规则52u使用情况和意义使用情况和意义（1）RK方程的计算准确度比方程的计算准确度比van der Waals方程有较大的提方程有较大的提高；高；（2）一般）一般适用于气体适用于气体p V T 性质性质计算计算；（3）可以较准确地用于非极性和弱极性化合物，可以较准确地用于非极性和弱极性化合物，误差在误差在2 2 左右左右（4）但对于强极性及含有氢键的化合物仍会产生较大的偏）但对于强极性及含有氢键的化合物仍会产生较大的偏差。误差达差。误差达1020。（5）很少用于液体很少用于液体p V T 性质计算性质计算；（6）为了进一步提高）为了进一步提高RK方程的精度，扩大其使用范围，便方程的精度，扩大其使用范围，便提出了更多的立方型状态方程。提出了更多的立方型状态方程。三、三、Redlich-Kwong方程方程使用情况和意义三、Redlich-Kwong方程53四、四、Soave-Redlish-Kwang 方程（简称方程（简称RKS方程方程)u方程形式方程形式：u方程参数方程参数：式中，式中，为偏心因子为偏心因子R-K Eq中中 af(Tc，pc)SRK Eq中中 a(T)f(Tc，pc，T,)四、Soave-Redlish-Kwang 方程（简称RKS541.01.21.41.61.8-1-2-312Ar,Kr,XeAr,Kr,Xe非球形分子非球形分子1 1非球形分子非球形分子2 21.01.21.41.61.8-1-2-312Ar,Kr55四、四、RKS方程（混合规则）方程（混合规则）一般：一般：也可以：也可以：四、RKS方程（混合规则）一般：也可以：56u使用情况和意义使用情况和意义(1）RKS方程提高了对极性物质及含有氢键物质的方程提高了对极性物质及含有氢键物质的p V T计算精度。计算精度。（2）可以用于液体可以用于液体p V T 性质计算。如在饱和液体密度的计性质计算。如在饱和液体密度的计算中更准确。算中更准确。Soave-Redlish-Kwang 方程（简称方程（简称RKS方程方程)使用情况和意义Soave-Redlish-Kwang 方程（57PengRobinson方程（简称方程（简称PR方程）方程）u方程形式方程形式：u方程参数：方程参数：a(T)f(Tc，pc，T,)PengRobinson方程（简称PR方程）方程形式：a(58u方程使用情况方程使用情况：（1）RK方方程程和和RKS方方程程在在计计算算临临界界压压缩缩因因子子Zc和和液液体体密密度度时时都都会会出出现现较较大大的的偏偏差差，PR方方程程弥弥补补这这一一明显的不足；明显的不足；（2）它它在在计计算算饱饱和和蒸蒸气气压压、饱饱和和液液体体密密度度等等方方面面有有更好的准确度；更好的准确度；（3）是工程相平衡计算中最常用的方程之一。）是工程相平衡计算中最常用的方程之一。方程使用情况：59u方程提出方程提出 若已知体系的温度若已知体系的温度T和压力和压力p，要计算体积，要计算体积V，提出了便于，提出了便于计算机迭代计算的方程形式计算机迭代计算的方程形式。u方程形式方程形式：u方程参数方程参数：RK方程和方程和RKS方程方程 的迭代形式的迭代形式 方程提出RK方程和RKS方程 的迭代形式 60u方程的计算过程方程的计算过程 设初值设初值Z（一般取（一般取Z1）;将将Z值代入式（值代入式（2），计算），计算h；将将h值代入式（值代入式（1）计算）计算Z值；值；比比较较前前后后两两次次计计算算的的Z值值，若若误误差差已已达达到到允允许许范范围围，迭迭代代结结束束；否否则则返返回步骤回步骤再进行运算。再进行运算。用图表示为用图表示为：u意意义义：引引入入h后后，使使迭迭代代过过程程简简单单，便便于于直直接接三三次次方方程程求求解解。但但需需要要注注意意的的是是该迭代方法不能用于饱和液相摩尔体积根的计算。该迭代方法不能用于饱和液相摩尔体积根的计算。NoYes方程的计算过程NoYes61hZZ(0)h(0)(1)(2)hZZ(0)h(0)(1)(2)62第1章-流体pVT关系课件63第1章-流体pVT关系课件64第1章-流体pVT关系课件65第1章-流体pVT关系课件66第1章-流体pVT关系课件67第1章-流体pVT关系课件68第1章-流体pVT关系课件69液体或者气体体积求解液体或者气体体积求解针对液体或者气体体积可以写出了不同的迭代形式，分别针对液体或者气体体积可以写出了不同的迭代形式，分别求出液体或者气体的体积。求出液体或者气体的体积。汽相汽相：或者或者或者或者液相液相液体或者气体体积求解针对液体或者气体体积可以写出了不同的迭代70多参数状态方程多参数状态方程多参数状态方程特点：多参数状态方程特点：（1）与与简简单单的的状状态态方方程程相相比比，多多参参数数状状态态方方程程可可以以在在更更宽宽的的T、p范范围围内内准准确确地地描描述述不不同同物物系系的的p-V-T关系关系（2）但但方方程程形形式式复复杂杂，计计算算难难度度和和工工作作量量都都较较大大。如如BWR、BWRS、MH方程方程多参数状态方程多参数状态方程特点：71其他状态方程其他状态方程u还有一些对应状态原理的方法，如还有一些对应状态原理的方法，如Pitzer压缩因子图、各压缩因子图、各种普遍化状态方程、种普遍化状态方程、Lee-Kesler方程。及一些给予统计力方程。及一些给予统计力学的方程如微扰硬球方程。学的方程如微扰硬球方程。u微扰硬球方程：微扰硬球方程：对于不同的方程，形式不同。对于不同的方程，形式不同。b分子体积的量度分子体积的量度其他状态方程还有一些对应状态原理的方法，如Pitzer压缩因72Lee-Kesler方程方程b1等均为常数，对于简单流体和参考流体不同。等均为常数，对于简单流体和参考流体不同。用试差法计算用试差法计算Vr，进一步计算，进一步计算ZLee-Kesler方程b1等均为常数，对于简单流体和参73比较及推荐意见比较及推荐意见u有关状态方程和相平衡方面的很多论文的存在可以证明：有关状态方程和相平衡方面的很多论文的存在可以证明：在这一领域中存在着不确定性。一个普遍化能应用的方程在这一领域中存在着不确定性。一个普遍化能应用的方程并不存在，而且也没有立即能开发出来的迹象。甚至具有并不存在，而且也没有立即能开发出来的迹象。甚至具有30或或40个常数的可计算的方程也有明显的局限性。个常数的可计算的方程也有明显的局限性。u对一个状态方程有大量的要求。随通常的预测对一个状态方程有大量的要求。随通常的预测pVT行为外，行为外，还有蒸气压、液体密度、逸度、汽体、液体和固体的相平还有蒸气压、液体密度、逸度、汽体、液体和固体的相平衡比，还要考虑计算剩余焓、剩余熵；进一步可能需要涉衡比，还要考虑计算剩余焓、剩余熵；进一步可能需要涉及在低温和临界范围下的条件。及在低温和临界范围下的条件。比较及推荐意见有关状态方程和相平衡方面的很多论文的存在可以证74推荐意见：推荐意见：（1）维里方程：它的形式简单，可得到大量数据，维里方程：它的形式简单，可得到大量数据，在压力对应于对比压力小于在压力对应于对比压力小于0.5时，对计算汽相逸时，对计算汽相逸度通常采用截至度通常采用截至B的二阶形式。这种不能用于高度的二阶形式。这种不能用于高度压缩的气体或液体。压缩的气体或液体。（2）立方型方程：用得最多得方程是）立方型方程：用得最多得方程是PR和和RKS方方程。在临界点附近，程。在临界点附近，PR方程更好。方程更好。（3）多参数方程：如）多参数方程：如BWR方程，局限性是只有少方程，局限性是只有少于于50种物质有相关系数，二元交互作用参数更少。种物质有相关系数，二元交互作用参数更少。推荐意见：75