探討臨界參數在化工計算中的應用

盧德力

摘 要：臨界溫度、臨界壓力以及臨界體積被共同稱為臨界參數，它們是描述物質特征的主要參數。而化工計算是化學工程的基礎學科，也是促進化學工程發展的主要方式，因此，必須提高對其的重視程度。該文通過介紹化合物臨界參數的計算方法，以及臨界參數在化工計算中的3個重要應用：液體密度計算，氣體熱容計算，真實氣體狀態方程參數計算。可得出，臨界參數是非常重要的化工物性數據。力求為今后的相關工作提供可靠的參照。

關鍵詞：臨界參數 化工計算 計算方法

中圖分類號：TQ015 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）10（c）-0243-02

應用并非全部氣體都均可以液化，如果氣體溫度高于臨界溫度，則不管增加多高的壓力，氣體均無法被液化，就是說臨界溫度就是氣體液化的極限，如果氣體溫度低于臨界溫度，伴隨壓力提升，氣體就會出現液化現象。氣體處在臨界狀態時候的溫度就是臨界溫度、壓力就是臨界壓力、體積就是臨界氣體摩爾體積。

1 化工計算與臨界參數簡述

（1）簡述化工計算就是指借助物理化學的根本規律，針對參加單元操作或者作用階段的物料質量、構成以及狀態的參數實行計算。最初的化工計算只是代表反應物與生成物彼此的物質聯系，符合倍比與定比定律。直到20世紀初期，化學計算的定義擴大為守恒定律與物化根本定律作用階段和單元操作階段的運用。化工計算是工廠規劃自定性轉化成定量計算的首個環節，但對當前生產步驟的經濟性與問題缺陷實行評估同樣非常重要。當前，部分高等工科學院就把化工計算當成一類基礎性課程，以此來提升學生們的運算水平，并把物理化學規律進行實踐，進而取得更好的學習和應用效果。

（2）簡述臨界參數液體飽和蒸氣壓隨著溫度提升而增高，換句話說，就是溫度更高，氣體液化的壓力就更高。相關研究表明，各類液體均有自身的一個特別溫度，如果高于這個特別的溫度，那么不管增加多高的壓力，均無法導致氣體出現液化現象。該特殊溫度就是臨界溫度，運用Tc代表。臨界溫度就是能夠使氣體可以發生液化現象所需的最大溫度。低于臨界溫度則不會存在液體，因此，飽和蒸氣壓和溫度之間的聯系就會限定于臨界溫度Tc。處在臨界溫度的飽和蒸氣壓叫做臨界壓力，應用Pc代表。臨界壓力Pc是臨界溫度中能夠讓氣體發生液化現象需要的最低壓。于臨界溫度Tc和臨界壓力Pc中，物質摩爾體積叫做臨界摩爾體積，應用Vc代表。物質處在臨界溫度和臨界壓力中的狀態就是臨界狀態。

2 臨界參數的計算方法

臨界參數的計算方式有很多種，一般分為：關聯式法、基團貢獻法、根據液體狀態方程的計算方式、定量結構性質關系法這4類方式。其中，應用相對廣泛的為基團貢獻法和關聯式法，以下將對基團貢獻法的計算方式進行具體的分析。

這種計算方式是根據相同基團在不同分子中針對某個臨界參數假設相同貢獻值的基礎上設立的計算方式，能夠應用幾十個基團計算出千萬種化合物的臨界特性，計算的精度和基團的類型劃分和回歸貢獻值選擇的化合物存在直接的關系。許多科研人員提出了多種基團貢獻法的計算方式，該研究舉例Lyderson基團貢獻法，對這種計算方法進行分析，以下為計算公式：

（1）

（2）

（3）

其中，Tb為正常的沸點值；N為分子量；△T，△P，△V分別為基團中臨界溫度、臨界壓力以及臨界摩爾體積的貢獻值。（2）關聯式法這種計算方式先基于化合物特性官能團實行種類劃分，之后選取適合的基礎數據，比如：分子量和正常沸點值之類的性質和臨界參數彼此聯系，獲得相對簡潔的數學關系式。

3 臨界參數在化工計算中的應用

臨界參數在化工計算中的應用非常廣泛，是化工計算的主要手段。該研究簡要列舉了臨界參數在化工計算中應用的幾類主要方式，即，計算液體密度、計算氣體熱容以及計算氣體狀態方程參數真實值。以下為具體分析。

3.1 計算液體密度

因當前時期的液體理論依然不夠健全，依然無法找到液體參數彼此的關聯式，所以，計算液體密度沒有計算氣體便捷。化工計算中通常應用臨界參數的計算公式。

（1）借助臨界常數對飽和液體密度進行計算，計算公式為：

Vu=VcZc（1-Tr）0.2857 （4）

其中，Vu為飽和液體體積，這個計算公式僅需具有純物質的臨界參數即可以進行計算。誤差一般在1～2%之間。

（2）借助對比密度和Tr與Pr之間的聯系對液體密度進行計算，計算公式為：

ρr=ρ/ρc=Vc/V （5）

其中，Tr=T/Tc，Pr=P/Pc，如果ρc為已知項，則可以通過Tr與Pr計算ρr，之后計算得到ρ值。

3.2 計算氣體熱容

有機物氣態在各種溫度中的氣體熱容具備多種計算方式，而基團貢獻法屬于一類相對簡便且高精的計算方式。這種計算方式把有機物分為多個基團，把基團對化合物熱容貢獻值作和，取得熱容。

計算氣體熱容的真實值，要考量壓力對氣體熱容產生的作用，往往氣壓高于354 kPa的時候，需應用普遍化熱容校正圖進行解算。

3.3 計算氣體狀態方程參數的真實值

應用壓縮因子方式能夠更快的解算氣體狀態方程參數的真實值，這種計算方式借助如下的方程式進行相關計算：

（6）

公式中，Z為壓縮因子，其是更正現實中氣體和理想中氣體偏差程度的無量綱純數。

基于對比狀態理論可知，如果各類氣體存在兩個對比狀態參數相同，那么，第三個對比狀態參數基本具備同一值：Z=ZcPrVr/Tr，不難發現，各種氣體的壓縮因子需遵守同一函數關聯式：Z=f （Pr，Tr）。之后，采用雙參數壓縮因子方式或者三參數壓縮因子方式，借助普遍化壓縮因子圖，以明確壓縮因子的數值。壓縮因子數值明確之后，通過（7）式計算狀態的參數。

不難看出，臨界參數屬于一類十分關鍵的化工物性參數，在進行化工計算過程中，需提高對其重視程度。

4 結語

綜上所述，該文簡要分析了關聯式法與基團貢獻法兩種計算方式，且針對臨界參數在化工計算中的應用進行了分析。臨界參數在液體密度、氣體熱容以及氣體狀態方程參數的計算中具備關鍵作用。因此，臨界參數在化工計算中的應用非常主要，相關技術人員需掌握此類計算方式。

參考文獻

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