SJ狀態(tài)方程預測流體轉換曲線的比較*

鄭光霞，黃承相，莫蔓婷，吳 霓，劉天梅，陳 漓

(百色學院 材料科學與工程學院，廣西 百色 533000)

1 引言

焦耳-湯姆遜(JT)效應在制冷和氣體液化過程中具有相當重要的意義。在適當的條件下，流體的絕熱節(jié)流將導致其溫度下降。為使流體達到節(jié)流制冷的效果，流體的熱力學狀態(tài)必須位于由轉換曲線限定的區(qū)域中。JT系數為零的點滿足下列的熱力學關系式[2]。

(1)

如果以溫度-壓強關系坐標表示，JT轉換曲線大約呈拋物線狀。從JT系數來理解轉換曲線對JT效應冷卻過程的設計和運行具有重要的指導意義。然而直接測量轉換點既麻煩又不可靠，這是因為在轉換點附近壓強的微小變化也會產生溫差，只有通過極其精確的測量才能檢測到。一般來說，通過熱力學關系和狀態(tài)方程來計算JT效應的轉換點比較方便。

(2)

JT系數對溫度和壓強的微小偏差很敏感。為此，利用轉換曲線來檢驗狀態(tài)方程的適用性有重要的意義。

JT系數系數等于零的點是轉換點，由眾多的轉換點可構成轉換曲線。轉換曲線劃定了JT系數為正的區(qū)間和負的區(qū)間；因此，它是輸運和分離過程的一個重要參數。此外不少的文獻常常利用JT系數和轉換曲線作為對狀態(tài)方程的一種檢驗方式，提高狀態(tài)方程對物質熱力學性質的預測能力。

根據轉換曲線中JT系數等于零的原理，對于描述流體的狀態(tài)方程，可以從方程(2)中導出以下的式子。

2 狀態(tài)方程描述轉換曲線

Dilay GW,Heidemann RA[3](1986)，計算了Soave-Redlich-Kwong、Peng-Robinson和Lee-Kesler狀態(tài)方程的轉換曲線。本文采用SJ多參數狀態(tài)方程來預測一些流體的轉換曲線。SJ狀態(tài)方程一般有如下表示：

其參數一般按下列關系式運算。

由SJ狀態(tài)方程中分別計算氮、二氧化碳、甲烷、乙烷和丙烷的JT轉換曲線如下圖1-圖5所示，并與文獻值以及SRK方程[3]、RK方程[4]和vdW方程[5]計算結果相比較(表1)。

圖1 氮的JT轉換曲線

圖2 CO2的JT轉換曲線。

圖3 甲烷的JT轉換曲線。

圖4 乙烷的JT轉換曲線。

圖5 丙烷的JT轉換曲線

表1 幾種流體的最大轉換壓強ρmax，相對應轉換溫度T和最大轉換溫度Tmax

表1(續(xù))

文獻值以及每種流體偏心因子和臨界狀態(tài)參數的數值取自參考文獻[6]

表1計算并給出了這四個方程的最大轉換壓強ρmax，相應的轉換溫度T和最大轉換溫度 。

3 結論

狀態(tài)方程描述氮、二氧化碳、甲烷、乙烷和丙烷的JT轉換曲線在低溫區(qū)與文獻值有較好地吻合。而在高溫區(qū)預測的能力有些差強人意，SRK方程預測高溫區(qū)的數值往往偏小，其他三個方程(SJ方程、RK方程、vdW方程)J預測的數值比文獻值要大些，其中vdW方程偏差最大。