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空分流体低温下密度测量及临界特性研究

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第一章 绪论

1.1研究背景概要

1.2空气主要组分的基本性质

1.3 空分流体状态方程现状

1.4 流体密度测量方法

1.5 本文主要研究工作

第二章 空分流体p-ρ-T文献实验数据分析

2.1 氮的实验数据总结

2.2 氧的实验数据总结

2.3 氩的实验数据总结

2.4 空气组分热力性质计算软件AirP

2.6 本章小结

第三章 电容式密度测量系统研制

3.1 测量原理

3.2 实验系统流程

3.3 实验装置设计

3.4 本章小结

第四章 实验结果与分析

4.1 氮的实验结果

4.2 氩的实验结果

4.3 氮的实验结果分析

4.4 氩的实验结果分析

4.5本章小结

第五章 空分流体的临界性质

5.1 空分流体的临界热力学性质

5.2 格鲁尼森数检验状态方程的临界特性

5.3 本章小结

第六章 总结及展望

6.1 研究工作总结

6.2 创新点

6.3 研究展望

参 考 文 献

致谢

攻读硕士学位期间已发表的论文发表论文

中国发明专利

中国软件著作权登记

获得奖项

攻读硕士学位期间参与的科研项目

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摘要

在空气分离领域中通常利用低温精馏方法获取纯氮、纯氧、纯氩以及稀有气体等。空气组分的热物理性质是空分设备设计及流程设计的基础,直接影响到整个系统运行的可靠性。随着钢铁冶金和煤化工等行业对空气产品需求的增长,空分设备已向超大型化和低能耗化方向发展,因此对于热物性的精度提出了更高的要求。为了建立高精度宽范围的空分物性数据库,本文以补充匮乏区域热力学性质实验数据和提高临界区域计算精度为目标开展了以下工作:
  1.空分流体纯质组分文献实验数据总结与处理
  足够数量和高质量的实验数据是发展经验型或者半经验型状态方程的前提和保障。p-ρ-T数据作为可直接实验测量的物性参量揭示了流体的热力学性质基本规律,对于描述流体的存在状态,推导计算其他热物理性质如焓、比热容、压缩系数等具有重要作用。通过文献调研工作获取了大量关于纯氮、纯氧和纯氩的p-ρ-T实验测量值、实验关联式和状态方程。根据收集到的实验数据绘制了数据分布图,界定了实验数据匮乏区域,并且根据文献报道的各参量测量不确定度,分析了实验数据误差。
  2.开发空气组分热力性质计算软件AirP
  基于亥姆霍兹自由能形式的状态方程和热力学关系式,开发了用于计算宽范围内空气组分热力学性质的计算机软件AirP。软件以擅长科学计算的Fortran语言编写大运算量的计算核心,以擅长设计操作界面的Visual Basic.Net语言来开发简单易用的可视化界面。利用该软件可以方便地选择输入输出参数的种类和单位制计算从三相点至500K温区、熔化压力至100MPa压力范围内的多种空分流体(N2、O2、Ar、Ne、CO2等)的热力学性质。
  3.搭建介电常数法低温流体密度测量实验台
  该测量系统由五个部分组成:充排气体连接管路、电容测量与采集部分、温度测量与控制部分、压力测量部分和真空部分。适用温度测量范围为80K-320K,压力测量范围为0-3MPa,温度和压力测量不确定度分别为5mK和350Pa(量程7MPa)。该系统可用于补充空分流体文献调研所确定的空白区域内的p-ρ-T数据,从而形成更完整的参考物性数据库,也可用于研究气液相平衡态时气液比例以及混合物的热物性。
  4.实验结果及分析
  利用上述介电常数法低温流体密度测量系统沿多条等温线测量了纯氮和纯氩的p-ρ-T数据,并以表格形式给出了测量结果。将实验结果与文献实验数据及亥姆霍兹能状态方程的计算值进行比较,给出了实验数据的相对平均绝对偏差约为4%。综合考虑微电容测试电路的精度、温度和压力测量的不确定度,利用误差传递高斯定律计算得到密度测量总不确定度约为4.5×10-3。
  5.空分流体的临界热力学性质描述
  空分流程中物料流体必然经历气液相变,因此临界现象不可回避。物质在临界点附近存在强烈的密度涨落,多数热力学性质在临界区变得十分复杂,由于平均场理论和经典状态方程不考虑密度涨落,因此用其描述临界现象存在很大的误差。本文通过拟合临界区域高精度实验数据,给出普适的临界指数数据定量地描述多种流体在临界点及临界区域的性质。提出利用格鲁尼森数检验新发展的状态方程的热力学完善性,尤其是其在临界点附近的正确性。

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