二元混合物的气液相变特性研究

摘要

近年来,随着我国经济的蓬勃发展,钢铁、化工、国防、医疗等行业对氧气、氮气等气体的需求量越来越大,以深冷法制氧为主要技术的空分系统逐渐向超大型化、低能耗化转变。空分系统里透平膨胀机中的空气液化过程,精馏塔中的氮氧分离过程都涉及到气液相变。气液相变现象在工程领域上广泛存在,在理论研究上也一直是国内外学者研究的热点,但是对于气液相变及界面的微观特征缺少系统分析。本文采用分子动力学方法,从微观角度研究二元混合物的热物理性质、气液相变过程以及气液界面特性。
　　首先,研究了纯质氩的气液热物理性质。考虑计算时间和精度的平衡,确定了计算中截断半径rc=4.5。计算得到的纯质氩的气液密度值、饱和温度压强曲线、临界温度等结果与实验数据符合得很好,验证了程序的正确性。然后,采用该方法研究了氩氪二元混合物的气液相变特性,得到了不同初始浓度和不同温度下氩氪混合物达到平衡时的各种热物理性质,为预测二元及多元混合物的热物性提供了新的方法,同时能够获得实验条件难以测得以及临界情况下的各种热物理性质,丰富了热物性数据库。
　　其次,计算了纯质氩以及氩氪二元混合物的界面特性,阐述了压强张量的切向分量与法向分量,以及表面张力,界面厚度等性质。从计算中发现,温度对界面的影响很大,温度越高,分子热运动动能越大,越容易突破界面处的束缚而进入到气相区域,从而表面张力越小。当到达临界温度时,表面张力为零。温度越高,界面厚度越大,当到达临界温度时,气液两相混合物不再存在气液界面。计算得到混合物的临界温度介于各组分纯质的临界温度之间。
　　最后,探讨了空分精馏过程中氮氧混合物的气液相变过程。针对以往研究中把氮气和氧气简化成单原子分子的不足,采用了双原子模型来模拟氮气和氧气的运动,分析了氮气和氧气的气液相密度、临界温度、饱和压强随温度的变化曲线等,与实验结果符合良好。同时计算了氮氧混合物在不同混合比下的热物性和表面张力等界面性质。

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表清单

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 气液相变研究概况

1.3 论文的主要内容

1.4 论文的创新点

2 分子动力学方法

2.1 分子动力学方法研究背景

2.2 分子动力学方法的模拟技术

2.3 单位的无量纲化

2.4 周期性边界条件

2.5 系综

2.6 本章小结

3 纯质氩的气液相变特性

3.1 计算设置

3.2 分子动力学方法验证

3.3 结果的分析

3.4 表面张力

3.5 界面厚度

3.6 本章小结

4 氩氪混合物的气液相变特性

4.1 相同组分浓度的氩氪混合物气液相变特性

4.2 不同组分浓度的氩氪混合物相变特性

4.3 外加作用力的影响

4.4 本章小结

5 氧气和氮气的气液相变特性

5.1 氧气的气液相平衡性质

5.2 氮气的气液相变特性

5.3 氮氧混合物的气液相变特性

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 下一步工作展望

参考文献

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