物理化学课程设计

物理化学课程设计——热力学第一定律

热力学第一定律常应用于实际气体状态的预测和控制。热力学第一定律的本质是能量守恒定律，即自然界的一切物质都具有能量，能量有各种不同形式，能够从一种形式转化为另一种形式，但在转化过程中，能量的总值不变。

在工业生产领域，经常涉及化学变化放出或吸收大龄的热，产生气体或有气体参与反映。所以热力学第一定律在化工生产领域应用非常广泛。

从每一个化工产品的工艺流程图中我们都能看到大量控制点和阀门，这些控制点和阀门的设置大部分都应用到了热力学第一定律。其中，阀门就是根据气体的物化性质，使气体的状态发生变化的装置。

在气体发生变化的每一步过程当中, 都是非常复杂的一个过程, 但是在研究安全阀排放过程当中, 根据蒸汽在入口部、喉部、排汽室和排汽管出口运动瞬时过程的特点, 可以把它视为一个简单的系统, 即一个与外界没有热量交换的一种绝热节流的过程（忽略一些复杂但影响不大的因素后得出的结论）。按照绝热过程的理论, 绝热过程就是气体在和外界热量交换的情况下的膨胀或压缩过程, 而安全阀则是一个绝热膨胀过程。用这一基本定律, 我们可以知道安全阀的起跳和排放过程原理，并根据热力学第一定律, 按照安全阀在排放过程中的物理变化, 计算排放过程中各个部位的压力变化，以选择适合各种生产过程的阀门。

工程设计中还有一个非常值得我们去研究和突破的问题，就是气体的温度。在管道运输中，反映产生的气体常常携带着大量的热量，这些气体如要参与下一部反应或储存，就必须先把过量的热量散去，除了用循环液冷却之外，还可以利用热力学第一定律，改变气体的状态，已达到气体降温的目的。此时，控制点和阀门也会起到作用。

认真阅读，理解了一些关于阀门设计及运用的资料后，我蓦然发现物理化学原来离我们这么近，小至每家每户的煤气管道阀门，大至年产几十万吨的大工厂的生产线安全阀，都运用到了物理化学的知识，特别是热力学第一定律。所以我将非常用心的进行物理化学的学习，不负老师的辛劳工作。

对于热力学第一定律在阀门安置上的运用，相关资料引用如下：

对于全启式安全阀、杠杆式安全阀、脉冲式安全阀和全量型安全阀, 除了其结构, 或者其引发动作的动力不同外, 其起跳和回座的过程则是完全相同的, 根据这个过程, 其内部压力的变化也是相同的。同时, 由于安全阀的动作过程基本上是一个绝热膨胀过程。因此, 由气体动力学定律得知, 在压力降的第二种范围内, 气体流过阀瓣后的膨胀现象对气体的流动影响很大, L当临界压力比为P2/ P1 =βL , 气体从喷嘴流出时, 该值可按下式, 得称为临界压力比。

2 K1KK1式中βL 1 喉部压力P2

PLP2P12K1KK1 (2)

式中 P1 ———入口部压力, MPa

K ———介质的绝热指数, 饱和蒸汽K =1.135 , 过热蒸汽K = 1.3

2 上下调节环最小间隙处压力P3

在安全阀的阀瓣向上运动的瞬间, 上下调节环中间, 气流流过阀门喉部的膨胀现象对气体的流动影响很大, 所以应考虑, 当P2/ P1 的比值增加时,扩张面积的突然增加, 流速却突变为缓慢。但由于气体的膨胀, 流量不会在很短的区间发生激烈的变化, 因此, 在喉部和上下调节环

2K12gKP1P2KP2KG2 = A 2蒸汽量G2 和G3可用式(3) 和式(4) 表示

K1V1P1P12KG3 = A 32gKK1P11VP3KP3K1P1P1(4) 在绝热状态下G2 = G3 , 则有

2K1KKA3P2P1P2P1A22K1KP3P3KP1P1(5) 式中 A 2 ———喉部面积, mm2

A 3 ———阀室面积, mm2 g ———重力加速度, m/ s2 V 1 ———P1 下比容, m3/ kg

如果按照日本冈野安全阀的比例关系, 可以得到A 3/ A 2 = 2 , 代入得

(3)

P3/ P1 = 0.13 P3 = 0.13 P1

3 阀室压力P4

喉部流量

G2 = C2 A 2cP2v1 (6)

P4v41 (7)

排汽室流量

G4 = C4 A4c式中C2 和C4 为两部分流速。

因为在瞬时排放过程中, 阀室部位压力的确定是根据以上两种状态均为绝热状态, 因此, 在相当于管道的阀室中, 流速C2 和C4 可能达到最大流速。根据压力降的第三种范围, 即阀座孔的开启面积内气体的流速≤临界流速, 而这时其压力降相当于临界压力, 安全阀阀瓣在开启瞬间压力的增高部分会引起在排起管道中的流速的增高。同时, 在排汽管道的初始边缘, 流速逐渐趋于稳定, 因此, 在所有情况下, 当P2/ P1 <βl 时, 根据条件式P2/P1 <βl 进行计算, 确定流过管道内的流量, 可以考虑到C2 = C4 。在计算中, 应该注意到, 虽然由于安全阀在排放过程中喉部直径所造成的阻力与在流速扩张过程中介质流速损失所引起的压头损失有关, 流道的转弯和流体的流线发生变化而引起的气体的阻力, 使C2 和C4 有稍微的变化, 但是在实际应用中, 可以不考虑这些变化。因此, 得出

P2v1kP4v1k (8) ∵G4 = G2 ∴C4 = C2 根据式(6) 、(7) 、(8) 得

2KK1A2P4A4P1 (9) 同样, 日本冈野安全阀的比例关系A 2/ A 4 =1/ 13 , 故P4 = 01065 P1 即阀室压力排放压力的615 %。

图1 安全阀各部位压力分布

安全阀在各部位的压力计算和分布情况, 可以用图1 分解和说明。其压力分布是以日本冈野阀门株式会社的全量型安全阀的一些参数得出的结果绘制的, 基本反映了安全阀在排放过程中, 压力在各个不同区域的比值关系。根据各运算公式和压力分布图, 可以计算出在排气管部位的压力, 即可以确定在排气管道部位的压力等级以及选择消音器规格, 为在设计排气管连接法兰的压力等级中提供较为实际的压力依据。

参考文献

〔1〕 阀门设计与计算〔Z〕. 合肥: 通用机械研究所, 1974.

〔2〕 流体力学和热工理论基础〔M〕. 北京: 机械工业出版社,1981.