化工学报, 2022, 73(4): 1483-1492 doi: 10.11949/0438-1157.20211690

热力学

CO2混合工质的气液相平衡的混合规则对比与预测研究

吴子睿,1, 孙瑞2, 石凌峰,1, 田华2, 王轩2, 舒歌群1

1.中国科学技术大学热科学和能源工程系,安徽 合肥 230027

2.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津 300072

A comparative and predictive study of the mixing rules for the vapor-liquid equilibria of CO2-based mixtures

WU Zirui,1, SUN Rui2, SHI Lingfeng,1, TIAN Hua2, WANG Xuan2, SHU Gequn1

1.Department of Thermal Science and Energy Engineering, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, Anhui, China

2.State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300072, China

通讯作者: 石凌峰(1990—),博士,特任副研究员,slf@ustc.edu.cn

收稿日期: 2021-11-26   修回日期: 2022-01-14  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  51906237
中国科学技术大学青年创新重点基金.  YD2090002008

Received: 2021-11-26   Revised: 2022-01-14  

作者简介 About authors

吴子睿(1997—),男,硕士研究生,wzr9717@mail.ustc.edu.cn , E-mail:wzr9717@mail.ustc.edu.cn

摘要

CO2混合工质兼顾高效和环境友好的特点,在新一代热功转化循环中受到广泛关注。混合工质气液相平衡性质是循环分析与计算的基础。为了提高CO2混合工质气液相平衡数据的计算精度,采用PR状态方程结合三种混合规则(vdW、MHV1、WS),对7种CO2+HFCs/HFOs及4种CO2+HCs混合工质的气液相平衡性质进行了计算。结果表明,对CO2+HCs混合工质,vdW混合规则可达较好的结果;对CO2+HFCs/HFOs混合工质,在亚临界区三者计算精度相近,但在超临界区,WS混合规则对计算精度提升明显。最后,提出了一种差值模型预测CO2混合工质气液相平衡性质,预测的AARD(p)值为2.03%,AAD(y)值为0.0120,预测精度较高。

关键词: CO2 ; 混合工质 ; 气液相平衡 ; PR状态方程 ; 混合规则 ; 差值模型 ; 预测

Abstract

CO2 mixed working fluid has the characteristics of high efficiency and environmental friendliness, and has received extensive attention in the new generation of heat-power conversion cycle. Vapor-liquid equilibria properties for mixtures is the foundation of cycle analysis and calculation, so in order to improve the calculation accuracy of the vapor-liquid equilibria model for CO2-based mixtures, the vapor-liquid equilibria properties of seven CO2+HFCs/HFOs and four CO2+HCs mixtures are calculated by combining the PR equation of state with three mixing rules (vdW, WS, MHV1). The results show that the vdW mixing rule can achieve better results for CO2+HCs mixtures. For the CO2+HFCs/HFOs system, the calculation accuracy is similar in the subcritical region, but in the supercritical region, the WS mixing method improves the calculation accuracy obviously. MHV1 calculation accuracy is lower than WS and the calculation result of vdW is the most unsatisfactory. Finally, a differential model is proposed to predict the vapor-liquid equilibria properties of CO2-based mixtures. The predicted AARD(p) value is 2.03%, and the AAD(y) value is 0.0120, with high prediction accuracy.

Keywords: CO2 ; mixtures ; vapor-liquid equilibrium ; PR equation of state ; mixing rules ; the difference model ; prediction

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本文引用格式

吴子睿, 孙瑞, 石凌峰, 田华, 王轩, 舒歌群. CO2混合工质的气液相平衡的混合规则对比与预测研究[J]. 化工学报, 2022, 73(4): 1483-1492. doi:10.11949/0438-1157.20211690

WU Zirui, SUN Rui, SHI Lingfeng, TIAN Hua, WANG Xuan, SHU Gequn. A comparative and predictive study of the mixing rules for the vapor-liquid equilibria of CO2-based mixtures[J]. CIESC Journal, 2022, 73(4): 1483-1492. doi:10.11949/0438-1157.20211690

引言

二氧化碳(CO2)属于自然工质,由于其高热稳定性、安全环保并且高能量密度实现部件小型化等优点,使得CO2动力循环在新一代热功转化循环、内燃机余热、中低温热能、火电、核电和太阳能利用等领域具有广泛的应用前景。同时CO2作为循环介质,也是一种对CO2的直接资源化利用方式,符合国家双碳政策,但是CO2纯工质循环运行压力高,应用中存在安全隐患,且临界温度较低对冷源要求很高[1]。碳氢类(HCs)工质虽能提高能源利用效率,但HCs易燃易爆;氢氟烃类工质(HFCs)的全球变暖潜能值(GWP)偏高,不符合《〈蒙特利尔议定书〉基加利修正案》的要求[2];氢氟烯烃类工质(HFOs)汽化潜热低,热力性能较差。因此很难找到性能优异、热稳定性高又对环境友好安全的纯工质,而CO2混合工质动力循环通过不同的组分配比,可以实现既能提高能源利用效率又能对环境友好的要求。CO2+HCs混合工质可以消除可燃性,降低易燃易爆的风险;CO2+HFCs混合工质可以降低GWP值;CO2+HFOs混合工质可以提高工质的热力性能。

Bell等[3]总结了目前能作为制冷工质的各类混合工质的气液相平衡实验数据,其中CO2混合工质的气液相平衡实验数据有21种。混合工质气液相平衡理论计算的重点是选择合适的混合规则,提高计算精度,混合规则的形式各种各样,包括vdW混合规则、WS混合规则、MHV1混合规则等。各类CO2混合工质适用于何种混合规则没有明确给出,Kim等[4]对于CO2+propane混合工质使用vdW混合规则计算;对于CO2+HFC-134a混合工质,Duran-Valencia等[5]使用vdW混合规则计算气液相平衡数据,而Lim等[6]和Silva-Oliver等[7]选择的是WS混合规则;Valtz等[8-9]选择WS混合规则计算了CO2+HFC-152a和CO2+HFC-227ea的气液相平衡数据;对于CO2+HFO-1234yf混合工质,Juntarachat等[10]使用vdW混合规则计算气液相平衡数据;而Wang等[11]使用了WS混合规则计算了CO2+HFO-1234ze(E)混合工质。综上所述,目前各类CO2混合工质使用的混合规则形式不统一,系统分析不同混合规则形式对于各类CO2混合工质的适用性具有重要意义。另外,由于气液相平衡实验需要耗费大量的时间和精力,因此提出适合CO2混合工质气液相平衡的预测模型,也是一项具有重大意义的工作。

本文结合CO2混合工质动力循环的应用背景,选取出11种 CO2混合工质的气液相平衡实验数据,包括7种CO2+HFCs/HFOs二元体系和4种 CO2+HCs二元体系。选用PR方程结合三种不同形式的混合规则(vdW、WS、MHV1)计算这11种二元体系的气液相平衡数据,并与各体系公开发表的文献实验值相比较,得出计算结果与实验数据之间的相对偏差,从而分析与讨论不同混合规则对于各类CO2混合工质的适用性。最后提出一种差值模型,对CO2混合工质气液相平衡模型进行了预测。

1 气液相平衡的理论基础公式

气液相平衡性质反映的是流体气液两相之间的相互关系,描述的是混合物气液平衡时,其温度T、压力p和气相组分yi 、液相组分xi 之间的关系。气液相平衡理论需要状态方程结合混合规则与活度系数模型描述得出。

1.1 PR状态方程

本文采用PR方程作为计算混合工质气液相平衡的基础。PR方程由Peng和Robinson在1976年提出[12],其表达式为:

p=RTv-b-av(v+b)+b(v-b)

式中,ab是状态方程系数,可由临界参数和偏心因子计算得到:

a=0.45724R2Tc2pcα(T)
b=0.0778RTcpcα(T)

α(T)函数定义为:

α(T)=[1+(0.37646+1.54226ω-0.26992ω)(1-Tr0.5)]22

状态方程被用于描述混合工质的热力学性质时,需要引入混合规则。

1.2 混合规则

1.2.1 vdW混合规则

描述混合工质的热力学性质时,vdW[13]混合规则被广泛应用,作为一种常数型混合规则,其形式如下:

am=ijxixjaij
bm=ixibi
aij=aiaj(1-kij)

1.2.2 MHV1混合规则

MHV1混合规则是Michelsen[14]对HV[15]混合规则进行改进得到的,其是一种经典的GE-EOS混合规则, 以零压为参考态,具体形式如下:

ambmRT=ixiaibiRT+1q1O
bm=ixibi
O=GERT+ixilnbmbi

1.2.3 WS混合规则

Wong和Sandler于1992年提出Wong-Sandler(WS)混合规则[16],该法则基于超额Helmholtz自由能,与密度无关且满足第二维里系数边界条件, 其形式如下:

bm=ijxixjb-aRTij1-GECRT-ixiaiRTbi
b-aRTij=12b-aRTi+b-aRTj(1-kij)
ambm=ixiaibi+GEC

三种混合规则各有优势,WS和MHV1混合规则对高度非理性体系和强极性体系有着非常好的描述能力;而vdW混合规则只有一个交互参数,形式简单,具有较强的物理意义。

1.3 活度系数模型

1968年Renon和Prausnitz[17]修正了溶液局部组成表达式, 在双流体理论的基础上提出了NRTL活度系数模型,其能很好地描述二元体系的相平衡性质, 对于常见的二元系统其表达式为:

GERT=x1x2τ21G21x1+x2G21+τ12G12x1+x1G12
G12=exp(-α12τ12),G21=exp(-α21τ21)

组分1、2的活度系数方程为:

lnγ1=x22τ21G212(x1+x2G21)2+τ12G12(x2+x1G12)2
lnγ2=x12τ12G122(x2+x1G12)2+τ21G21(x1+x2G21)2

2 混合物气液相平衡计算

三种混合规则中的相互作用参数需要结合实验数据,使用目标函数优化计算得出。本文的目标函数综合考虑了压力计算相对偏差与气相组分浓度绝对偏差,如下所示:

OF=1Ni=1Npexp-pcalpexp2+y1,exp-y1,cal212
AARD(p)=1Ni=1Npexp-pcalpexp×100%
AAD(y)=1Ni=1Ny1,exp-y1,cal

本文分别在CO2/HFCs、CO2/HFOs和CO2/HCs二元体系中选取了CO2(1)+HFC-152a(2)[9]、CO2+HFO-1234ze(E)[11]、CO2+propane[4]三类混合工质,给出了不同混合规则的比较。

2.1 CO2+HFC-152a混合工质各种混合规则对比

CO2(1)+ HFC-152a(2)混合工质的压力相对偏差、气相摩尔分数绝对偏差以及p-x-y曲线如图1图2所示,其中图2中的散点表示不同温度下的气液相平衡的实验点,从图中可以看出对于CO2(1)+ HFC-152a(2)混合工质,WS+NRTL混合规则压力相对偏差的绝对值在1%以内,气相摩尔分数绝对偏差的绝对值在0.01以内,其计算精度最高;在低于CO2临界温度304.13 K的温区(亚临界区域),三种混合规则计算精度相差不大,但在高于CO2临界温度的温区(超临界区域),WS+NRTL混合规则的优势就体现了出来,这是因为WS混合规则对高度非理性体系和强极性体系有着非常好的描述能力。

图1

图1   CO2(1)+HFC-152a(2)的压力相对偏差与气相摩尔分数绝对偏差

○ WS+NRTL; ☆ MHV1+NRTL; ◇ vdW

Fig.1   The relative deviation of the pressure and the absolute deviation of the component mole fraction of CO2 (1) + HFC-152a (2)


图2

图2   CO2(1)+HFC-152a(2) 的 p-x-y曲线

─ WS+NRTL; ┄ MHV1+NRTL; … vdW; □ 实验数据点

Fig.2   p-x-y diagram of CO2(1)+HFC-152a(2)


2.2 CO2+HFO-1234ze(E)混合工质各种混合规则对比

图3图4中可以看出对于CO2(1)+HFO-1234ze(E)(2)混合工质,WS+NRTL混合规则效果最好,MHV1+NRTL次之,vdW最差;在低于CO2临界温度区域(亚临界区域)三种混合规则计算精度相差不大,但在高于CO2临界温度区域(超临界区域),WS+NRTL混合规则的优势较高,MHV1+NRTL的计算精度也较高,误差较大的地方其实在液相区,这是因为对于MHV1混合规则,液相摩尔体积是一个恒定的常数导致的。

图3

图3   CO2(1)+HFO-1234ze(E)(2)的压力相对偏差与气相摩尔分数绝对偏差

○ WS+NRTL; ☆ MHV1+NRTL; ◇ vdW

Fig.3   The relative deviation of the pressure and the absolute deviation of the component mole fraction of CO2 (1) +HFO-1234ze(E) (2)


图4

图4   CO2(1)+HFO-1234ze(E)(2) 的 p-x-y曲线

─ WS+NRTL; ┄ MHV1+NRTL; … vdW; □ 实验数据点

Fig.4   p-x-y diagram of CO2(1)+HFO-1234ze(E)(2)


2.3 CO2+propane混合工质各种混合规则对比

图5图6中可以看出对于CO2(1)+ propane(2)混合工质,vdW混合规则的压力偏差和气相摩尔分数绝对偏差与WS和MHV1混合规则相差不大,甚至在高温区(高于CO2临界温度304.13 K)更具优势,此时vdW混合规则形式简单的优势突显出来,这是因为该二元体系非理想性不强导致的。本文后续会继续介绍CO2(1)+烷烃(2)混合工质使用vdW混合规则的优势,并通过已知温区下的二元交互作用参数推算未知温区下的二元交互作用参数,从而推算未知温区下的气液相平衡曲线。

图5

图5   CO2(1)+propane(2)的压力相对偏差与气相摩尔分数绝对偏差

○ WS+NRTL; ☆ MHV1+NRTL; ◇ vdW

Fig.5   The relative deviation of the pressure and the absolute deviation of the component mole fraction of CO2 (1) +propane (E) (2)


图6

图6   CO2(1)+propane(2) 的 p-x-y曲线

─ WS+NRTL; ┄ MHV1+NRTL; … vdW; □ 实验数据点

Fig.6   p-x-y diagram of CO2(1)+propane(2)


2.4 CO2混合工质各种混合规则对比

采用PR+WS+NRTL模型、PR+MHV1+NRTL模型和PR+vdW模型对7种CO2+HFCs/HFOs二元混合工质气液相平衡性质进行了计算。计算结果见表1,包括了实验点数和实验温区,采用PR+WS+NRTL模型,AARD(p)为0.61%,AAD(y)为0.0055;采用PR+MHV1+NRTL模型,AARD(p)为1.14%,AAD(y)为0.0091;采用PR+vdW模型,AARD(p)为1.41%,AAD(y)为0.0110。3种模型对比可知,对于CO2+HFCs/HFOs二元体系,相比于vdW混合规则,MHV1混合规则对计算精度提升有限,WS混合规则对计算精度提升明显。

表1   三种混合规则对CO2+HFCs/HFOs混合工质的气液相平衡计算偏差

Table 1  Calculation deviations in the vapor-liquid equilibrium of the CO2+HFCs/HFOs mixtures by three mixing rules

混合工质实验点数T/KWSMHV1vdW
AARD(p)AAD(y)AARD(p)AAD(y)AARD(p)AAD(y)
CO2+R134a[5-6]59252~3381.09%0.00871.10%0.01171.42%0.0115
CO2+R143a[18]58273~3130.72%0.00501.52%0.00671.67%0.0103
CO2+R152a[9]67258~3430.36%0.00341.03%0.00871.65%0.0094
CO2+R227ea[8]77278~3330.63%0.00891.23%0.01501.31%0.0144
CO2+R32[19]45283~3230.66%0.00550.92%0.00791.46%0.0087
CO2+R1234yf[10]46283~3230.41%0.00371.21%0.00821.17%0.0123
CO2+R1234ze(E)[11]67283~3330.43%0.00340.99%0.00551.20%0.0074
平均0.61%0.00551.14%0.00911.41%0.0110

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采用三种模型对4种CO2+HCs二元混合工质气液相平衡性质进行了计算。计算结果见表2,采用PR+WS+NRTL模型,AARD(p)为0.57%,AAD(y)为0.0060;采用PR+MHV1+NRTL模型,AARD(p)为0.73%,AAD(y)为0.0068;采用PR+vdW模型,AARD(p)为1.01%,AAD(y)为0.0066。3种模型对比可知,对于CO2+HCs二元混合工质,相比于vdW混合规则,MHV1与WS混合规则对计算精度提升有限,特别是对气相组分,计算精度基本没有提升。

表2   三种混合规则对CO2+HCs二元混合工质气液相平衡计算偏差

Table 2  Calculation deviations in the vapor-liquid equilibrium of the CO2+HCs mixtures by three mixing rules

混合工质实验点数T/KWSMHV1vdW
AARD(p)AAD(y)AARD(p)AAD(y)AARD(p)AAD(y)
CO2+n-butane[20-21]111311~3770.58%0.00680.95%0.00860.96%0.0089
CO2+isobutane[22-23]110270~3690.58%0.00540.85%0.00691.33%0.0074
CO2+propane[4]92273~3230.35%0.00500.375%0.00330.64%0.0031
CO2+propylene[24-25]55252~2980.77%0.00680.76%0.00821.11%0.0068
平均0.57%0.00600.73%0.00681.01%0.0066

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对于CO2+烷烃类二元混合工质,在vdW混合规则下,利用实验数据回归计算各个温区下的k12表3所示,从表中可以看出,CO2+propane[4]、CO2+n-butane[20-21]、CO2+isobutane[22-23]三种二元混合工质的二元交互作用参数k12都在0.12~0.13附近。将这些温区下的二元交互作用参数取平均值与先前优化出来的二元交互作用参数做对比,分别计算各个温区下的AARD(p)和AAD(y)的值,计算结果如表4所示。

表3   CO2+烷烃类混合工质的二元交互作用参数的最优值 (vdW混合规则)

Table 3  Optimal value of binary interaction parameters for CO2+alkane mixtures (vdW mixing rules)

CO2+propane[4]CO2+n-butane[20-21]CO2+isobutane[22-23]
T/Kk12T/Kk12T/Kk12
273.150.128311.080.123270.000.127
283.150.130325.000.126280.000.127
293.150.129344.240.126310.920.115
303.150.125357.750.134344.240.123
313.150.132377.530.149369.240.135
323.150.133
平均0.1300.1320.125

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表4   CO2+小分子烷烃二元混合物的优化结果与预测结果的比较

Table 4  Comparison of the optimization results and prediction results of CO2 + small molecule alkane binary mixture

T/Kk12(最优值)vdWk12(平均值)vdW(预测)
AARD(p)AAD(y)AARD(p)AAD(y)
CO2+propane[4,26]
273.150.1281.139%0.00320.1301.240%0.0038
283.150.1301.168%0.00431.168%0.0043
293.150.1290.560%0.00330.562%0.0035
303.150.1250.482%0.00290.855%0.0041
313.150.1320.302%0.00310.404%0.0026
323.150.1330.213%0.00190.491%0.0012
平均0.1300.644%0.00310.770%0.0032
CO2+n-butane[20-21]
311.080.1231.075%0.01550.1321.091%0.0181
325.000.1260.565%0.00790.949%0.0105
344.240.1260.628%0.00890.697%0.0091
357.750.1341.063%0.00681.895%0.0091
377.530.1491.443%0.00541.539%0.0052
平均0.1320.644%0.00891.234%0.0104
CO2+ isobutane[22-23]
270.000.1272.006%0.00230.1252.078%0.0020
280.000.1272.190%0.00442.251%0.0045
310.920.1150.780%0.00611.725%0.0094
344.240.1230.861%0.01070.850%0.0110
369.240.1350.799%0.01331.217%0.0133
平均0.1251.327%0.00741.624%0.0080

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2.5 CO2+小分子烷烃混合工质的气液相平衡的预测

表4中可以看出,对于CO2+小分子烷烃体系,平均二元交互作用参数与优化的二元交互作用参数相比,计算精度相差不大。因此对于这类混合工质可以用平均二元交互作用参数代替使用实验数据优化的二元交互作用参数,并将这一结论扩展到其他没有计算的温区,利用平均二元交互作用参数得到的气液相平衡数据与实验值比较,如图7所示。

图7

图7   vdW混合规则预测的p-x-y曲线

Fig.7   p-x-y diagram predicted by vdW mixing rules


图7所示,使用平均二元交互作用参数,计算330 K下的CO2+propane[26]、387 K下的CO2+n-butane[20]和320 K下的CO2+isobutane[27],计算结果与实验点拟合较好,进一步验证了使用平均二元交互作用参数的有效性。这一发现具有重要的意义,对于CO2+小分子烷烃二元体系,通过少量的实验,得出二元交互作用参数的规律,预测没有实验数据的温区下的气液相平衡,可以节省大量实验所需要的时间与精力。

2.6 CO2+HFCs/HFOs混合工质的气液相平衡的预测

Hu等[28]指出,WS与MHV1这类多参数状态方程很难预测混合工质气液相平衡性质,然而如果状态方程中二元交互作用参数可以预测,则大大降低实验耗费的精力。表5列出了CO2+HFCs/HFOs二元体系,使用PR+vdW模型回归计算的各个温区下的k12的值。目前关于混合工质气液相平衡的预测主要集中在半经验公式的预测、基团贡献法的预测以及理论模型的预测。结合Hu等[28]、Chen等[29]、Zhang等[30]以及Duarte等[31]对二元交互作用参数k12的处理,由于CO2与含氟制冷剂的特殊性质,提出一种CO2与含氟制冷剂的差值计算模型[式(21)~式(23)],结合CO2和制冷剂的物性参数以及氟原子数量,具有一定的物理意义。

k12=k1-k2
k1=pc,CO20.5ωCO2Tc,CO2+pc,CO20.25nF0.1ωCO2Tc,CO2
k2=pc,CO20.5ωHFCs,HFOsTc,CO2+pc,CO20.25nF0.1ωHFCs,HFOsTc,CO2

表5   CO2+HFCs/HFOs混合工质的二元交互作用参数的最优值 (vdW混合规则)

Table 5  Optimal value of binary interaction parameters for CO2+HFCs/HFOs (vdW mixing rules)

T/Kk12T/Kk12
CO2+R134a308.150.007
252.950.012318.150.017
272.750.016328.150.023
292.950.019333.150.016
328.150.011CO2+R32
333.150.034283.120.027
338.150.024293.110.027
CO2+R143a303.130.034
273.150.016305.150.035
283.150.019313.300.04
293.150.021323.340.035
303.150.006CO2+R1234yf
313.150.021283.210.035
CO2+R152a293.190.02
258.440.014298.110.04
278.250.020308.200.027
298.840.025323.180.017
308.370.020CO2+R1234ze(E)
323.300.035283.320.002
343.200.044293.15-0.005
CO2+R227ea298.15-0.009
278.15-0.007308.130.003
288.150.008318.110.002
298.150.008333.010.003

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这个差值模型,只与CO2的临界温度、临界压力和偏心因子以及含氟制冷剂的偏心因子和氟原子数量有关,是一个完全预测性的模型。以该模型计算得到的二元交互作用参数与前面优化结果进行对比,计算结果如表6所示。

表6   CO2+HFCs/HFOs混合工质的优化结果与预测结果的比较

Table 6  Comparison of the optimization results and prediction results of CO2 +HFCs/HFOs

混合工质实验点数优化计算偏差k12(预测值)预测值偏差
AARD(p)AAD(y)AARD(p)AAD(y)
CO2+R134a[5-6]300.69%0.00400.01971.08%0.0050
CO2+R143a[18]481.43%0.00800.01081.79%0.0069
CO2+R152a[9]450.93%0.00520.01271.15%0.0055
CO2+R227ea[8]461.28%0.00930.02402.96%0.0112
CO2+R32[19]451.46%0.00870.01291.89%0.0082
CO2+R1234yf[10]461.17%0.01230.01432.43%0.0112
CO2+R1234ze(E)[11]671.20%0.00740.01892.89%0.0120
平均1.17%0.00782.03%0.0120

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表6可知,优化计算得到的AARD(p)值为1.17%,AAD(y)值为0.0078,而预测的AARD(p)值为2.03%,AAD(y)值为0.0120,所以可以看出该预测模型的精度很高。由于CO2+含氟制冷剂的气液相平衡实验数据较少,这一差值模型的提出对于处理其他没有实验数据的混合工质具有极其重要的意义。

3 结 论

本文将PR方程与vdW、MHV1、WS三种混合规则相结合,建立了CO2混合工质气液相平衡计算模型,计算了11种CO2混合工质的相平衡性质,包括7种CO2+HFCs/HFOs二元体系和4种 CO2/HCs二元体系。主要结论如下。

(1)对于CO2+HFCs/HFOs二元体系,相比于vdW混合规则,MHV1混合规则对计算精度提升有限,WS混合规则对计算精度提升明显,因此需要通过形式较为复杂的MHV1或WS混合规则对CO2+HFCs/HFOs的气液相平衡性质进行关联和预测。

(2)对于CO2+HCs二元体系,因HC分子极性弱于HFC和HFO,其二元混合物非理想性不强,因此相比于vdW混合规则,MHV1与WS混合规则对气液相平衡性质的计算精度提升有限,特别是对气相组分,计算精度基本没有提升。

(3)对于CO2+小分子烷烃二元体系,可以通过PR方程结合vdW混合规则,通过部分等温线下的实验数据获得平均二元交互作用参数,对于CO2+烷烃混合工质平均二元交互作用参数在0.12~0.13附近,可以通过平均二元交互作用参数对其他温区下的气液相平衡进行预测。

(4)对于CO2+含氟制冷剂二元体系,提出了一种差值模型预测其气液相平衡性质,预测得到的AARD(p)值为2.03%,AAD(y)值为0.0120,预测效果较好,下一阶段的研究目标是扩展这一差值模型的适用工质范围。

符 号 说 明

AARD(p) 压力相对偏差
AAD(y) 气相摩尔分数绝对偏差
ai, bi 纯物质的状态参数
aij 混合工质组分i和组分j的相互作用项
am, bm 分别代表引力项和协体积项,是混合工质的状态参数
C 状态方程有关的常数,对于PR方程,C =-0.62323
GE 无穷压力下的超额Helmholtz自由能
kij,k12 二元交互作用参数,且kij =kji,k12=k21
k1 CO2的混合因子
k2 含氟制冷剂的混合因子
pc 临界压力,Pa
pexp,pcal 分别为实验压力值和计算压力值,Pa
q1 与状态方程有关的常数,对于PR方程,q1=-0.528
R 通用气体常数,J/(mol·K)
Tc 临界温度,K
Tr 对比温度,K
v 体积,m3/mol
x1,y1 分别为组分1的液相摩尔分数和气相摩尔分数
yexp, ycal 分别为实验气相摩尔分数和计算气相摩尔分数
τ12,τ21,α12,α21 可调参数, 一般由气液相平衡实验数据拟合得到。α12与溶液组成和温度无关, 只取决于溶液的类型, 本文取0.30,且α12= α21
ω 偏心因子

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