文档介绍：# 16 # 化学工程 2002 年第 30 卷第 4 期
热力学超临界流体换热计算与分析
刘军, 王涛, 沈忠耀
( 清华大学化学工程系, 北京 100084)

摘要: 超临界流体技术是新兴的化工技术之一, 换热是其工程应用研究的重要方向。该文以水作为超临界流体的代表, 以
逆流操作的套管式换热器为对象建立简化的物理模型, 再通过微元热量平衡分析, 建立数学模型, 并用数
值方法求解。文中研究了 25M Pa、30M Pa 和 35M Pa, 及 25 ) 600e 范围内冷热流体的温度、总传热系数和
热流密度沿管长的变化, 结果显示了在近临界区由于物性变化剧烈, 使占整个管长的 1/ 3) 1/ 2 的区段换热
效率变低的独特规律。压力升高有利于换热的进行, 并讨论了管径的影响。
关键词: 超临界流体; 换热; 数值方法
中图分类号: T Q 028. 3 文献标识码: A 文章编号: 1005-9954 ( 2002) 04- 0016- 05
超临界流体, 即温度和压力处于热力学临界温是在流体的临界点附近, 其基本物性变化很大[ 2] 。
度和临界压力之上的流体, 具有许多独特的性质, 在常温、常压下一般采用的取定性温度、平均温差
适当地动用超临界流体技术可以方便、快速地实现的计算方法会造成很大的误差。本文采用数值计算
某些分离和反应过程。目前, 国内外学术与技术界方法对物性剧烈变化下的换热问题进行探讨。
对超临界流体技术的研究已较深入, 应用范围越来
越广, 例如, 石油脱沥青, 渣油萃取, 柠檬油、尼 1 传热模型建立和求解
古丁和咖啡因等天然物质提取, 有害物质脱除, 废 1. 1 模型基础
物处理, 晶体制备和多孔性物质合成等[ 1] 。实验研究和工业应用的超临界流体有二氧化
在超临界流体技术过程中, 只有精确控制流体碳、丙烷和水等, 尽管它们的化学性质各不相同,
的状态才能获得良好的结果。流体的状态主要指流在超临界技术中的应用差别很大, 但在临界区的物
体的温度和压力, 其中压力的控制主要是通过泵、理性质却是相似的, 针对某一种超临界流体的研究
阀门等装置进行。温度的控制主要是通过换热操作结果可以对别的流体提供参考, 本文以水为超临界
) ) ) 热补偿或热采出进行, 即换热操作直接决定流流体的代表。水的临界点( 22. 05MPa, 374 e ) 远远
体温度, 进而决定过程的最终结果, 是过程控制的高于其他流体, 超临界水技术( 如超临界水热和超
重要影响因素, 同时还涉及能耗等操作成本。随着临界水氧化) 中, 水的温度可从室温至 700 e , 压
超临界流体技术工业化应用的不断开发, 换热问题力从常压到 35MPa 以上, 在这样宽的范围内研究
越发显出其重要性。换热问题, 可以更好地反映超临界流体的独特规
换热问题的计算涉及的面很广, 除了流体的很律。
多基本物理性质, 如密度、比热容、导热系数、粘超临界水技术的一般过程是进料经过加压和升
度、以及流体的状态参数) ) ) 温度和压力外, 还有温至所需的状态, 然后进入反应器反应, 出料经降
动量、能量和质量传递方面的内容, 如流体的流动温和减压后排出。因所需温度较高, 必须提供