化工热力学主观题考核答案

中国石油大学(北京)远程教育学院期 末 考 核 化工热力学 一、请学生运用所学的化工热力学知识， 从以下给定的题目中选择至 少选择 2 个题目进行论述：(总分 100分)1.教材中给出了众多的状态方程，请根据本人的工作或者生活选择一个体系、选择一个状态方程、对其 PVT 关系的计算准确度进行分析， 并提出改进的方向和意见。丙烯的PVT状态分析近期我正在中海石油中捷石化甲醇车间进行培训， 在甲醇净化工段丙烯为利用最 多的制冷剂，在学习丙烯压缩工段的同时对丙烯的物化性质也有了深入了解。 丙烯的理化学性质： 丙烯是一种无色略带甜味的易燃气体， 分子式为 CHCH=CH， 分子量为42.08,沸点-477C，熔点为-185.25C，其密度为空气的231.46倍，临 界温度为91.8C，临界压力为4.6Mpa,爆炸极限为2.011% (vol),闪点为-108C。(因此，丙烯在贮藏时要特别小心，如果发生泄漏，因为它比空气重，积聚在低 洼处及地沟中，如在流动过程中遇到火星，则极易引起爆炸，酿成严重后果。 ) 选择用R-K状态方程计算对液态丙烯的PVT关系计算准确度进行分析，从化 -i=46.0*10MPa,陈光进等编著中查得丙烯的临界数据为Tc=364.9K;p工热力学、 c 温度 -40-30-20-1001020304050(C)下面是中海石油中捷石化给定的丙烯性质数据。 压力 1.401 2.097 3.023 4.257 5.772 7.685 10.046 12.911 16.307 20.299atm ()体积 12966 6404 4639 3423 2569 1957 1510 1510 1177 922)(mL/g为了计算方便，用excel换算和简单计算得到新的数据如下：温度-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50C) 233 243 253 263 273 283 293 温度(K) 303 313 323P 压力 1.4196 2.1248 3.0631 4.3134 5.8485 7.7868 10.1791 13.0821 16.5231 20.5680-1(1*10MPa) v 摩尔体积 54560.928 26948.032 19520.912 14403.984 10810.352 8235.056 6354.080 6354.080 4952.816 3879.7763-5/mol)m(1*10RTa R-K 方程： p5.0b vv bTv22.52.5T42748R098.3146 3640.427482 60.5cmol.3409 Pa mK a 16610 p4.6c0.08664RT0.08664 8.3146 364.913 5cmol b m 5.7145 10610 p4.6c由上表又知道摩尔体积 v,故根 据R-K方程，用excel可分别计算得到各温度下的压力值P:1温度-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50(C) P 压力 3.0631 4.3134 5.8485 1.41962.12487.7868 10.1791 13.0821 16.5231 20.5680MPa1*10)(计算压力 1.0288 2.1706 3.1182 4.3903 6.0679 8.2505 11.0602 11.4412 15.146719.9288“MPa)(1*10P1用R-K状态方程计算得数据与给定值比较可得如下数据图：数据分析通过计算和上图的数据对比，可得结论：利用中海石油中捷石化给定丙烯性质 数值，代入v值，用R-K方程计算所得的压力值P与给定的P值偏差很小。1即对于气态丙烯，利用R-K状态方程计算其PVT关系式很可靠的。制冷流程简述：从Recfisol来的丙烯气体与丙烯过冷器壳侧排出的气体混合，压力为 0.13Mpa,温度为-40C，进入压缩机入口分离器饱和并计量后，气体压力为 0.12Mpa温度为-40C进入，丙烯压缩机一段，由闪蒸罐出来的丙烯闪蒸汽压力 为0.525Mpa温度为-5.5C,进入丙烯压缩机的中段，两股气体均被压缩到1.9Mpa, 102C排出，压缩后的气体被丙烯冷凝器冷凝，液体丙烯进入丙烯贮槽，压力为 1.85Mpa温度为45C，为防丙烯压缩机喘振，在丙烯机气体排出口有一回到入口 分离器回路管线补充气量之不足。 从丙烯贮槽出来的液体丙烯进入闪蒸槽，闪蒸气进入丙烯机中段，从丙烯压缩机出口处C引一管线为防喘振二段回路。液体丙 烯压力0.525Mpa温度为-5.5，从闪蒸槽底部引出来，一路进入压缩机入口分离 器，通过液位调节以补充进口丙烯气流量，另一路进丙烯深冷器，通过自身丙烯闪蒸以降低温度，壳侧丙烯气与 Recfisol来的会合，从管程中来的液体通过旁路 进一步调节温度至-20C，压力为0.485Mpa,离开系统进Recfisol，以提供低温 甲醇洗所需冷量。为防止丙烯中微量水份在闪蒸过程中冻结， 还需向系统注入少 量甲醇，甲醇的喷淋是通过计量泵出口甲醇与丙烯贮槽到闪蒸槽的液体丙烯大小， 调节喷淋混合来完成的。由于丙烯易燃易爆，因此，在设备维修前后都必须用N置换丙烯，然后用2.空气置换N开车时先用N置换空气，再用丙烯置换N。222，2.根据功热转换的原理，选择一个体系或者工况进行节能过程分析。要求给出详细的计算步骤和过程分析。空调制冷原理空调在日常生活中随处可见，下面分别用温熵关系和压焓关系分析其制冷过程和 原理。空调制冷原理涉及了了热力学第一定律和热力学第二定律，为逆卡诺循环，以下是用理论制冷循环的分析和计算。:逆卡诺循环一理想制冷循环的功能计算:温熵图图1它由两个等温过程和两个绝热过程组成。假设低温热源（即被冷却介质）的温度为T，高温热源（即环境）的温度为 T,贝U工质的温度在吸热过程中为k0T， 在放热过程中为T,就是说在吸热和放热过程中工质与冷源及高温热源之k0间没有温差，即传热是在等温下进行的，压缩和膨胀过程是在没有任何损失情况下进 行的。其循环过程为：首先工质在T下从冷源（即被冷却介质）吸取热量 q,并进行等温膨胀4-1,00然后通过绝热压缩1-2,使其温度由T0升高至环境介质的温度T,再在T下进 kk行等温压缩2-3,并向环境介质放出热量q,最后再进行绝热膨胀3-4,使其温 度k由T降至T即使工质回到初始状态4,从而完成一个循环。ok对于逆卡诺 循环来说，由图可知：q=T( S-S)4010 q=T(S-S)=T( S-S) 4kk12k3 w=q-q=T(S-S)-T(S-S)=(T-T)(S-S)44ooiki4ikoko则逆卡诺循环制冷系数&为：& = w/ q=(T-T) / T kk0kkk0逆卡诺循环的制冷系数与工质的性质无关，只取决于冷源(即由上式可见， 被冷却物体)的温度 T和热源(即环境介质)的温度 T;降低T,提高T , 00kk均可提高制冷系数。此外，由热力学第二定律还可以证明：“在给定的冷源和热源温度范围内工作的逆循环，以逆卡诺循环的制冷系数为最高”。任何实际制冷循环的制冷系数都小于逆卡诺循环的制冷系数。制冷系统四大部件及制冷剂的变化过程：蒸气压缩制冷循环系统主要由四大部件组成，即压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器，用不同直径的管道把它们串接起来，就形成了一个能使制冷剂循环流动的封闭系统。制冷压缩机由原动机如电机拖动而工作，不断地抽吸蒸发器中的制冷剂蒸气，压缩成高压(P)、过热蒸气而排出并送入冷凝器，正是由于这一k高压存在，使制冷剂蒸气在冷凝器中放出热量，把热量传递给周围的环境介质，从而使制冷剂蒸气冷凝成液体，当然，制冷剂蒸气冷凝时的温度一定要高于周围介质 的温度。冷凝后的液体仍处于高压状态，流经节流元件进入蒸发器。制冷剂在节 流元件中，从入口端的高压P降低到低压P,从高温t降低到t，并出现0k0k少量 液体汽化变为蒸气。二:逆卡诺循环一理想制冷循环的过程计算根据理论循环的假设条件，单级蒸气压缩式制冷理论循环工作过程，在压焓图上的表示如图2所示。图2理论制冷循环压焓图1)制冷压缩机从蒸发器吸取蒸发压力为 P的饱和制冷剂蒸气(状态点1) , 0沿 等熵线压缩至冷凝压力p （状态点2）,压缩过程完成。k2）状态点2的高温高 压制冷剂蒸气进入冷凝器，经冷凝器与环境介质空气或水进行热交换， 放出热量 q后，沿等压线p冷却至饱和蒸气状态点2，然后kk）中制冷剂与环境介2-2， 冷凝过程完成。在冷却过程（3冷凝至饱和液状态点.质有温差，在冷凝过程（2 -3）中制冷剂与环境介质无温差。3）状态点3的饱和制冷剂液体经节流元件节流降压，沿等焓线（节流过程中焓 值保持不变）由冷凝压力p降至蒸发压力p，到达湿蒸气状态点4，膨胀过0k程 完成。4）状态点4的制冷剂湿蒸气进入蒸发器，在蒸发器内吸收被冷却介质的热量沿 等压线p汽化，到达饱和蒸气状态点1，蒸发过程完成。制冷剂的蒸发温度 0与 被冷却介质间无温差。理论循环的计算方法：1、单位质量制冷量制冷压缩机每输送1kg制冷剂经循环从被冷却介质中制取的冷量称为单位质量制冷量，用 q表示。oq=h-h=r （1-x）（1-1）41040式中 q单位质量制冷量（kJ/kg） ； oh与吸气状态对应的比焓值（kJ/kg） ；1h节流后湿蒸气的比焓值（kJ/kg） ；4r蒸发温度下制冷剂的汽化潜热（kJ/kg） ； ox节流后气液两相制冷剂的干度。4单位质量制冷量q在压焓 图上相当于过程线1-4在h轴上的投影（见图1-2）。03制冷剂蒸气（按吸气状 态计）制冷压缩机每吸入1m2、单位容积制冷量经循环从被冷却介质中制取的冷量，称为单位容积制冷量，用q表示。vqh h401 q vvv（1-2） 113）；单位容积制冷量（kJ/m式中q v3/kg）制冷剂在吸气状态时的比体积（m。v 13、理论比功 制冷压缩机按 等熵压缩时每压缩输送1kg制冷剂蒸气所消耗的功，称为理论比功，用w表示。 ow=h-h（1-3） 1 02 式中 w 理论比功（kJ/kg）；oh压缩机排气状态制冷剂的比焓值（kJ/kg） ； 2h压缩机吸气状态制冷剂的比 焓值（kJ/kg） 0 14、单位冷凝热负荷制冷压缩机每输送1kg制冷剂在冷凝器中放出的热量，称为单位冷凝热负荷，用q表示。kq= （ h-h） + （h-h） =h-h（1-4） 3k3 2 22 2式中 q单位冷凝热负荷（kJ/kg） ； kh与冷凝压力对应的 干饱和蒸气状态所具有的比焓值（kJ/kg） ； 2h ；） kJ/kg与冷凝压力对应的饱和 液状态所具有的比焓值（3.在压焓图中，q相当于等压冷却、冷凝过程线2-2 -3在h轴上的投影（见k图2）o 比较式（1-1）、式（1-3）、式（1-4）和h=h可以看出，对于单级蒸气压缩34式制 冷理论循环，存在着下列关系q= q+w5、制冷系数（1-5）00 k单位质量制冷量与理论比功之比，即理论循环的收益和代价 表示,即之比，称为理论循环制冷系数，用oqh ho41oh hw ） 1-6（120根据以上几个性能指标，可进一步求得制冷剂循环量、冷凝器中放出的热量、 压缩机所需的理论功率等数据。.