化工熱力學(xué)主觀題考核答案

1、中國石油大學(xué)（北京）遠(yuǎn)程教育學(xué)院期 末 考 核 化工熱力學(xué)一、 請學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的化工熱力學(xué)知識， 從以下給定的題目中選擇至少選擇 2 個(gè)題目進(jìn)行論述： （總分 100 分）1.教材中給出了眾多的狀態(tài)方程，請根據(jù)本人的工作或者生活選擇一個(gè)體系、 選擇一個(gè)狀態(tài)方程、 對其 PVT 關(guān)系的計(jì)算準(zhǔn)確度進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)的方向和意見。丙烯的PVT狀態(tài)分析近期我正在中海石油中捷石化甲醇車間進(jìn)行培訓(xùn)， 在甲醇凈化工段丙烯為利用最多的制冷劑，在學(xué)習(xí)丙烯壓縮工段的同時(shí)對丙烯的物化性質(zhì)也有了深入了解。丙烯的理化學(xué)性質(zhì)： 丙烯是一種無色略帶甜味的易燃?xì)怏w， 分子式為 CHCH=CH ，分子量為42.08，沸點(diǎn)-4

2、7.7，熔點(diǎn)為-185.25，其密度為空氣的231.46倍，臨界溫度為 91.8， 臨界壓力為 4.6Mpa， 爆炸極限為2.011（vol） ,閃點(diǎn)為-108。（因此，丙烯在貯藏時(shí)要特別小心，如果發(fā)生泄漏，因?yàn)樗瓤諝庵?，積聚在低洼處及地溝中，如在流動過程中遇到火星，則極易引起爆炸，釀成嚴(yán)重后果。 ）選擇用R-K狀態(tài)方程計(jì)算對液態(tài)丙烯的PVT關(guān)系計(jì)算準(zhǔn)確度進(jìn)行分析，從化 -i=46.0*10MPa,陳光進(jìn)等編著中查得丙烯的臨界數(shù)據(jù)為Tc=364.9K;p工熱力學(xué)、 c 溫度 -40-30-20-1001020304050（）下面是中海石油中捷石化給定的丙烯性質(zhì)數(shù)據(jù)。 壓力 1.401 2.0

3、97 3.023 4.257 5.772 7.685 10.046 12.911 16.307 20.299atm （）體積 12966 6404 4639 3423 2569 1957 1510 1510 1177 922）（mL/g為了計(jì)算方便，用excel換算和簡單計(jì)算得到新的數(shù)據(jù)如下：溫度-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50(C) 233 243 253 263 273 283 293 溫度(K) 303 313 323P 壓力 1.4196 2.1248 3.0631 4.3134 5.8485 7.7868 10.1791 13.0821 16.5231

4、 20.5680-1 (1*10MPM v 摩爾體積 54560.928 26948.032 19520.912 14403.984 10810.352 8235.056 6354.080 6354.080 4952.816 3879.7763-5/mol)m(1*10RTm R-K 方程： p5.0b vv bTv22.52.5T42748R0.9.8.3146 3640.427482 60.5cmol.3409 Pm mK a 16610 p4.6c0.08664RT0.08664 8.3146 364.913 5cmol b m 5.7145 10, 610 p46由上表又知道摩爾體積

5、v,故根據(jù)R-K方程，用excel可分別計(jì)算得到各溫度下的壓力值P: 1溫度-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50() P 壓力 3.0631 4.3134 5.8485 1.41962.12487.7868 10.1791 13.0821 16.5231 20.5680MPa1*10)(計(jì)算壓力 1.0288 2.1706 3.1182 4.3903 6.0679 8.2505 11.0602 11.4412 15.146719.9288-1MPa)(1*10P1用R-K狀態(tài)方程計(jì)算得數(shù)據(jù)與給定值比較可得如下數(shù)據(jù)圖：數(shù)據(jù)分析遁通過計(jì)算和上圖的數(shù)據(jù)對比，可得結(jié)論：利用

6、中海石油中捷石化給定丙烯性質(zhì)數(shù)值，代入v值，用R-K方程計(jì)算所得的壓力值P與給定的P值偏差很小。1 即對于氣態(tài)丙烯，利用R-K狀態(tài)方程計(jì)算其PVT關(guān)系式很可靠的。制冷流程簡述：從Recfisol來的丙烯氣體與丙烯過冷器殼側(cè)排出的氣體混合，壓力為 0.13Mpa,溫度為-40C,進(jìn)入壓縮機(jī)入口分離器飽和并計(jì)量后，氣體壓力為 0.12Mpa溫度為-40C進(jìn)入，丙烯壓縮機(jī)一段，由閃蒸罐出來的丙烯閃蒸汽壓力 為0.525Mpa溫度為-5.5C,進(jìn)入丙烯壓縮機(jī)的中段，兩股氣體均被壓縮到1.9Mpa, 102c排出，壓縮后的氣體被丙烯冷凝器冷凝，液體丙烯進(jìn)入丙烯貯槽，壓力為 1.85Mpa溫度為45C,為

7、防丙烯壓縮機(jī)喘振，在丙烯機(jī)氣體排出口有一回到入口 分離器回路管線補(bǔ)充氣量之不足。 從丙烯貯槽出來的液體丙烯進(jìn)入閃蒸槽，閃蒸氣進(jìn)入丙烯機(jī)中段，從丙烯壓縮機(jī)出口處C引一管線為防喘振二段回路。液體內(nèi) 烯壓力0.525Mpa溫度為-5.5 ,從閃蒸槽底部引出來，一路進(jìn)入壓縮機(jī)入口分離 器，通過液位調(diào)節(jié)以補(bǔ)充進(jìn)口丙烯氣流量，另一路進(jìn)丙烯深冷器，通過自身丙烯閃蒸以降低溫度，殼側(cè)丙烯氣與 Recfisol來的會合，從管程中來的液體通過旁路 進(jìn)一步調(diào)節(jié)溫度至-20 C,壓力為0.485Mpa,離開系統(tǒng)進(jìn)Recfisol,以提供低溫 甲醇洗所需冷量。為防止丙烯中微量水份在閃蒸過程中凍結(jié)， 還需向系統(tǒng)注入少 量甲

8、醇，甲醇的噴淋是通過計(jì)量泵出口甲醇與丙烯貯槽到閃蒸槽的液體丙烯大小， 調(diào)節(jié)噴淋混合來完成的。由于丙烯易燃易爆，因此，在設(shè)備維修前后都必須用N置換丙烯，然后用2.空氣置換N開車時(shí)先用N置換空氣，再用丙烯置換No 222,2.根據(jù)功熱轉(zhuǎn)換的原理，選擇一個(gè)體系或者工況進(jìn)行節(jié)能過程分析。要求給出詳細(xì)的計(jì)算步驟和過程分析?？照{(diào)制冷原理空調(diào)在日常生活中隨處可見，下面分別用溫嫡關(guān)系和壓始關(guān)系分析其制冷過程和 原理。空調(diào)制冷原理涉及了了熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，為逆卡諾循環(huán)，以下是用理論制冷循環(huán)的分析和計(jì)算。：逆卡諾循環(huán)一理想制冷循環(huán)的功能計(jì)算:溫嫡圖圖1它由兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)絕熱過程組成。 假設(shè)低溫?zé)?/p>

9、源（即被冷卻介質(zhì)）的 溫度為T,高溫?zé)嵩矗喘h(huán)境）的溫度為 T,則工質(zhì)的溫度在吸熱過程中為 心丁, 在放熱過程中為T,就是說在吸熱和放熱過程中工質(zhì)與冷源及高溫?zé)嵩粗甼。問沒有溫差，即傳熱是在等溫下進(jìn)行的，壓縮和膨脹過程是在沒有任何損失情況下進(jìn) 行的。具循環(huán)過程為：首先工質(zhì)在T下從冷源（即被冷卻介質(zhì)）吸取熱量 q,并進(jìn)行等溫膨脹4-1,00然后通過絕熱壓縮1-2,使其溫度由T0升高至環(huán)境介質(zhì)的溫度T,再在T下進(jìn) kk行等溫壓縮2-3,并向環(huán)境介質(zhì)放出熱量q,最后再進(jìn)行絕熱膨脹3-4,使其溫 度k由T降至T即使工質(zhì)回到初始狀態(tài)4,從而完成一個(gè)循環(huán)。0k對于逆卡諾 循環(huán)來說，由圖可知：q=T(S-S

10、) 4010 q=T(S-S)=T(S-S) 4kk12k3 w=q-q=T(S-S)-T(S-S)=(T-T)(S-S) 44001ki4ik0k0則逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù)& 為：& = w/ q=(T-T) / T kk0kkk0逆卡諾循環(huán)的 制冷系數(shù)與工質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)，只取決于冷源(即由上式可見，被冷卻物體)的溫度 T和熱源(即環(huán)境介質(zhì))的溫度 T;降低T,提高T , 00kk均可提高制冷系數(shù)。止匕外，由熱力學(xué)第二定律還可以證明： “在給定的冷源和 熱源溫度范圍內(nèi)工作的逆循環(huán)，以逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)為最高” 。任何實(shí)際制 冷循環(huán)的制冷系數(shù)都小于逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)。制冷系統(tǒng)四大

11、部件及制冷劑的變化過程：蒸氣壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)主要由四大部件組成，即壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流元件和蒸發(fā)器，用不同直徑的管道把它們用接起來， 就形成了一個(gè)能使制冷劑循環(huán)流動的 封閉系統(tǒng)。制冷壓縮機(jī)由原動機(jī)如電機(jī)拖動而工作，不斷地抽吸蒸發(fā)器中的制冷劑蒸氣，壓縮成高壓(p)、過熱蒸氣而排出并送入冷凝器，正是由于這一 k高壓 存在，使制冷劑蒸氣在冷凝器中放出熱量，把熱量傳遞給周圍的環(huán)境介質(zhì)，從而使制冷劑蒸氣冷凝成液體，當(dāng)然，制冷劑蒸氣冷凝時(shí)的溫度一定要高于周圍介質(zhì) 的溫度。冷凝后的液體仍處于高壓狀態(tài)，流經(jīng)節(jié)流元件進(jìn)入蒸發(fā)器。制冷劑在節(jié) 流元件中，從入口端的高壓p降低到低壓p,從高溫t降低到t,并出現(xiàn)0k0k

12、少量 液體汽化變?yōu)檎魵?。二：逆卡諾循環(huán)一理想制冷循環(huán)的過程計(jì)算根據(jù)理論循環(huán)的假設(shè)條件，單級蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)工作過程，在壓烙圖上的表小如圖2所小。圖2理論制冷循環(huán)壓始圖1)制冷壓縮機(jī)從蒸發(fā)器吸取蒸發(fā)壓力為 p的飽和制冷劑蒸氣(狀態(tài)點(diǎn)1),。沿 等嫡線壓縮至冷凝壓力p （狀態(tài)點(diǎn)2）,壓縮過程完成。k2）狀態(tài)點(diǎn)2的高溫高 壓制冷劑蒸氣進(jìn)入冷凝器，經(jīng)冷凝器與環(huán)境介質(zhì)空氣或水進(jìn)行熱交換， 放出熱量 q后，沿等壓線p冷卻至飽和蒸氣狀態(tài)點(diǎn)2 ,然后kk）中制冷劑與環(huán)境介2-2, 冷凝過程完成。在冷卻過程（3冷凝至飽和液狀態(tài)點(diǎn).質(zhì)有溫差，在冷凝過程（2 -3）中制冷劑與環(huán)境介質(zhì)無溫差。3）狀態(tài)點(diǎn)3的飽和

13、制冷劑液體經(jīng)節(jié)流元件節(jié)流降壓，沿等始線（節(jié)流過程中始 值保持不變）由冷凝壓力p降至蒸發(fā)壓力p,到達(dá)濕蒸氣狀態(tài)點(diǎn)4,膨脹過0k程 完成。4）狀態(tài)點(diǎn)4的制冷劑濕蒸氣進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)吸收被冷卻介質(zhì)的熱量沿 等壓線p汽化，到達(dá)飽和蒸氣狀態(tài)點(diǎn)1,蒸發(fā)過程完成。制冷劑的蒸發(fā)溫度0與被冷卻介質(zhì)間無溫差。理論循環(huán)的計(jì)算方法：1、單位質(zhì)量制冷量制冷壓縮機(jī)每輸送1kg制冷劑經(jīng)循環(huán)從被冷卻介質(zhì)中制取的冷量稱為單位質(zhì)量制冷量，用 q表示。0q=h-h=r （1-x）（ 1-1） 41040式中 q單位質(zhì)量制冷量（kJ/kg）; oh與吸氣狀態(tài)對應(yīng)的比始值（kJ/kg）； 1h節(jié)流后濕蒸氣的比始伯：（kJ/kg）

14、; 4r蒸發(fā)溫度下制冷劑的汽化 潛熱（kJ/kg）； 0x節(jié)流后氣液兩相制冷劑的干度。4單位質(zhì)量制冷量q在壓始 圖上相當(dāng)于過程線1-4在h軸上的投影（見圖1-2）。03制冷劑蒸氣（按吸氣狀 態(tài)計(jì)）制冷壓縮機(jī)每吸入1m2、單位容積制冷量經(jīng)循環(huán)從被冷卻介質(zhì)中制取的冷量，稱為單位容積制冷量，用q表示。vqh h401 q ,vvv（1-2） 113）;單位容積制冷量（kJ/m式中q v3/kg）制冷劑在吸氣狀態(tài)時(shí)的比體積（m。v 13、理論比功 制冷壓縮機(jī)按 等嫡壓縮時(shí)每壓縮輸送1kg制冷劑蒸氣所消耗的功，稱為理論比功，用w表示。0w=h-h（1-3） 1 02式中 w 理論比功（kJ/kg）；0h壓縮機(jī)排氣狀態(tài)制冷劑的比始伯：（kJ/kg）； 2h壓縮機(jī)吸氣狀態(tài)制冷劑的比 始值（kJ/kg）。14、單位冷凝熱負(fù)荷 制冷壓縮機(jī)每輸送1kg制冷劑在冷凝器中 放出的熱量，稱為單位冷凝熱負(fù)荷，用 q表示。kq= （h-h） + （h-h） =h-h（1-4） 3k3 2 22 2式中q單位冷凝熱負(fù)荷（kJ/kg）； kh與冷凝壓力對應(yīng)的干飽和蒸氣狀態(tài)所具有的比始值（kJ/kg）； 2h ；） kJ/kg與冷凝壓力對應(yīng)的飽和 液狀態(tài)所具有的比始值（3在壓始圖中