2024年中國石油大學化工熱力學在線考試

中國石油大學（北京）遠程教育學院期末考試《化工熱力學》學習中心：_______姓名：________學號：_______有關(guān)課程考試違規(guī)作弊的闡明1、提交文獻中涉嫌抄襲內(nèi)容（包括抄襲網(wǎng)上、書籍、報刊雜志及其他已經(jīng)有論文），帶有明顯外校標識，不符合學院規(guī)定或?qū)W生本人狀況，或存在查明出處的內(nèi)容或其他可疑字樣者，判為抄襲，成績?yōu)椤?”。2、兩人或兩人以上答題內(nèi)容或用語有50%以上相似者判為雷同，成績?yōu)椤?”。3、所提交試卷或材料沒有對老師題目進行作答或提交內(nèi)容與該課程規(guī)定完全不相干者，認定為“白卷”或“錯卷”，成績?yōu)椤?”。壹、請學生運用所學的化工熱力學知識，從如下給定的題目中選擇至少選擇2個題目進行論述：（總分100分）在眾多的狀態(tài)方程中,寫出三個常用的狀態(tài)方程。根據(jù)本人的工作或者生活選擇壹種體系、選擇其中壹種狀態(tài)方程、對其PVT關(guān)系的計算精確度進行分析，并提出改善的方向和意見。丙烯的PVT狀態(tài)分析本人工作的單位通過對于單位甲醇中心工段的學習，理解到在甲醇凈化工段丙烯為運用最多的制冷劑，在學習丙烯壓縮工段的同步對丙烯的物化性質(zhì)也有了深入理解。丙烯的理化學性質(zhì)：丙烯是壹種無色略帶甜味的易燃氣體，分子式為CH3CH=CH2，分子量為42.08，沸點-47.7℃，熔點為-185.25℃，其密度為空氣的1.46倍，臨界溫度為91.8℃，臨界壓力為4.6Mpa,爆炸極限為2.0～11％（vol），閃點為-108℃。（因此，丙烯在貯藏時要尤其小心，壹旦發(fā)生泄漏，由于它比空氣重，輕易積聚在低洼處及地溝中，若在流動過程中碰到火星，則極易引起爆炸，釀成嚴重後果。）選擇用R-K狀態(tài)方程計算對液態(tài)丙烯的PVT關(guān)系精確度進行分析，從《化工熱力學》（陳光進等編著）中查得丙烯的臨界數(shù)據(jù)為Tc=364.9K;Pc=46.0*MPa,下面是廠裏給定的丙烯性質(zhì)數(shù)據(jù)。為了計算以便，用excel換算和簡樸計算得到新的數(shù)據(jù)如下：溫度（℃）-40-30-20-1001020304050溫度（K）233243253263273283293303313323壓力P（1*10-1MPa）1.41962.12483.06314.31345.84857.786810.179113.082116.523120.5680摩爾體積V（1*10-5m3/mol）54560.92826948.03219520.91214403.98410810.3528235.0566354.0806354.0804952.8163879.776R-K方程：p=-a===16.3409(mPaKmol)b===5.714510(mmol)由上表又懂得摩爾體積V，故根據(jù)R-K方程，用excel可分別計算得到各溫度下的壓力值P：溫度（℃）-40-30-20-1001020304050壓力P(1*10-1MPa)1.41962.12483.06314.31345.84857.786810.179113.082116.523120.5680計算壓力P1(1*10-1MPa)1.02882.17063.11824.39036.06798.250511.441211.441215.146719.9288用R-K狀態(tài)方程計算得數(shù)據(jù)與給定值比較可得如下數(shù)據(jù)圖：通過計算和上圖的數(shù)據(jù)對比，可得結(jié)論：運用神華新疆企業(yè)給定丙烯性質(zhì)數(shù)值，代入V值，用R-K方程計算所得的壓力值P與給定的P值偏差很小。即對制冷流程簡述：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-40℃，進入壓縮機入口分離器飽和并計量後，氣體壓力為0.12Mpa,溫度為-40℃進入，丙烯壓縮機壹段，由閃蒸罐出來的丙烯閃蒸汽壓力為0.525Mpa,溫度為-5.5℃，進入丙烯壓縮機的中段，兩股氣體均被壓縮到0.9Mpa,102℃排出，壓縮後的氣體被丙烯冷凝，液體丙烯進入丙烯貯槽，壓力為1.85Mpa,溫度為45℃，為防丙烯壓縮機喘振，在丙烯機氣體排出口有壹回到入口氣進入丙烯回路管線補充氣量之局限性。從丙烯貯槽出來的液體丙烯進入閃蒸槽，閃蒸氣進入丙烯機中段，從丙烯壓縮機出口處引壹管線為防喘振二段回路。液體丙烯壓力0.525Mpa、溫度為-5.5℃，從閃蒸槽底部引出來，壹路進入壓縮機入口分離器，通過液位調(diào)整以補充進口丙烯氣流量，另壹路進丙烯深冷器，通過自身丙烯閃蒸以減少溫度，殼側(cè)丙烯氣與Recfisol來的會和,從管程中來的液體通過旁路深入調(diào)整溫度至-20℃、壓力為0.485MPa，離開系統(tǒng)進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)注入少許甲醇，甲醇的噴淋是通過計量泵出口甲醇與丙烯貯槽到閃蒸槽的液體丙烯大小，調(diào)整噴淋混合來完畢的。由于丙烯易燃易爆，因此，在設備維修前後都必須用N置換丙烯，然後用空氣置換N開車時先用N置換空氣，再用丙烯置換N。根據(jù)功熱轉(zhuǎn)換的原理，選擇壹種體系或者工況進行節(jié)能過程分析。規(guī)定給出詳細的計算環(huán)節(jié)和過程分析。知識點提醒：選擇壹種熱工轉(zhuǎn)換或者制冷、熱泵系統(tǒng)，運用熱力學第壹定律、熱力學第二定律進行過程計算。常見冷庫的制冷原理平常生活中冷庫對于我們來說非常常見，下面我們用壓焓關(guān)系分析其制冷過程和原理，冷庫的空調(diào)制冷原理波及了熱力學第壹定律，為逆卡諾循環(huán)，如下是用理論制冷循環(huán)的分析和計算。①、制冷循環(huán)系統(tǒng)的基本構(gòu)成根據(jù)蒸汽壓縮式制冷原理構(gòu)成的單級蒸汽壓縮式制冷循環(huán)系統(tǒng)，是由不壹樣直徑的管道和在其中制冷劑會發(fā)生不壹樣狀態(tài)變化的不見構(gòu)成，串接成壹種封閉的循環(huán)回路，在系統(tǒng)回路中裝入制冷劑，制冷劑在這個循環(huán)回路中可以不停的循環(huán)流動，即稱為制冷循環(huán)系統(tǒng)。制冷劑在流經(jīng)制冷循環(huán)系統(tǒng)的各有關(guān)部位，將發(fā)生由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，再由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的反復性的不停變化。運用制冷劑氣化時吸取其他物質(zhì)的熱量，冷凝時向其他介質(zhì)放出熱量的性質(zhì)，當制冷劑氣化吸熱時，某物質(zhì)必然放出熱量而使其溫度下降，這樣就到達了制冷的目的。根據(jù)上述規(guī)定，蒸汽壓縮式制冷循環(huán)系統(tǒng)如圖1所示。蒸汽壓縮式制冷循環(huán)系統(tǒng)重要有四大部件構(gòu)成，即壓縮機、冷凝器、節(jié)流元件和蒸發(fā)器，用不壹樣直徑的管道把他們串接起來，就形成了壹種能使制冷劑循環(huán)流動的封閉系統(tǒng)。圖1單級蒸汽壓縮式制冷循環(huán)系統(tǒng)1—制冷壓縮機2—冷凝器3—節(jié)流元件4—蒸發(fā)器②、制冷循環(huán)過程制冷壓縮機由原動機拖動而工作，不停地抽吸蒸發(fā)器中的制冷劑蒸汽，壓縮成高壓（pk）、過熱蒸汽而排出并送人冷凝器，正是由于這壹高壓尋在，使制冷劑蒸汽在冷凝器中放出熱量，把熱量傳遞給周圍的環(huán)境介質(zhì)—水或空氣，從而使制冷劑蒸汽冷凝成液體。冷凝後的液體仍處在高壓狀態(tài)，流經(jīng)節(jié)流元件進入蒸發(fā)器。制冷劑在節(jié)流元件中，從入口端的高壓pk減少至低壓p0，從高溫減少到t0，并出現(xiàn)少許液體汽化為蒸汽。制冷劑液體流入蒸發(fā)器後吸取熱量而沸騰汽化逐漸變?yōu)檎羝?，在汽化過程中，制冷劑從被冷卻介質(zhì)中吸取吸取所需要的汽化熱，使被冷卻介質(zhì)溫度減少，實現(xiàn)制冷的目的。③、逆卡諾循環(huán)——理想制冷循環(huán)的過程計算根據(jù)理論制冷循環(huán)的假設條件，單級蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)工作過程，在壓焓圖上的表達如圖2所示。圖2單級蒸汽壓縮式制冷循環(huán)理論在lgp-h圖上的表達1）制冷壓縮機從蒸發(fā)器吸取蒸發(fā)壓力為p0的飽和制冷劑蒸汽（狀態(tài)點1），沿等熵線壓縮至冷凝壓力為pk（狀態(tài)點2），壓縮過程完畢。2）狀態(tài)點2的高溫高壓制冷劑蒸氣進入冷凝器，經(jīng)冷凝器與環(huán)境介質(zhì)空氣或水進行熱互換，放出熱量qk後沿等壓線pk冷卻至飽和蒸汽狀態(tài)點2’然後冷凝至飽和狀態(tài)點3，冷凝過程完畢。在冷卻過程（2-2’）中制冷劑與環(huán)境介質(zhì)由溫差，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3的飽和制冷劑液體經(jīng)節(jié)流元件節(jié)流降壓，沿等焓線（節(jié)流過程中焓值保持不變）由冷凝壓力pk降至蒸發(fā)壓力p0，抵達濕蒸氣狀態(tài)點4，膨脹過程完畢。4）狀態(tài)點4的制冷劑濕蒸氣進入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)吸取被冷卻介質(zhì)的熱量沿等壓線p0汽化，抵達飽和蒸汽狀態(tài)點1，蒸發(fā)過程完畢。制冷劑的蒸發(fā)溫度與被冷卻介質(zhì)間無溫差。單級蒸汽壓縮式制冷理論循環(huán)的性能指標有單位質(zhì)量制冷量、單位容積制冷量、理論比功、單位冷凝熱負荷及制冷系數(shù)等。（1）、單位質(zhì)量制冷量制冷壓縮機每輸送1kg制冷劑經(jīng)循環(huán)從被冷卻介質(zhì)中吸取的冷涼稱為單位質(zhì)量制冷量，用q0表達。其體現(xiàn)式為：q0=h1-h4=r0（1-x4）式中q0—單位質(zhì)量制冷量（kJ/kg）；h1—與吸氣狀態(tài)對應的比焓值（kJ/kg）；H4—節(jié)流後濕蒸氣的比焓值（kJ/kg）；r0—蒸發(fā)溫度下制冷劑的汽化潛熱（kJ/kg）；X4—節(jié)流後氣液兩相制冷劑的干度。單位質(zhì)量制冷量q0在壓焓圖上相稱于過程線1-4在h軸上的投影(見圖2)。（2）、單位容積制冷量制冷壓縮機每吸入1m3制冷劑蒸氣（吸氣狀態(tài)計）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qv表達。其體現(xiàn)式為：qv==式中qv—單位容積制冷量（kJ/m3）;—制冷劑在吸氣狀態(tài)時的比體積（m3/kg）;（3）、理論比功制冷壓縮機按等熵壓縮時每壓縮輸送1kg制冷劑蒸氣所消耗的功，稱為理論比功，用w0表達。其體現(xiàn)式為： w0=h2-h1式中w0—理論比功（kJ/kg）;h2—壓縮機排氣狀態(tài)制冷劑的比焓值（kJ/kg）;h1—壓縮機吸氣狀態(tài)制冷劑的比焓值（kJ/kg）;（4）、單位冷凝熱負荷制冷壓縮機每輸送1kg制冷劑在冷凝器中放出的熱量，稱為單位冷凝熱負荷，用qk表達。其體現(xiàn)式為：qk=（h2-h’2）+(h02-h3)=h2-h3式中qk—單位冷凝熱負荷（kJ/kg）；h’2—與冷凝壓力對應的干飽和蒸氣狀態(tài)所具有的比焓值（kJ/kg）;h3—與冷凝壓力對應的飽和液狀態(tài)所具有的比焓值（kJ/kg）;在壓焓圖中，qk相稱于等壓冷卻、冷凝過程線2-2′-3在h軸上的投影（見圖2）。比較式（1-1）、式（1-3）、式（1-4）和h4=h3可以看出，對于單級蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)，存在著下列關(guān)系qk=q0+w0（5）、制冷系數(shù)單位質(zhì)量制冷量與理論比功之比，即理論循環(huán)的收益的代價之比，稱為理論循環(huán)制冷系數(shù)，用ε0表達，即ε0==根據(jù)以上幾種性能指標，可深入求得制冷劑循環(huán)量、冷凝器中放出的熱量、壓縮機所需的理論功率等數(shù)據(jù)。在眾多的活度系數(shù)模型，請寫出三個常用的活度系數(shù)模型摩爾過量Gibbs自由能gE體現(xiàn)式以及對應的二元組分活度系數(shù)的體現(xiàn)式。為石油化工過程中的具有乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、丁烷、丁烯-1的混合物的分離過程選擇合適的相平衡