石大远程在线考试--化工热力学

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. 在众多的状态方程中,写出三个常用的状态方程。根据本人的工作或者生活选择一个体系、选择其中一个状态方程、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

本人工作的单位是神华新疆公司，通过对于单位甲醇中心工段的学习，了解到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CH3CH=CH2，分子量为42.08，沸点-47.7℃，熔点为-185.25℃，其密度为空气的1.46倍，临界温度为91.8℃，临界压力为4.6Mpa,爆炸极限为2.0～11％（vol），闪点为-108℃。（因此，丙烯在贮藏时要特别小心，一旦发生泄漏，因为它比空气重，容易积聚在低洼处及地沟中，若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关系准确度进行分析，从《化工热力学》（陈光进等编著）中查得丙烯的临界数据为

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Tc=364.9K;Pc=46.0*101MPa,下面是厂里给定的丙烯性质数据。

温度（℃）压力（atm)体积（mL/g)-401.40112966-302.0976404-203.0234639-104.257342305.772256910203040507.68510.04612.91116.30720.2991957151015101177922

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 温度（K） 压力P （1*10-1--30 243 2.1248 -20 253 3.0631 -10 263 4.3134 0 273 5.8485 10 283 20 293 30 303 40 313 50 323 233 1.4196 7.78610.1713.0816.5220.568 91 21 31 80 MPa） 摩尔体积V（1*10-5m354560269481952014403108108235.6354.6354.4952.3879..928 .032 .912 .984 .352 056 080 080 816 776 /mol） R-K方程：p=

0.42748R2TCa=

pC2aRT-0.5 vbTv(vb)2.50.427488.31462364.92.50.56•••mol==16.3409(mPaK64.610)

0.08664RTCpC b==

0.086648.3146364.94.6106=5.714510

5(m

3•

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•mol1)

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P1： 温度 （℃） 压力P (1*10-1MPa) 计算压力P1(1*10-1MPa) -40 1.4196 1.0288 -30 2.1248 2.1706 -20 3.0631 3.1182 -10 4.3134 4.3903 0 5.8485 6.0679 10 7.7868 8.2505 20 91 12 30 21 12 40 31 67 50 80 88 10.1713.0816.5220.5611.4411.4415.1419.92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：

2520151050233243253263273283293303313323给定值计算值通过计算和上图的数据对比，可得结论：利用神华新疆公司给定丙烯性质数值，代入V值，用R-K方程计算所得的压力值P1与给定的P值偏差很小。即对制冷流程简述：

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-40℃，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-40℃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-5.5℃，进入丙烯压缩机的中段，两股气体均被压缩到0.9Mpa, 102℃排出，压缩后的气体被

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丙烯冷凝，液体丙烯进入丙烯贮槽，压力为1.85Mpa,温度为45℃，为防丙烯压缩机喘振，在丙烯机气体排出口有一回到入口气进入丙烯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来的会和,从管程中来的液体通过旁路进一步调节温度至-20℃、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N2置换丙烯，然后用空气置换N2开车时先用N2置换空气，再用丙烯置换N2。

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。

知识点提示：选择一个热工转换或者制冷、热泵系统，运用热力学第一定律、热力学第二定律进行过程计算。

常见冷库的制冷原理

日常生活中冷库对于我们来说非常常见，下面我们用压焓关系分析其制冷过程和原理，冷库的空调制冷原理涉及了热力学第一定律，

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为逆卡诺循环，以下是用理论制冷循环的分析和计算。 ①、制冷循环系统的基本组成

根据蒸汽压缩式制冷原理构成的单级蒸汽压缩式制冷循环系统，是由不同直径的管道和在其中制冷剂会发生不同状态变化的不见组成，串接成一个封闭的循环回路，在系统回路中装入制冷剂，制冷剂在这个循环回路中能够不停的循环流动，即称为制冷循环系统。

制冷剂在流经制冷循环系统的各相关部位，将发生由液态变为气态，再由气态变为液态的重复性的不断变化。利用制冷剂气化时吸收其他物质的热量，冷凝时向其他介质放出热量的性质，当制冷剂气化吸热时，某物质必然放出热量而使其温度下降，这样就达到了制冷的目的。依照上述要求，蒸汽压缩式制冷循环系统如图1所示。

蒸汽压缩式制冷循环系统主要有四大部件组成，即压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器，用不同直径的管道把他们串接起来，就形成了一个能使制冷剂循环流动的封闭系统。

图1 单级蒸汽压缩式制冷循环系统

1—制冷压缩机 2—冷凝器 3—节流元件 4—蒸发器 ②、制冷循环过程

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制冷压缩机由原动机拖动而工作，不断地抽吸蒸发器中的制冷剂蒸汽，压缩成高压（pk）、过热蒸汽而排出并送人冷凝器，正是由于这一高压寻在，使制冷剂蒸汽在冷凝器中放出热量，把热量传递给周围的环境介质—水或空气，从而使制冷剂蒸汽冷凝成液体。

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pk降低至低压p0，从高温降低到t0，并出现少量液体汽化为蒸汽。

制冷剂液体流入蒸发器后吸收热量而沸腾汽化逐渐变为蒸汽，在汽化过程中，制冷剂从被冷却介质中吸收吸收所需要的汽化热，使被冷却介质温度降低，实现制冷的目的。 ③、逆卡诺循环——理想制冷循环的过程计算

根据理论制冷循环的假设条件，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 单级蒸汽压缩式制冷循环理论在lgp-h图上的表示

1）制冷压缩机从蒸发器吸取蒸发压力为p0的饱和制冷剂蒸汽（状态点1），沿等熵线压缩至冷凝压力为pk（状态点2 ），压缩过

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程完成。

2）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qk后沿等压线pk冷却至饱和蒸汽状态点2’然后冷凝至饱和状态点3，冷凝过程完成。在冷却过程（2-2’）中制冷剂与环境介质由温差，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pk降至蒸发压力p0，到达湿蒸气状态点4，膨胀过程完成。

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p0汽化，到达饱和蒸汽状态点1，蒸发过程完成。制冷剂的蒸发温度与被冷却介质间无温差。

单级蒸汽压缩式制冷理论循环的性能指标有单位质量制冷量、单位容积制冷量、理论比功、单位冷凝热负荷及制冷系数等。 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吸取的冷凉称为单位质量制冷量，用q0表示。其表达式为：

q0=h1-h4=r0（1-x4） 式中 q0—单位质量制冷量（kJ/kg）； h1—与吸气状态对应的比焓值（kJ/kg）； H4—节流后湿蒸气的比焓值（kJ/kg）； r0—蒸发温度下制冷剂的汽化潜热（kJ/kg）；

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X4—节流后气液两相制冷剂的干度。

单位质量制冷量q0在压焓图上相当于过程线1-4在h轴上的投影(见图2)。

2、单位容积制冷量 制冷压缩机每吸入1m3制冷剂蒸气（吸气状态计）循环从被冷却介质中制取的冷量，称为单位容积制冷量，用qv表示。其表达式为： qv=q0h1h4= v1v1式中 qv—单位容积制冷量（k J/m3）;

—制冷剂在吸气状态时的比体积（m3/kg）;

3、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w0表示。其表达式为： w0=h2-h1 式中 w0—理论比功（kJ/kg）;

h2—压缩机排气状态制冷剂的比焓值（kJ/kg）; h1—压缩机吸气状态制冷剂的比焓值（kJ/kg）;

4、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qk表示。其表达式为： qk=（h2-h’2）+(h02- h3)= h2- h3 式中 qk—单位冷凝热负荷（kJ/kg）；

h’2—与冷凝压力对应的干饱和蒸气状态所具有的比焓值（kJ/kg）; h3—与冷凝压力对应的饱和液状态所具有的比焓值（kJ/kg）; 在压焓图中，qk相当于等压冷却、冷凝过程线2-2′-3在h轴上的投

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影（见图2）。

比较式（1-1）、式（1-3）、式（1-4）和h4=h3可以看出，对于单级蒸气压缩式制冷理论循环，存在着下列关系 qk=q0+w0

5、制冷系数 单位质量制冷量与理论比功之比，即理论循环的收益的代价之比，称为理论循环制冷系数，用ε0表示，即 ε0=q0hh=14 w0h2h1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。

3. 在众多的活度系数模型，请写出三个常用的活度系数模型摩尔过量Gibbs自由能gE表达式以及对应的二元组分活度系数的表达式。

4. 为石油化工过程中的含有乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、丁烷、丁烯-1的混合物的分离过程选择合适的相平衡计算方法，给出详细的计算过程和步骤，并对其结果进行分析和讨论。

知识点提示：根据本体系的性质选择逸度系数法或者活度系数法进行相平衡的计算，一定要对方法的选择给出依据，并进行准确的计算。

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5. 通过实验测定了一系列的相平衡数据，请给出判定该数据有无大的错误的方法，要求有详细的方法、步骤、结论。 知识点提示：利用吉布斯-杜亥姆方程进行讨论。 二、要求：

1、首先给出分析这一问题的化工热力学基础知识 2、给出详细的计算步骤 3、对问题进行详细的分析

4、字数不少于2000字或者篇幅不少于2页。 5、写出你所应用的文献的出处。

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