化工热力学应用及计算考试试题

1五、化工热力学应用及计算题1、已知50Kg的丙烷气体，需要在137℃、5Mpa的条件下贮存。欲设计一个压力容器，请提供该容器的体积设计参数。请分别据两种方法进行计算：（1）普遍化三参数压缩子法（2）真实气体状态方程法设丙烷符合R-K方程)(5.0bTabRTP说明：答题时只需给出解题的步骤和方法，不必给出具体结果。注意：公式中每一参量必须作出说明：根据已给条件，直接代入公式中每一参量的具体数值和单位必须作出说明，而在计算时已知条件不足的均须自行补充说明（其中a和b不必列出公式）。否则相应步骤的得分值为0。解：（1）普遍化三参数压缩因子法：（共6分）（1分）crcrTTTPPP（1分）查压缩因子表得Z0和Z1（1分）10ZZZ（1分）PTZZRTP丙烷314.8（1分）如P、T、υ量纲不正确，则扣1分如果T量纲为[K]，P量纲为[pa]则υ量纲为[gm/3]；如果T量纲为[K]，P量纲为[Kpa]则υ量纲为[Kgm/3]。（1分）)(50V3mm（υ量纲为[Kgm/3]）（2）真实气体状态方程法：（共7分）（4×1=4分）)(5.0bTabRTP已知.K)/(314.8kgKJR丙烷KTkpap4101053（1分）而ccCCccCCPTRbPTRfbPTRaPTRfa/0864.0),,(/42748.0),,(5.22或或须查取丙烷的临界参数（1分）据)(5.0bTabRTP，经试差计算得υ（Kgm/3），2（1分）)(50V3mm（υ量纲为[Kgm/3]）2、某纯物质B由1.013Mpa，453K的饱和蒸汽变为4.052Mpa，653K的过热蒸汽。（1）试设计以偏离函数为基础的计算过程△H的路径框图，并写出各步骤的计算过程的焓变及△H总表达式；列出所用到的主要公式，不需算出最后结果。（2）简要说明计算过程△H为何要引入偏离函数的概念。（假设已知理想气体的Cp=a+bT+cT2，偏离焓HR）。解：（1）共9分4分RRHHHH2*12分1+1+1=3分（2）共4分如据计算，一方面：对于真实流体特别是新开发的物系，其热容往往比较缺乏；另一方面真实流体的状态方程比较复杂，即计算较繁琐、工作量大。基于此，则工程中计算过程△H可引入剩余性质的概念，计算较简单、方便。1+2+1=4分六、应用及计算题（39分）每题13分1、有两股压力分别是12.0MPa和1.5Mpa的饱和蒸汽。(1)如用于作功，经稳流过程变成25℃的饱和水，求Wid(To=298K)。(2)如用作加热介质，经换热器后变成25℃的饱和水，求换热量Q。对计算结果作综合分析，在化工设计和生产过程中如何合理地使用这两股蒸汽？已知：各状态点一些热力学参数，见表1。H2R-H1R∆H=?B过热蒸汽4.052Mpa，653KB饱和蒸汽(理气)1.013Mpa，453KB饱和蒸汽1.013Mpa，453KB过热蒸汽(理气)4.052Mpa，653K∆H*653453326534532653453*|)315.0()(0CTBTATdTCTBTAdTCHHHPPTdPTVTVdTCHPPpP21])([6534533表1.装置各状态点一些热力学参数状态点t／℃P／MPa状态H／kJ·kg-1S／kJ·kg-1·k-11324.812饱和蒸汽2684.95．49242198.31.5饱和蒸汽2792.26．44483250.008169饱和水104.890．3674解：1.（1）3+1×2=5分0,1,2(104.892684.9)298(0.36745.4924)1052.8/(104.892792.2)298(0.36746.4448)876.3/idididWHTSWKJKgWKJKg（2）3+1×2=5分12(104.892684.9)2580.1.8/(104.892792.2)2687.3/QHQKJKgQKJKg(3)高压蒸汽的作功本领比低压蒸汽强。高压蒸汽的加热能力比低压蒸汽弱，因此用低压蒸汽作为工艺加热最恰当，并可减少设备费用。1.5+1.5=3分八、简答题1．写出①稳定流动系统热力学第一定律的一般形式；②当流体流经泵和③流经换热器时系统热力学第一定律的简化形式。、答：稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：sWQzguH221(1)流体流经换热器传质设备Ws=0；另外，考虑动能项和势能项与焓变之间的数量级差别，动能项和势能项可以忽略，即0212u，0zg；因此，稳流系统热力学第一定律可化简为：QH流体流经泵、压缩机、透平等设备在数量级的角度上，动能项和势能项不能与焓变相比较，可以忽略，即0212u，0zg；即：sWQH若这些设备可视为与环境绝热，或传热量与所做功的数值相比可忽略不计，那么进一步可化简为：sWH2．完成相平衡体系求解过程框图。假设体系为部分理想系，已知总压及液相各4组成，求该体系温度及汽相组成(ξ为某一有限小数)。解：组分i在汽相分逸度系数Viˆ1，Siˆ1八、计算题1．（10分）6.0MPa，400℃的过热蒸汽（H1=3174kJ·kg-1，S1=6.535kJ·kg-1·K-1）在稳流过程中经透平膨胀到0.004MPa、干度x=0.9。（已知0.004MPa下Hg=2554kJ·kg-1，Sg=8.4808kJ·kg-1·K-1，HL=120kJ·kg-1，SL=0.4177kJ·kg-1·K-1）。T0=298K。（1）如该透平是绝热的，求该过程的Wid、Ws、WL及热力学效率η。（2）如该透平的热损失为5kJ·kg-1汽终态不变。求该过程的Wid、Ws、WL及热力学效率η。解：（1）126.23109.025541.0120)1(KgKJxHxHHgL1126745.79.04808.81.04177.0)1(KKgKJxSxSSgL0Q111395.1535.66745.7KKgKJ＝＝＝体12tS-SSS14.86331746.2310KgKJ＝＝＝HWs1012031395.129831746.2310KgKJSTHWid＝）＝（t106.3391395.1298KgKJSTWtL%8.71%10012034.863idsWW（2）110168.0298K5TQ0KgKJS＝＝环环111563.10168.01395.1KKgKJ＝＝环体SSSt14.85854.863KgKJ＝＝Q-HWs106.3441563.1298KgKJSTWtL已知P，xi假设：T计算：Pisi计算：yi公式：PPxsiiiiy1iyNo，重新调整T输出T，yi511203KgKJWid＝%4.71%10012034.858idsWW九．计算题1.今有压力为10Mpa、温度400℃的过热蒸汽，经汽轮机绝热膨胀，乏气为0.2Mpa的饱和蒸汽，蒸汽有关数据为：状态HKJ/KgSKJ/Kg·K10Mpa、400℃过热蒸汽30936.2070.2Mpa饱和蒸汽27077.127①试计算上述过程产生的轴功sW；②过程的火用和火无的变化值xE、NA；③过程的理想功idW和损耗功LW。上述计算以1Kg蒸汽为基准，环境温度0T298K。1.解：①绝热Q=0,WS=-△H1230932707386/sWHHKJKg②STHEx0＝（2707-3093）-298×（7.127-6.207）＝-660.16kJ/Kg③0274.16/NATSKJKg④xidEW660.16/idWKJKg∵绝热∴△Ssur=0则WL=△AN,t=T0△Ssys=274.16kJ/Kg十、计算分析题1某工厂采用氨压缩制冷，制冷能力Q0=200000kJ·h-1，操作条件如右图，且已知：H1=1661kJ·kg-1，H2=1890kJ·kg-1，H4=560kJ·kg-1，H5=535kJ·kg-1求：（1）制冷剂循环量（kJ·h-1）；（2）压缩机消耗功率（kW）；（3）该循环的制冷系数；6（4）冷凝器的热负荷。解：(1)单位制冷量：kgkJHHq/11265351661510（2分）制冷剂循环量：hkgqQm/62.1771126/20000000（2分）（2）单位制冷剂消耗的功：kgkJHHWs/2291661189012（2分）压缩机消耗的功率：KWmWpsT30.113600/22962.1773600（2分）（3）制冷系数：92.422911260sWq（2分）（4）单位制冷剂放热量：kgkJHHq/13551890535252（2分）冷凝器热负荷：kJQ24061562.17713552（2分）2．计算500K，100KJ恒温热源具有的有效能与无效能分别为多少？T0=298K。解：有效能：kJQTTB4.40100)5002981(10（3分）无效能：KJBl6.594.40100（3分）4．某气体在300K,1.013×105Pa下可视为理想气体，试求此气体在500K,1.013×107Pa下的焓值。已知：（1）在300K,1.013×105Pa时，H0id=0(2)在500K,1.013×107Pa时，偏离焓ΔH’＝5000KJ•Kmol-1(3)Cpid=100KJ•Kmol-1•K解：RidHHH(3分)300K0.1013Mpa理想气体500K10.13Mpa实际气体500K10.13Mpa理想气体ΔHHRΔHid7idPidTidHHH(3分)等压过程：500300/20000)300500(*100kmolkJdTCHpidP(2分)kgkJHHHidE/25000200005000(2分)所以500K时的焓值为25000KJ/Kg