中国石油《-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。解答：（一）三个常用状态方程如下：1.理想气体状态方程：PV=nRTP是指理想气体的压强，V为理想气体的体积，n表示气体物质的量，而T则表示理想气体的热力学温度；R为理想气体常数。2.R-K（Redlich-Kwong）方程：a、b是各种物质的固有常数，可有p、V、T实验数据拟合，也可参照经验近似值：，其中和分别为临界压力和临界温度。3.P-R（Peng-Robinson）方程：)（）T（bvbbvvabvRTpa=f（物性），a（T）=f(物性，T)其中：（二）利用R-K状态方程对丙烯的PVT关系的计算准确度进行分析本人所在的江苏裕廊石油化工有限公司，是以重油催化裂化制烯烃，得到丙烯再生产丙烯酸，对丙烯的物理化学性质有深入的理解，现利用R-K状态方程对丙烯的PVT关系的计算准确度进行分析。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。下表所列的是公司常用的丙烯性质数据。温度（℃）-40-30-20-10010203040压力（KPa）141．9212．5306．3431．3585．6779．61019．01304．71651．5密度（Kg/m3）599.6587.0573.9559.9544.7529.3513.1496.5476.7通过换算得到以下数据：根据《化工热力学》（陈光进等编著）查得丙烯的临界数据为Tc=364.76K；Pc=4.6mPa，利用R-K状态方程：bvvTabvRTp5.0进行计算，其中：温度（℃）-40-30-20-10010203040温度（K）233243253263273283293303313压力P（MPa）0.14190.21250.30630.43130.58560.77961.0191.30471.6515摩尔体积v(1*10-5m3/mol)7.01807.16877.33237.51567.72547.95018.20118.47538.82743409.16106.49.3648.31463146.842748.042748.065.25.22ccpTRa56107145.5106.49.3643146.808664.008664.0ccpRTb由上表所得的道摩尔体积v，故根据R-K方程，可分别计算得到各温度下的压力值P’:用R-K状态方程计算得数据与给定值比较可得如下折线图表：通过R-K状态方程计算得出的数据对比，从折线图表中可以得出结论：利用R-K方程计算所得的压力值P’与给定的P值偏差不大；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。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。解答：分析空调制冷原理：温度（℃）-40-30-20-10010203040压力P（MPa）0.14190.21250.30630.43130.58560.77961.0191.30471.6515计算压力P’(MPa)0.12450.21560.31180.43900.60680.80511.10601.24411.5147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。（一）逆卡诺循环—理想制冷循环的功能计算：图1温熵图他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T0，高温热源（即环境）的温度为Tk,则工质的温度在吸热过程中为T0，在放热过程中为Tk,就是说在吸热和放热过程中工质与冷源及高温热源之间没有温差，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T0下从冷源（即被冷却介质）吸取热量q0，并进行等温膨胀4-1，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Tk,再在Tk下进行等温压缩2-3，并向环境介质放出热量qk,最后再进行绝热膨胀3-4，使其温度由Tk降至T0即使工质回到初始状态4，从而完成一个循环。对于逆卡诺循环来说，由图可知：q0=T0(S1-S4）qk=Tk(S2-S3)=Tk(S1-S4）w0=qk-q0=Tk(S1-S4)-T0(S1-S4)=(Tk-T0)(S1-S4）则逆卡诺循环制冷系数εk为：εk=w0/qk=(Tk-T0)/Tk由上式可见，逆卡诺循环的制冷系数与工质的性质无关，只取决于冷源（即被冷却物体）的温度T0和热源（即环境介质）的温度Tk；降低Tk，提高T0，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。（二）逆卡诺循环—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p0的饱和制冷剂蒸气（状态点1），沿等熵线压缩至冷凝压力pk（状态点2），压缩过程完成。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冷却至饱和蒸气状态点2，然后冷凝至饱和液状态点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，到达饱和蒸气状态点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。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q0表示。q0=h1-h4=r0（1-x4）（1-1）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）；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1-2）。（2）单位容积制冷量制冷压缩机每吸入1m3制冷剂蒸气（按吸气状态计）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qv表示。14110vvhhvqq（1-2）式中qv单位容积制冷量（kJ/m3）；v1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。w0=h2-h1（1-3）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。qk=（h2-h2）+（h2-h3）=h2-h3（1-4）式中qk单位冷凝热负荷（kJ/kg）；h2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（1-5）（5）制冷系数单位质量制冷量与理论比功之比，即理论循环的收益和代价之比，称为理论循环制冷系数，用0表示，即1241000hhhhwq（1-6）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。