奥鹏教育中国石油大学16秋考试《化工热力学》.docx
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奥鹏教育中国石油大学16秋考试《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》
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学号:
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。
答:
丙烯的PVT状态分析
近期我在炼化公司甲醇车间进行培训,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,如果发生泄漏,因为它比空气重,积聚在低洼处及地沟中,如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关系计算准确度进行分析,从《化工热力学、陈光进等编著》中查得丙烯的临界数据为Tc=364.9K;pc=46.0*10-1MPa,下面是上海焦
化厂给定的丙烯性质数据。
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
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
温度(K)
233
243
253
263
273
283
293
303
313
323
压力P
(1*10-1MPa)
1.4196
2.1248
3.0631
4.3134
5.8485
7.7868
10.1791
13.0821
16.5231
20.5680
摩尔体积v
(1*10-5m3/mol)
54560.928
26948.032
19520.912
14403.984
10810.3
52
8235.05
6
6354.08
0
6354.080
4952.81
6
3879.776
R-K状态方程计算得数据与给定值比较可得如下数据图:
温度(℃)
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
压力(atm)
1.401
2.097
3.023
4.257
5.772
7.685
10.046
12.911
16.307
20.299
体积(mL/g)
12966
6404
4639
3423
2569
1957
1510
1510
1177
922
通过计算和上图的数据对比,可得结论:
利用《上海焦化厂给定丙烯性质数值》,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。
即对于气态丙烯,利用R-K状态方程计算其PVT关系式很可靠的。
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1.9Mpa,102℃排出,压缩后的气体被丙烯冷凝
器冷凝,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
入口分离器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来的会合,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。
答:
空调制冷原理
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。
:
逆卡诺循环—理想制冷循环的功能计算:
图1温熵图它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。
制冷系统四大部件及制冷剂的变化过程:
蒸气压缩制冷循环系统主要由四大部件组成,即压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器,用不同直径的管道把它们串接起来,就形成了一个能使制冷剂循环流动的封闭系统。
制冷压缩机由原动机如电机拖动而工作,不断地抽吸蒸发器中的制冷剂蒸气,压缩成高压(pk)、过热蒸气而排出并送入冷凝器,正是由于这一高压存在,使制冷剂蒸气在冷凝器中放出热量,把热量传递给周围的环境介质,从而使制冷剂蒸气冷凝成液体,当然,制冷剂蒸气冷凝时的温度一定要高于周围介质的温度。
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降低到低压p0,从高温tk降低到t0,并出现少量液体汽化
变为蒸气二:
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。
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p(k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
1-2)
qvqv0h1vh4
v1v1
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。
1-3)
w0=h2-h1
式中w0?
?
理论比功(kJ/kg);
qk=(h2-h2¢)+(h2¢-h3)=h2-h3
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e0表
示,即
q0h1h4
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
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- 化工热力学 教育 中国 石油大学 16 考试 化工 热力学