2014中国尤氏大学北京化工热力学在线考试(主观题)
化工热力学
1.要求学生运用他们的化学热力学知识，从以下给出的题目中选择至少两个题目进行讨论:(总分100)
1.课本上有很多状态方程。请根据本人的工作或生活选择一个系统和一个状态方程，分析PVT关系的计算精度，提出改进的方向和建议。
丙烯的PVT态分析
最近在新疆五家渠某焦化厂甲醇车间培训。在甲醇提纯部分，丙烯是使用最多的制冷剂。在学习丙烯压缩工段的同时，也对丙烯的物理化学性质有了深入的了解。
丙烯的理化性质:丙烯是一种无色微甜的可燃气体，分子式为CH3CH=CH2，分子量为42.08，沸点为-47.7℃，熔点为-185.25℃，密度为空气。
1.46倍，临界温度91.8℃，临界压力4.6Mpa，爆炸极限2.0 ~ 11%(体积)，闪点-108℃。(因此，丙烯应小心存放。如果泄漏，由于比空气重，堆积在低洼处和沟渠中，如果在流动的过程中遇到火星，很容易引起爆炸，导致严重后果。)
利用R-K状态方程分析了液态丙烯PVT关系的计算精度。丙烯的临界数据为Tc=364.9K，来自陈光金等主编的《化学热力学》。pc=46.0*10-1MPa，
以下是上海焦化厂给出的丙烯性能数据。
为方便计算，通过excel转换和简单计算得到的新数据如下:
温度
-40-30-20-10 0 10 20 30 40压力
ATM)1.401 2.097 3.023 4.257 5.772 7.685 1.046 12.91 16.307成交量。
mL/g)12966 6404 4639 3423 2569 1957 10 1510 10 1177 50 20.299 922(℃)(
温度
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
(℃)
温度(k)233 243 253 263 273 283 293 303 313压力P
1.4196 2.1248 3.0631 4.3134 5.8485 7.7868 10.1791 13.0821 16.5231
(1 * 10-1兆帕)
摩尔体积v
54560.928 26948.032 19520.912 14403.984 10810.352 8235.056 6354.080 6354.080 4952.816
(1 * 10-5立方米/摩尔)
R-K方程:p？无线电报
v？b？a
T0.5vv？b
0.42748R2T2.52.5
答？c？0.42748?8.3146?364.9?16.3409?m6？爸？K0.5
p.6？106?mol？2?
补体第四成份缺乏
b？0.08664RTc？0.08664?8.3146?364.9?5.7145?10?五
p.6？106?m3？mol？1?
补体第四成份缺乏
从上表还知道摩尔体积v，所以根据R-K方程，可以用excel分别计算出温度。
压力值P1度:
温度
(℃)-40-30-20-10 0 10 20 30 40压力P
1 * 10-1 MPa)1.4196 2.1248 3.0654438+0 4.365435.
p-11.0288 2.1706 3.1182 4.3903 6.0679 8.2505 11.0602 11.44412 15.654438
1(1 * 10兆帕)
将R-K状态方程计算的数据与给定值比较，可以得到如下数据图:50 323 20.5680 3879.776 50(
将计算与上图数据对比，可以得出结论:在上海焦化厂给定的丙烯性质值中，用V值代入R-K方程计算的压力值P1与给定的P值偏差很小。也就是说，对于气态丙烯，用R-K状态方程计算其PVT关系是非常可靠的。
制冷工艺简介:
来自回收醇的丙烯气体与丙烯过冷器壳程排出的气体混合，压力为0.13Mpa，温度为-40℃。气体饱和计量后，以0.12Mpa的压力和-40℃的温度进入。在丙烯压缩机的第一级，来自闪蒸罐的丙烯闪蒸蒸汽的压力为0.525Mpa，温度为-5.5℃。进入丙烯压缩机中段，两种气体被压缩至1.9Mpa，在102℃排出。压缩气体经丙烯冷凝器冷凝，液态丙烯以压力进入丙烯储罐。
1.85Mpa的温度为45℃。为防止丙烯压缩机喘振，丙烯机气体出口补充气不足，返回入口分离器回路管线。来自丙烯储罐的液态丙烯进入闪蒸罐，闪蒸蒸汽进入丙烯机中段。从温度为℃的丙烯压缩机出口开始的第一条管线是防喘振二级回路。液态丙烯压力为0.525Mpa，温度为-5.5，从闪蒸罐底部引出。一路进入压缩机入口分离器，调节液位补充进口丙烯气流。另一路进入丙烯制冷机，壳程丙烯气体闪蒸降温。来自管程的液体被进一步调节到-20℃，压力为0.485Mpa，然后离开系统进入回收液。为了防止丙烯中的微量水分在闪蒸过程中冻结，需要向系统中注入少量甲醇。甲醇的喷淋是通过调整计量泵出口甲醇和丙烯储罐来的液态丙烯到闪蒸罐的喷淋混合来完成的。
因为丙烯易燃易爆，所以在设备维修前后需要用N2代替丙烯，再用空气代替N2。开车时，先用N2置换空气，再用丙烯置换N2。
2.根据功热转换原理，选择一个系统或工况进行节能过程分析。需要详细的计算步骤和过程分析。
空调制冷原理
空调在日常生活中随处可见。分别用温熵关系和压焓关系分析了制冷过程和原理。空调的制冷原理涉及热力学第一定律和热力学第二定律，是一个逆卡诺循环。以下是理论制冷循环的分析计算。
1.逆卡诺循环——理想制冷循环的功能计算:
图1温差图
它包括两个等温过程和两个绝热过程。假设低温热源(即被冷却的介质)的温度为T0，高温热源(即环境)的温度为Tk，则吸热过程中工质的温度为T0，放热过程中工质的温度为Tk，也就是说，吸热和放热过程中工质与冷源和高温热源之间不存在温差，也就是说， 热传递在等温温度下进行，压缩和膨胀过程在没有任何损失的情况下进行。 循环过程如下:
工作介质首先在T0时刻从冷源(即被冷却的介质)吸收热量q0，进行4-1的等温膨胀，然后通过1-2的绝热压缩，使其温度从T0上升到环境介质的温度，然后在Tk时刻进行2-3的等温压缩，向环境介质释放热量qk，最后进行3-4的绝热膨胀，使其温度从Tk下降到T0。
对于逆卡诺循环，从图中可以看出:
q0=T0(S1-S4)
qk=Tk(S2-S3)=Tk(S1-S4)
w0 = qk-Q0 = Tk(s 1-S4)-T0(s 1-S4)=(Tk-T0)(s 1-S4)
逆卡诺循环的制冷系数εk为:εk = w0/ qk=(Tk-T0)/Tk。
从上式可以看出，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和提高T0可以提高制冷系数。另外，可以用热力学第二定律证明“在给定的冷热源温度范围内，逆卡诺循环的制冷系数最高”。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。
制冷系统的四个组成部分及制冷剂的变化过程；
蒸汽压缩制冷循环系统主要由压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器四部分组成，用不同直径的管道串联起来，形成一个能使制冷剂循环流动的封闭系统。制冷压缩机由电机等原动机驱动，不断吸入蒸发器中的制冷剂蒸气，压缩成高压(pk)和过热蒸气，排出后送入冷凝器。正是由于这种高压，制冷剂蒸汽在冷凝器中释放热量，传递给周围的环境介质，使制冷剂蒸汽凝结成液体。当然，制冷剂蒸汽冷凝的温度必须高于周围介质的温度。冷凝的液体仍然处于高压下，并流过节流元件进入蒸发器。在节流元件中，制冷剂从入口端的高压pk降低到低压p0，从高温tk降低到t0，并且少量液体蒸发成蒸汽。
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，单级蒸汽压缩制冷理论循环的工作过程在压焓图上如图2所示。
图2理论制冷循环的压力焓图
1)制冷压缩机从蒸发器(状态点1)吸入蒸发压力为p0的饱和制冷剂蒸气，沿等熵线(状态点2)压缩至冷凝压力pk，压缩过程完成。
2)状态点2的高温高压制冷剂蒸汽进入冷凝器，通过冷凝器与环境介质空气或水进行热交换，放出热量qk，然后沿等压线pk冷却到饱和蒸汽状态点2？然后冷凝到饱和液态点3，冷凝过程完成。在冷却过程中(2-2？)制冷剂和环境界面
质量和冷凝过程之间存在温差(2？-3)制冷剂和环境介质之间没有温差。
3)状态点3的饱和制冷剂液体经节流元件节流降压后，沿等焓线从冷凝压力pk下降到蒸发压力p0(节流时焓不变)，到达湿蒸汽状态点4，膨胀过程完成。
4)状态点4的湿制冷剂蒸汽进入蒸发器，吸收被冷却介质的热量，沿等压线p0蒸发，达到饱和蒸汽状态点1，蒸发过程完成。制冷剂和被冷却介质的蒸发温度之间没有温差。
理论周期的计算方法:
1，单位质量制冷量制冷压缩机每循环1kg制冷剂由被冷却介质产生的制冷量称为单位质量制冷量，用q0表示。
Q0 = h 1-H4 = r0(1-x4)(1-1)
其中q0单位质量制冷量(kJ/kg)；
h1对应吸气状态的比焓(KJ/kg)；
节流后湿蒸汽的H4比焓(kJ/kg)；
r0蒸发温度下制冷剂的蒸发潜热(kJ/kg)；
x4节流后气液两相制冷剂的干燥度。
单位质量制冷量q0相当于压焓图上H轴上过程线1-4的投影(见图1-2)。
2.单位体积制冷量制冷压缩机每次吸入1m3制冷剂蒸气(按吸入状态计算)后从被冷却介质中获得的制冷量称为单位体积制冷量，用qv表示。
qv？q0h1？h4？v1v1 (1-2)
式中qv为单位体积制冷量(kJ/m3)；
v1制冷剂在吸入状态下的比容(m3/kg)。
3.理论比功制冷压缩机每次压缩输送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)
其中理论比功w0(kJ/kg)；
h2压缩机排气状态下制冷剂的比焓(kJ/kg );
h1压缩机吸入状态下制冷剂的比焓(kJ/kg)。
4.单位冷凝热负荷制冷压缩机在冷凝器中每1kg制冷剂释放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？对应于冷凝压力的干饱和蒸汽的比焓(kj/kg );H3对应于冷凝压力的饱和液体的比焓(kJ/kg );
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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)。
对比方程(1-1)、(1-3)、(1-4)和h4=h3可以看出，对于单级蒸汽压缩制冷的理论循环，有以下关系式。
qk = q0 +w0 (1-5)
5.制冷系数单位质量制冷量与理论比功之比，即理论循环的利润与成本之比，称为理论循环制冷系数。0表示，也就是
q0h1？h4？w0h2？h1 (1-6)？0?
根据以上性能指标，可以进一步得到制冷剂循环量、冷凝器放热量、压缩机所需理论功率等数据。
3.为含酚水溶液的处理选择合适的相平衡计算方法，给出详细的计算过程和步骤，并对结果进行分析和讨论。
建立了混合电解质溶液相平衡计算的混合整数非线性规划模型，并提出了求解该模型的遗传算法。首先，基于吉布斯自由能最小化原理，通过对液相和固相析出盐类进行编码，建立电解质体系相平衡计算模型，将相平衡计算问题转化为约束优化问题。其次，采用遗传算法求解，对优化变量采用动态边界可行域编码方法和序贯收敛技术，保证算法的有效执行，从而实现固液平衡计算，得到析出晶体数量、盐类、固体量和液相组成；最后，对各种系统的计算结果表明了该方法的可行性和有效性。
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