奥鹏教育中国石油大学16秋考试--《化工热力学》

1、中国石油大学（北京）远程教育学院期末考核 化工热力学 学习中心： 姓名： 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.

2、46 倍，临界温度为 91.8 ，临界压力为 4.6Mpa，爆炸极限为 2.011 （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;p c=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R-K 方程：RTav b T 0.5v v ba 0.

3、42748R2Tc2.50.42748 8.3146 364.92.5pc4.6 10616.3409 m6 ? Pa ? K 0.5 ?mol 20.08664RTc 0.08664 8.3146 364.9 bpc4.6 1065.7145 10 5 m3 ?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 （）-40-30-20-1001020304050温度（ K）233243253263273283293303313323压 力 P(1*10 -1 MPa)1.41962.12483.06314.31345.84857.

4、786810.179113.082116.523120.5680摩 尔 体 积 v(1*10 -5m3/mol)54560.92826948.03219520.91214403.98410810.3528235.0566354.0806354.0804952.8163879.776R-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 （）-40-30-20-1001020304050压力 （ atm ）1.4012.0973.0234.2575.7727.68510.04612.91116.30720.299体积（ mL/g）1296664044639342325691957151015

5、101177922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，

6、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

7、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

8、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

9、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（S 1-S 4）qk=Tk(S2-S3)=Tk(S1-S4)w0=qk-q 0=Tk(S 1-S 4)-T 0(S 1-S 4)=(T k-T 0)(S 1-S4) 则逆卡诺循环制冷系数 k 为： k = w0/ qk=(T k-T 0) / 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T 0 和热源(即环境介质)的温度 T k；降低 T k，提高 T0 ，均可提高制冷系 数。此外，由

10、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

11、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 t 0，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

12、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

13、质中制取的冷量称为单位质量制冷量，用q0表示。q0=h1- h4=r 0（ 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 ）； r 0?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)qv qv0 h1v

14、h4v1 v1式中 qv?单位容积制冷量（ kJ/m 3）；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 ）；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。1-4）式中qk?单位冷凝热负荷（ kJ/kg ）；qk=（ h2- h2）+（ h2- h3）=h2- h3h2?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