北京化工大学2013-2014学年《化工热力学》期末试卷(共7页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上北京化工大学20132014学年第一学期化工热力学期末考试试卷(参考答案附评分标准)课程代码CHE33500T班级： 姓名： 学号： 任课教师： 分数：题号一二三四五六总分得分一、（2´7=14分）正误题（正确的画，错误的画×，标在 中） × 方程dH=TdS+VdP仅能用于可逆过程。 × 对于理想溶液，混合过程的所有性质变化均为零。 理想气体经绝热压缩后再冷却至初始温度，即使该过程不可逆，其取走的热量也等于压缩机所做的功（忽略流体动能与位能的变化）。 × 混合物中组分的逸度系数值与其标准态的选取有关。 理想气体的混合

2、物是理想溶液，符合Lewis-Randall规则。 无论液态水的温度高于或低于环境温度，其值都大于零。 化学反应平衡常数K与压力无关。注 用 表示正确者暂不扣分二、（5´3=15分）简答题（简明扼要，写在以下空白处）1. 在热力学中为何要引入混合规则？列出两种常见的混合规则。【解】将混合物视为虚拟纯物质，就可以沿用纯物质的状态方程，而其虚拟参数与组成有关，需要通过混合规则实现。（点出虚拟纯物质，语意通顺者给3分）常见的混合规则如：，（每项给1分，可不限于上述形式，为组成和纯物质参数的函数即可。答Kay规则中方程亦可。）2. 下图示意了纯组分体系沿等压线发生汽液相变时的V-T图，试画出

3、对应的G-T示意图，注意斜率的正负与相对大小，并说明你的根据。【解】图形正确并标出如下特征者给5分（特点1给1分，2-3各2分，未正确说明根据者扣1-2分；未标出特点4者不扣分，）：1. 沸点处G相等, （Gl=Gv）2. G对T的斜率为负，（）3. G对T的斜率气相较液相更陡, （在沸点处有：）4. G曲线为凸, （） TV液相汽相TbTG液相汽相Tb3. 绘制具有最低共沸压力的二元体系的汽液平衡T-x-y相图。注意标出汽相区和液相区，并说明该体系相对拉乌尔定律具有正偏差还是负偏差？Tx1,y1T,y1T,x1liqvap【解】因体系具有最低共沸压力，体系压力低于对应理想溶液的压力，因此为负

4、偏差。（2分，未说明原因者暂不扣分）正确绘图给3分。画成最低共沸温度或p-x-y图（但图形正确）者扣2分。未标注坐标、汽液区域、泡点/露点线者酌情扣不超过1分。三、（20分）分析计算题如下图所示的海水淡化装置，整个系统由等熵效率为75%的压缩机提供动力；忽略热交换器的热损失，而每生产1kg纯水，蒸发器热损失为1.7kJ.现已知图示各状态点的数据如下：点状态盐, 质量TPbar流率mkg/sHkJ/kgSkJ/kg/K1液体3.452512.071599.650.33422液体3.4593.8612.0715376.61.16893饱和液体6.67100.711.0715388.11.20104

5、液体6.6738.411.0715146.20.46185蒸汽0100.7112677.67.36556蒸汽0159.21.612790.47.43197饱和液体0113.31.61475.41.45508液体038.41.61160.90.55041) 在T-S图上示意5à6à7à8的过程线，并标出5、6、7和8各状态点在图中的位置.2) 写出整个系统的平衡方程，并判断那些设备存在损失？3）计算生产1kg纯水总的损失，以及整个过程的目的效率.（环境温度298.15K）【解】1) (10分) 状态5-8均为纯水，因此对应水的T-S图：6、7、8状态点各2分，5状态

6、点3分（详后），6à7过程1分；示意图不要求数值比例，但各点温度和熵的相对大小和饱和关系要正确示出。5à6为熵增加，因此S6>S5，标成等熵或熵减小者扣1分；7为饱和液体，明显偏离者不给分；8十分接近饱和液体，标在饱和液相处不扣分。题中状态点5是对应盐水的饱和蒸汽，对纯水应过热0.7，因此该点不应落在饱和线上，正确示出状态5这一特点并说明理由者给3分，标在饱和线上或未作任何说明者给2分。2) (6分) 取整个系统作为控制体积，据题意知压缩机有功输入，蒸发器有热损失，则其平衡方程为：m11 - m44 - m88 - (1-T0/T)|Q| + |Ws| - mIint

7、 = 0（项目2分，正负号1分，部分错误扣1分。未加绝对值者暂不扣分。正确写出一般化平衡方程未针对本系统展开者给2分。）只有等熵过程才没有损失，显然该系统中三个设备都有损失。（3*1分）STT5T7T6T85678P=1 barP=1.6 bar3) (4分) 对蒸发器，为便于分析，选则控制体积的界面，使得其为温度为T0，即散热在环境温度下进行，T=T0, 根据上述平衡方程得：mIint = |Ws| + (m11 - m44 - m88)根据的定义 = H-H0-T0(S-S0) = H-T0S - (H0-T0S0)一旦选定环境，(H0-T0S0)为常数，结合质量平衡方程m1 - m4 -

8、 m8 = 0得：(m11 - m44 - m88) = m1(H1-T0S1) - m4(H4-T0S4) - m8(H8-T0S8) = 2.0715*0.00827-1.0715*8.5143-1*(-3.20176)= -5.904 kW（1分）该值为负说明海水淡化后值升高，故实现该过程需要从外界输入功，其极小值即为理想功，即5.9 kW.以压缩机为控制体积可计算功：|Ws| = m6H6 - m5H5 = 1*(2790.4-2677.6) = 112.8 kW（1分）则mIint = 112.8 - 5.9 = 106.9 kW（1分）该过程目的为海水淡化，输入为压缩机的功，因此目

9、的效率为obj = 5.9/112.8 = 5.2% （1分）四、（15分）计算题选择适宜的普遍化关联式，计算二氧化碳在0 ，2.95 MPa时的剩余焓.【解】查附表B1得二氧化碳的临界参数：Tc = 304.2 K, Pc = 7.376 MPa, = 0.225据题意计算出对比量：Tr = 273.15/304.2 = 0.8979 0.9, Pr = 2.95/7.376 = 0.3999 0.4 （2*2分）根据图2/7-1判断适合用LK关联式计算，查附表B3得：(HR)0/RTc = -0.597, (HR)1/RTc = -0.751, （2*3分）则：HR/RTc = -0.59

10、7+0.225*(-0.751) = -0.765 （3分）HR = -0.765*8.31415*304.2/1000 = -1.935 kJ/mol （2分）计算过程与数值结果（数值差异5%以内）全对，步骤过于简化者扣2分。若数值结果不正确，按步骤给分，过程全对者扣2分。若用普遍化维里方程和RK计算，结果分别为-1.523和-1.460 kJ/mol，得到正确数值者，暂不扣分，数值不正确者，酌情扣1-5分。）五、（20分）计算题对摩尔比为1:1的正丁烷-乙烷二元体系，试用下列方法计算340 K和1.7 MPa下正丁烷的相平衡比（K值）：1) 假设液相为理想溶液，汽相为理想气体.2) 假设液

11、相和汽相均为理想溶液，纯组元逸度采用普遍化方法求解.3) 使用De Priester列线图.假如系统由摩尔比为1:1的正丁烷-甲烷组成，其K值是否改变？对新系统用上述方法计算的K值是否改变？请加以解释.（已知正丁烷在340 K的饱和蒸汽压为0.7520 MPa）【解】相平衡条件逸度相等有: , 这里以纯液相为标准态，其逸度（忽略压力对纯液相逸度的影响，即Poynting因子=1）则相平衡比 (1) 1) (3分)根据题意上式活度系数与逸度系数均为1，有=0.44232) (9分)根据题意：, , 因此 查附表B1得正丁烷的临界参数：Tc = 425.2 K, Pc = 3.799 MPa, =

12、 0.193Tr = 340/425.2 = 0.7996, Pr = 1.7/3.799 = 0.4475, Prsat = 0.7520/3.799 = 0.1979. (3*1分)可采用普遍化维里方程计算上述两个汽相状态的逸度系数：B只是温度的函数：B0 = 0.083-0.422/Tr1.6 = -0.5205B1 = 0.139-0.172/Tr4.2 = -0.3010B0 + B1 = -0.5786对状态 (Tr,Pr)lnv = Pr/Tr*(B0+B1) = 0.4475/0.7996*(-0.5786)=-0.3238v = 0.7234 (2分)状态 (Tr,Prsat

13、)sat = exp(0. 1979/0.7996*(-0.5786) = 0.8666 (2分)故 Ki = 0.8666/0.7234*0.4423 = 0.530 (2分)对状态(Tr,Prsat)的饱和汽相也可采用LK关联式计算逸度系数，查附表B3得：0 = 0.8730, 1 = 0.9057, sat = 0.8565但对状态(Tr,Pr)因为压力超过饱和蒸汽压，通过LK关联或三次型方程无法计算v（汽相的逸度系数），查附表B3得到的其实为L0 = 0.5021, 1 = 0.3269, L =0(1)= 0.4047Ki=0.8565/0.4047*0.4423 = 0.936 (

14、不正确)用LK关联计算者，没有考虑到上述汽相不存在情况者暂不扣分3) (4分) 直接查图7/3-2得：Ki = 0.51(4分)式(1)中和均与混合物的种类和组成有关，因此若系统中乙烷换做甲烷，正丁烷的Ki值会发生改变。但上述三种计算方法得到的Ki值不变，因为它们都采用了简化，尽管近似程度不同，但均将液相和汽相都简化为理想混合物，因此计算结果与混合物的种类无关。六、（16分）计算题由一氧化碳加氢制取甲醇的反应在400 K和1 atm下进行：CO(g)+2H2(g)àCH3OH(g)经分析从反应器得到的平衡气相产品中H2的摩尔组成为40%.1) 假设为该系统可视为理想气体，试确定平衡产物中CO和CH3OH的组成.2) 若反应在500 K和1 atm下进行，起始物料与1)中相同，问平衡产物中H2的组成大于还是小于40%？为什么？已知该反应在400 K下的平衡常数为1.52，反应的标准生成焓为-94.47 kJ/mol.【解】1) 记CO、H2和CH3OH分别为组分1-3，对于理想气体，反应平衡方程为：, 由题意: y2=0