答案-22秋中国石油大学（北京）在线考试《化工热力学》（主观题）之一

中国石油大学（北京）网络与继续教育学院期末考试《化工热力学》学习中心：_______姓名：________学号：_______---答案附后---题型论述题，6题(请学生运用所学的化工热力学知识，从给定的6个题目中选择至少4个题目进行论述)，满分共100分二、题目教材中给出了众多的状态方程，请写出三个常用的立方形状态方程，并对它们的特点进行比较和评述。（25分）在温熵图上绘制朗肯循环示意图，并简述朗肯循环的四个可逆过程。（25分）试阐述理想溶液定律的物理内涵；由理想溶液定律衍生出来的两种标准态是什么？选则标准态的原则是什么？组分逸度系数和活度系数中哪个的取值和标准态的选择有关？（25分）写出所学的活度系数模型的名称，并对它们的特点进行比较和评述；其中那些模型可用于液-液部分互溶体系？（25分）通过实验测定了一系列的相平衡数据，请给出判定该数据有无大的错误的方法，要求有详细的方法、步骤、结论。（25分）知识点提示：利用吉布斯-杜亥姆方程进行讨论。简要叙述汽液平衡、液液平衡、气液平衡的工业应用背景。（25分）三、要求首先给出分析这一问题的化工热力学基础知识对问题进行详细的分析字数不少于2000字或者篇幅不少于2页写出你所应用的文献的出处---答案附后---见下一页答案区：中国石油大学（北京）网络与继续教育学院期末考试《化工热力学》学习中心：_______姓名：________学号：_______一、题型1、论述题，6题(请学生运用所学的化工热力学知识，从给定的6个题目中选择至少4个题目进行论述)，满分共100分二、题目1、教材中给出了众多的状态方程，请写出三个常用的立方形状态方程，并对它们的特点进行比较和评述。（25分）2、在温熵图上绘制朗肯循环示意图，并简述朗肯循环的四个可逆过程。（25分）答：朗肯循环的工作过程如下：

3-4过程：在水泵中水被压缩升压，过程中流经水泵的流量较大，水泵向周围的散热量折合到单位质量工质，可以忽略，因而3一4过程简化为可逆绝热压缩过程，即等熵压缩过程。

4-1过程：水在锅炉中被加热的过程本来是在外部火焰与工质之间有较大温差的条件下进行的，而且不可避免地工质会有压力损失，是一个不可逆加热过程。1-2过程：蒸汽在汽轮机中膨胀过程也因其流量大、散热量相对较小，当不考虑摩擦等不可逆因素时，简化为可逆绝热膨胀过程，即等熵膨胀过程。

2-3过程：蒸汽在冷凝器中被冷却成饱和水，同样将不可逆温差传热因素放于系统之外来考虑，简化为可逆定压冷却过程。因过程在饱和区内进行，此过程也是定温过程。

工作运行参数对朗肯循环效率的影响：

在朗肯循环中，表征朗肯循环特性的循环特性参数分别为从蒸发器输出的过热蒸汽的状态所确定的蒸发压力和蒸发温度以及冷凝器中冷凝状态所确定的冷凝压力。

在蒸发与冷凝压力一定时，提高工质的蒸发器出口温度可使系统热效率增大。这是由于当蒸发温度由1提高到1'点时，平均吸热温度随之提高，使得循环温差增大，从而提高循环热效率。另外，循环工质在膨胀终点的干度随着蒸发温度的提高而增大，而干度的增大有利于提高膨胀机械的性能，并延长其使用寿命。

但蒸发温度的提高是有限的：一方面受到设备材料的耐热性能的限制。一般蒸发器的壳程为高温气，管程为工质蒸汽，壁面温度必定高于蒸汽温度，壁面材料能承受的温度限制着蒸发温度的选取；另一方面，提高蒸发温度可能使工质在膨胀终点处于过热状态，此时膨胀后的工质蒸汽仍具有较高的能量未被充分利用，反而会增加冷凝器的热负荷。3、试阐述理想溶液定律的物理内涵；由理想溶液定律衍生出来的两种标准态是什么？选则标准态的原则是什么？组分逸度系数和活度系数中哪个的取值和标准态的选择有关？（25分）答：定义是溶液中的任一组分在全部浓度范围内都符合拉乌尔定律的溶液。理想溶液忽略不计分子、离子及其他微小质点相互作用影响的一种溶液。即认为溶质与溶剂混合成为溶液时，既不放热，也不吸热，溶液体积恰为溶质和溶剂的体积之和。理想溶液是人们假设的溶液，以简化化学计算。为了便于计算各种系统的热力学函数而规定的某些特定状态。由于热力学方法的特点,人们常选某一状态为标准态(也即基态)

,规定了该状态下的值后可求得另一状态下热力学函数的相对值。为能交流和积累实验数据,在各学科领域人们对选择标准态需有一个共识,且不随时间的推移而随意改变。各冶金反应的标准吉布斯自由能变化，即是按国际上共同认可的标准态确定的,所以它们才具有加和性。活度就是某一状态下的化学位和标准态化学位的差值的反映。

人们统一选用的热力学标准态为:压力为1

atm、任意给定温度的纯固体、纯液体或具有理想气体特性的纯气体。鉴于SI

制中不主张使用atm作为压力单位,所以在热力学计算中,现以两种方式处理之一，是唯一在热力学范围内保留atm

作为制外单位,以确保标准状态下压力的对数值为0

;另一个是采用以1

atm

为基准的无量纲压力表示法。

当反应涉及高压气体时,气体组元不能直接用分压表示,而要用逸度来修正分压,这里同样存在使用“无量纲压力”的问题。顺便指出,也有取Pθ

=

0.1

MPa。冶金反应多在常压下进行,真空冶金更涉及低压状态,冶金组元的分压都很低,这时取Pθ

=

0.1

MPa

可能会产生较大的误差。对此应予注意

。该基准状态的化学势应为一个常数各因素对化学势的影响均归入相对于基准状态的偏离的表述部分。这样就得到一个简洁的表达式，以比较不同的状态。

因此可以这样描述标准态:标准态是一个用作基准的状态,具有简单明确的意义,以此为基础,加上某一状态对其的偏离,即为某一状态。上述的/简单明确0可理解为诸如/一个标准大气压日具有理想气体之行为0的意思。4、写出所学的活度系数模型的名称，并对它们的特点进行比较和评述；其中那些模型可用于液-液部分互溶体系？（25分）分子模型：非电解溶液的关联模型

诸如

van

Laar

和

Scatchard-Hildebrand

等早期活度系数模型是建立在相同的假设和正规溶液理论基础之上的

假设过剩熵和过剩摩尔体积为零

并且不相似的相互作用

采用London

几何平均规则

二元参数是由纯组分性质估计的

van

Laar

模型是唯一可用的关联式模型

Scatchard-Hildebrands

模型可以由非极性混合物溶解性参数预测其相互作用参数但这两种模型只能预测相对

Raoultˊs

法则的正偏离后缀

Margules

和

Redlich-Kistor

活度系数模型是灵活的算术表达式，局部组成模型非常灵活

并且其各种参数有很多物理意义

这些模型假设液体溶液是根据不同分子间的相互作用能量进行排序wilson

模型适用于许多类型的非理想溶液

但不能模拟液-液分离

NRTL和

UNIQUAC

模型可以描述

VLE

LLE以及高度非理想系统的焓行为

WILSON

NRTL和

UNIQUAC

模型很令人接受

并在正规溶液基础上用于模拟低压下的非理想系统基团贡献模型：非电解溶液的预测模型UNIFAC

活度系数模型是

UNIQUAC

模型的一个扩展模型

它把

UNIQUAC

用于分子的理论用于了官能团

有限个数的官能团足可以组成无限个不同的分子

与纯组分库中可能需要的组分

500

至

2000

个组分

间交互作用参数的个数相比

可能需要的基团交互作用参数的个数很少

由一个有限的

精选的实验数据集确定的基团间交互作用参数足以能够预测几乎任何组分对间的活度系数

UNIFAC

可用于预测

VLE

的活度系数

对于

LLE

必须使用一个不同的数据集

由活度系数得到混合物的焓是不准确的

UNIFAC

模型已经被

丹麦

Lyngby

理工大学修改

修改内容包括一个改进了的熵组合项，并使得基团间交互作用参数与温度相关

在

ASPEN

PLUS

中有三种

UNIFAC

模型，

该模型可以用于

VLE

LLE和焓的计算，

另一个

UNIFAC

的修改模型是来自于

德国Dortmund

大学

该修改模型类似于

Lyngby

的修改模型，

但它还可预测无限稀释液体的活度系数电解质模型：电解质活度系数模型在电解质溶液中

各种相互作用及现象比非电解溶液多

除了分子之间的物理和化学作用外

，还存在离子反应及离子间相互作用

。

电解质NRTL模型用于描述最大为6摩尔浓度的电解质水溶液。这个模型计算气体溶解度

可以获得极好的结果

但需要大量的参数。电解质

NRTL模型是分子

NRTL模型的扩展它能够模拟任何强度的电解质溶液

并适用于具有多溶剂和溶解气体的溶液

这个模型的灵活性使其非常适用于中压和低压体系

。对于这两个模型

已经开发出重要工业应用的电解参数数据库和数据包。如果得不到参数

请使用数据回归或

Bromlty-Pitzer

活度系数模型

，Bromley-

Pitzer

活度系数模型是

Pitzer

模型的一个简化模型采用一个关联式计算交互作用参数，

这个模型的精确度有限

但具有预测性5、通过实验测定了一系列的相平衡数据，请给出判定该数据有无大的错误的方法，要求有详细的方法、步骤、结论。（25分）知识点提示：利用吉布斯-杜亥姆方程进行讨论。6、简要叙述汽液平衡、液液平衡、气液平衡的工业应用背景。（25分）答：液平衡数据是化学工业发展新产品、开发新工艺、减少能耗、进行三废处理的重要基础数据之一。

化工生产中的蒸馏和吸收等分离过程设备的改造与设计、挖潜与革新以及对最佳工艺条件的选择，都需要精确可靠的气液平衡数据。这是因为化工生产过程都要涉及相间的物质传递，故这种数据的重要性是显而易见的。平衡数据实验测定方法有两类，即间接法和直接法。直接法中又有静态法、流动法和循环法等。其中循环法应用最为广泛。若要测得准确的气液