化工热力学应用及计算考试试题

五、化工热力学应用及计算题

1、已知50Kg的丙烷气体，需要在137℃、5Mpa的条件下贮存。欲设计一个压力容器，请提供该容器的体积设计参数。请分别据两种方法进行计算：

（1） 普遍化三参数压缩子法 （2） 真实气体状态方程法 设丙烷符合R-K方程P?RTa?0.5 ??bT?(??b)说明：答题时只需给出解题的步骤和方法，不必给出具体结果。

注意：公式中每一参量必须作出说明：根据已给条件，直接代入公式中每一参

量的具体数值和单位必须作出说明，而在计算时已知条件不足的均须自

行补充说明（其中a和b不必列出公式）。否则相应步骤的得分值为0。

解：（1）普遍化三参数压缩因子法：（共6分） （1分）

Pr?PPcTr?TTc?（1分）查压缩因子表得Z0和Z1

01（1分）?Z?Z???Z

8.314T（1分）?P??ZRT???Z （1分）如P、T、υ量纲不正确，则

?丙烷P扣1分

3如果T量纲为[K] ，P量纲为[pa] 则υ量纲为[m/g]； 3如果T量纲为[K] ，P量纲为[Kpa] 则υ量纲为[m/Kg]。

33（1分）?V?m??50?(m) （υ量纲为[m/Kg]）

（2）真实气体状态方程法：（共7分） （4×1=4分）P?RTa8.314?0.5KJ/(kg.K) 已知R???bT?(??b)?丙烷T?410K

2.5

p?5?103kpa（1分）而

a?f(R,TC,PC)或a?0.42748R2Tc须查取丙烷的临界参数

/Pcb?f(R,TC,PC)或b?0.0864R?Tc/Pc

（1分）据P?RTa3?0.5，经试差计算得υ（m/Kg）， ??bT?(??b)1

33（1分）?V?m??50?(m) （υ量纲为[m/Kg]）

2、某纯物质B由1 .013Mpa，453K的饱和蒸汽变为4 .052Mpa，653K的过热蒸汽。（1）试设计以偏离函数为基础的计算过程△H的路径框图，并写出各步骤的计算过程的焓变及△H总表达式；列出所用到的主要公式，不需算出最后结果。（2）简要说明计算过程△H为何要引入偏离函数的概念。

（假设已知理想气体的Cp= a+bT+cT2，偏离焓HR）。 解：（1）共9分 ?H=? B过热蒸汽 B 饱和蒸汽4 .052Mpa，653K 1 .013Mpa，453K -H1R H2R B过热蒸汽(理气) B饱和蒸汽(理气) ?H* 1 .013Mpa，453K 4 .052Mpa，653K 4分

RR?H??H1??H*?H2 2分

653653 ?H??HT??HP?0?*24532CdT?(A?BT?CT)dT?P?453

（2）共4分

P2 653?V如据 ?H?CPdT?[V?T()p]dP计算，一方面：对于真实流体特别

?T453P 11?(AT?0.5BT?CT3)|6534533

1+1+1=3分

??是新开发的物系，其热容往往比较缺乏；另一方面真实流体的状态方程比较复杂，即计算较繁琐、工作量大。基于此，则工程中计算过程△H可引入剩余性质的概念，计算较简单、方便。 1+2+1=4分

六、应用及计算题（39分） 每题13分

1、有两股压力分别是12.0 MPa和1.5 Mpa的饱和蒸汽。

(1)如用于作功，经稳流过程变成25℃的饱和水，求Wid(To=298K) 。 (2)如用作加热介质，经换热器后变成25℃的饱和水，求换热量Q 。 对计算结果作综合分析，在化工设计和生产过程中如何合理地使用这两股蒸汽？

已知：各状态点一些热力学参数，见表1。

2

状态点 1 2 3 表1. 装置各状态点一些热力学参数 t／℃ P／MPa 状态 H／kJ·kg-1 S／kJ·kg-1·k-1 324.8 198.3 25 12 1.5 饱和蒸汽 饱和蒸汽 2684.9 2792.2 104.89 5．4924 6．4448 0．3674 0.008169 饱和水

解：1.（1） 3+1×2=5分 Wid??H?T0?SWid,1?(104.89?2684.9)?298?(0.3674?5.4924)??1052.8KJ/Kg Wid,2?(104.89?2792.2)?298?(0.3674?6.4448)??876.3KJ/Kg（2） 3+1×2=5分

Q??HQ1?(104.89?2684.9)??2580.1.8KJ/Kg Q2?(104.89?2792.2)??2687.3KJ/Kg(3) 高压蒸汽的作功本领比低压蒸汽强。高压蒸汽的加热能力比低压蒸汽弱，因此用低压蒸汽作为工艺加热最恰当，并可减少设备费用。 1.5+1.5=3分

八、简答题

1．写出①稳定流动系统热力学第一定律的一般形式；②当流体流经泵和③流经换热器时系统热力学第一定律的简化形式。、

1答：稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：?H??u2?g?z?Q?Ws

2(1) 流体流经换热器传质设备

Ws=0；另外，考虑动能项和势能项与焓变之间的数量级差别，动能项和势能

1项可以忽略，即?u2?0，g?z?0；因此，稳流系统热力学第一定律可化简为：

2?H?Q

流体流经泵、压缩机、透平等设备

在数量级的角度上，动能项和势能项不能与焓变相比较，可以忽略，即

12?u?0，g?z?0；即：?H?Q?Ws 2 若这些设备可视为与环境绝热，或传热量与所做功的数值相

比可忽略不计，那么进一步可化简为：?H?Ws

2．完成相平衡体系求解过程框图。假设体系为部分理想系，已知总压及液相各

3

组成，求该体系温度及汽相组成(ξ为某一有限小数)。

?V? 1 ，??S? 1 解：组分i在汽相分逸度系数?ii 已知P，xi 假设： T 计算： Pis 计算： yi 公式：yi??i ?i?xi?PisP 八、计算题

No，重新调整 T ?yi?1?? 输出T，yi

1．（ 10分） 6.0MPa，400℃的过热蒸汽（H1=3174 kJ·kg-1，S1=6.535 kJ·kg-1·K-1）在稳流过程中经透平膨胀到0.004MPa、干度x=0.9。（已知0.004 MPa下Hg=2554 kJ·kg-1，Sg=8.4808 kJ·kg-1·K-1，HL=120 kJ·kg-1，SL=0.4177 kJ·kg-1·K-1）。T0=298K。

（1）如该透平是绝热的，求该过程的Wid、Ws、WL及热力学效率η 。 （2）如该透平的热损失为5 kJ·kg-1汽 终态不变。求该过程的Wid、Ws、WL及热力学效率η 。

解：（1）H2?HL?(1?x)?Hg?x?120?0.1?2554?0.9?2310.6KJ?Kg?1

S2?SL?(1?x)?Sg?x?0.4177?0.1?8.4808?0.9?7.6745KJ?Kg?1?K?1 Q?0 ?St??S体＝S2-S1＝7.6745?6.535＝1.1395KJ?Kg?1?K?1

Ws＝?H＝2310.6?3174＝?863.4KJ?Kg?1

Wid??H?T0??St＝（2310.6?3174）?298?1.1395＝?1203KJ?Kg?1 WL?T0??St?298?1.1395?339.6KJ?Kg?1

Ws863.4??100%?71.8% Wid1203Q5＝0.0168KJ?Kg?1?K?1 （2）?S环?环＝T0298???St??S体??S环＝1.1395?0.0168＝1.1563KJ?Kg?1?K?1

Ws＝?H-Q＝?863.4?5??858.4KJ?Kg?1 WL?T0??St?298?1.1563?344.6KJ?Kg?1

4

Wid?＝?1203KJ?Kg?1

??Ws858.4??100%?71.4% Wid1203九．计算题

1. 今有压力为10Mpa、温度400℃的过热蒸汽，经汽轮机绝热膨胀，乏气为

0.2 Mpa 的饱和蒸汽，蒸汽有关数据为：

状态 H S

KJ/Kg KJ/Kg·K

10Mpa、400℃过热蒸汽 3093 6.207

0.2Mpa饱和蒸汽

2707

7.127

① 试计算上述过程产生的轴功Ws； ② 过程的火用 和火无的变化值?Ex、?AN； ③ 过程的理想功Wid和损耗功WL。

上述计算以1Kg蒸汽为基准，环境温度T0?298K。 1. 解：

① 绝热 Q=0, WS=-△H Ws?H1?H2?3093?2707?386KJ/Kg

② ?Ex??H?T0?S＝（2707-3093）-298×（7.127-6.207）＝-660.16kJ/Kg ③ ?AN?T0?S?274.16KJ/Kg

④ ?Ex??Wid ?Wid?660.16KJ/Kg∵绝热 ∴△Ssur=0 则 WL=△AN,t=T0△Ssys=274.16kJ/Kg

十、计算分析题

1 某工厂采用氨压缩制冷，制冷能力Q0=200000 kJ·h-1，操作条件如右图，且已知：

H1=1661 kJ·kg-1， H2=1890 kJ·kg-1， H4=560 kJ·kg-1， H5=535 kJ·kg-1

求：（1）制冷剂循环量（kJ·h-1）；

（2）压缩机消耗功率（kW）； （3）该循环的制冷系数；

5

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