化工熱力學(xué)919110董鵬程

1、中國石油大學(xué)（北京）遠(yuǎn)程教育學(xué)院期 末 考 核 化工熱力學(xué) 1. 教材中給出了眾多的狀態(tài)方程，請(qǐng)根據(jù)本人的工作或者生活選擇一個(gè)體系、選擇一個(gè)狀態(tài)方程、對(duì)其PVT關(guān)系的計(jì)算準(zhǔn)確度進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)的方向和意見。丙烯的PVT狀態(tài)分析近期我正在上海焦化廠甲醇車間進(jìn)行培訓(xùn)，在甲醇凈化工段丙烯為利用最多的制冷劑，在學(xué)習(xí)丙烯壓縮工段的同時(shí)對(duì)丙烯的物化性質(zhì)也有了深入了解。丙烯的理化學(xué)性質(zhì)：丙烯是一種無色略帶甜味的易燃?xì)怏w，分子式為CH3CH CH2，分子量為42.08，沸點(diǎn)-47.7，熔點(diǎn)為-185.25，其密度為空氣的1.46倍，臨界溫度為91.8，臨界壓力為4.6Mpa，爆炸極限為2.011（vol）

2、,閃點(diǎn)為-108，（因此，丙烯在貯藏時(shí)要特別小心，如果發(fā)生泄漏，因?yàn)樗瓤諝庵?，積聚在低洼處及地溝中，如在流動(dòng)過程中遇到火星，則極易引起爆炸，釀成嚴(yán)重后果）。選擇用R-K狀態(tài)方程計(jì)算對(duì)液態(tài)丙烯的PVT關(guān)系計(jì)算準(zhǔn)確度進(jìn)行分析，從化工熱力學(xué)、陳光進(jìn)等編著中查得丙烯的臨界數(shù)據(jù)為Tc 364.9K;pc 46.0*10-1MPa,下面是上海焦化廠給定的丙烯性質(zhì)數(shù)據(jù)。溫度 （） -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 壓力 （atm） 1.401 2.097 3.023 4.257 5.772 7.685 10.046 12.911 16.307 20.299 體積（mL/g）

3、 12966 6404 4639 3423 2569 1957 1510 1510 1177 922 為了計(jì)算方便，用excel換算和簡單計(jì)算得到新的數(shù)據(jù)如下: 溫度 （） -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 溫度（K） 233 243 253 263 273 283 293 303 313 323 壓力P （1*10-1MPa） 1.4196 2.1248 3.0631 4.3134 5.8485 7.7868 10.1791 13.0821 16.5231 20.5680 摩爾體積v 1*10-5m3/mol 54560.928 26948.032 19520

4、.912 14403.984 10810.352 8235.056 6354.080 6354.080 4952.816 3879.776 R-K方程：由上表又知道摩爾體積v，故根據(jù)R-K方程，用excel可分別計(jì)算得到各溫度下的壓力值P1：溫度 （） -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 壓力P （1*10-1MPa） 1.4196 2.1248 3.0631 4.3134 5.8485 7.7868 10.1791 13.0821 16.5231 20.5680 計(jì)算壓力P1 1*10-1MPa 1.0288 2.1706 3.1182 4.3903 6.067

5、9 8.2505 11.0602 11.4412 15.1467 19.9288 通過計(jì)算和上圖的數(shù)據(jù)對(duì)比，可得結(jié)論：利用上海焦化廠給定丙烯性質(zhì)數(shù)值，代入v值，用R-K方程計(jì)算所得的壓力值P1與給定的P值偏差很小。即對(duì)于氣態(tài)丙烯，利用R-K狀態(tài)方程計(jì)算其PVT關(guān)系式很可靠的。制冷流程簡述： 從Recfisol來的丙烯氣體與丙烯過冷器殼側(cè)排出的氣體混合，壓力為0.13Mpa，溫度為-40，進(jìn)入壓縮機(jī)入口分離器飽和并計(jì)量后，氣體壓力為0.12Mpa溫度為-40進(jìn)入，丙烯壓縮機(jī)一段，由閃蒸罐出來的丙烯閃蒸汽壓力為0.525Mpa溫度為-5.5，進(jìn)入丙烯壓縮機(jī)的中段，兩股氣體均被壓縮到1.9Mpa，1

6、02排出，壓縮后的氣體被丙烯冷凝器冷凝，液體丙烯進(jìn)入丙烯貯槽，壓力為1.85Mpa溫度為45，為防丙烯壓縮機(jī)喘振，在丙烯機(jī)氣體排出口有一回到入口分離器回路管線補(bǔ)充氣量之不足。從丙烯貯槽出來的液體丙烯進(jìn)入閃蒸槽，閃蒸氣進(jìn)入丙烯機(jī)中段，從丙烯壓縮機(jī)出口處引一管線為防喘振二段回路。液體丙烯壓力0.525Mpa溫度為-5.5，從閃蒸槽底部引出來，一路進(jìn)入壓縮機(jī)入口分離器，通過液位調(diào)節(jié)以補(bǔ)充進(jìn)口丙烯氣流量，另一路進(jìn)丙烯深冷器，通過自身丙烯閃蒸以降低溫度，殼側(cè)丙烯氣與Recfisol來的會(huì)合，從管程中來的液體通過旁路進(jìn)一步調(diào)節(jié)溫度至-20，壓力為0.485Mpa，離開系統(tǒng)進(jìn)Recfisol，以提供低溫甲醇

7、洗所需冷量。為防止丙烯中微量水份在閃蒸過程中凍結(jié)，還需向系統(tǒng)注入少量甲醇，甲醇的噴淋是通過計(jì)量泵出口甲醇與丙烯貯槽到閃蒸槽的液體丙烯大小，調(diào)節(jié)噴淋混合來完成的。由于丙烯易燃易爆，因此，在設(shè)備維修前后都必須用N2置換丙烯，然后用空氣置換N2，開車時(shí)先用N2置換空氣，再用丙烯置換N2。 2. 根據(jù)功熱轉(zhuǎn)換的原理，選擇一個(gè)體系或者工況進(jìn)行節(jié)能過程分析。要求給出詳細(xì)的計(jì)算步驟和過程分析?？照{(diào)制冷原理逆卡諾循環(huán)逆卡諾循環(huán)理想制冷循環(huán) 它由兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)絕熱過程組成。假設(shè)低溫?zé)嵩矗幢焕鋮s介質(zhì)）的溫度為T0，高溫?zé)嵩矗喘h(huán)境）的溫度為Tk, 則工質(zhì)的溫度在吸熱過程中為T0， 在放熱過程中為Tk, 就是

8、說在吸熱和放熱過程中工質(zhì)與冷源及高溫?zé)嵩粗g沒有溫差，即傳熱是在等溫下進(jìn)行的，壓縮和膨脹過程是在沒有任何損失情況下進(jìn)行的。其循環(huán)過程為：首先工質(zhì)在T0下從冷源（即被冷卻介質(zhì)）吸取熱量q0，并進(jìn)行等溫膨脹4-1，然后通過絕熱壓縮1-2，使其溫度由T0升高至環(huán)境介質(zhì)的溫度Tk, 再在Tk下進(jìn)行等溫壓縮2-3，并向環(huán)境介質(zhì)放出熱量qk, 最后再進(jìn)行絕熱膨脹3-4，使其溫度由Tk 降至T0即使工質(zhì)回到初始狀態(tài)4，從而完成一個(gè)循環(huán)。對(duì)于逆卡諾循環(huán)來說， q0 T0 S1-S4） qk Tk S2-S3 Tk S1-S4）w0 qk-q0 Tk S1-S4 -T0 S1-S4 Tk-T0 S1-S4）則逆

9、卡諾循環(huán)制冷系數(shù)k 為：k w0/ qk Tk-T0 / Tk 由上式可見，逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)與工質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)，只取決于冷源（即被冷卻物體）的溫度 T0 和熱源（即環(huán)境介質(zhì)）的溫度 Tk；降低 Tk，提高 T0 ，均可提高制冷系數(shù)。此外，由熱力學(xué)第二定律還可以證明：“在給定的冷源和熱源溫度范圍內(nèi)工作的逆循環(huán)，以逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)為最高”。任何實(shí)際制冷循環(huán)的制冷系數(shù)都小于逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)。制冷系統(tǒng)四大部件蒸氣壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)主要由四大部件組成，即壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流元件和蒸發(fā)器，用不同直徑的管道把它們串接起來，就形成了一個(gè)能使制冷劑循環(huán)流動(dòng)的封閉系統(tǒng)。制冷壓縮機(jī)由原動(dòng)機(jī)如電機(jī)拖動(dòng)而工作，

10、不斷地抽吸蒸發(fā)器中的制冷劑蒸氣，壓縮成高壓（pk）、過熱蒸氣而排出并送入冷凝器，正是由于這一高壓存在，使制冷劑蒸氣在冷凝器中放出熱量，把熱量傳遞給周圍的環(huán)境介質(zhì)，從而使制冷劑蒸氣冷凝成液體，當(dāng)然，制冷劑蒸氣冷凝時(shí)的溫度一定要高于周圍介質(zhì)的溫度。冷凝后的液體仍處于高壓狀態(tài)，流經(jīng)節(jié)流元件進(jìn)入蒸發(fā)器。制冷劑在節(jié)流元件中，從入口端的高壓pk降低到低壓p0，從高溫tk降低到t0，并出現(xiàn)少量液體汽化變?yōu)檎魵狻Ｄ婵ㄖZ循環(huán)理想制冷循環(huán)根據(jù)理論循環(huán)的假設(shè)條件，單級(jí)蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)工作過程，在壓焓圖上的表示如圖所示。圖 理論制冷循環(huán)壓焓圖 1）制冷壓縮機(jī)從蒸發(fā)器吸取蒸發(fā)壓力為p0的飽和制冷劑蒸氣（狀態(tài)點(diǎn)1）

11、，沿等熵線壓縮至冷凝壓力pk（狀態(tài)點(diǎn)2），壓縮過程完成。 2）狀態(tài)點(diǎn)2的高溫高壓制冷劑蒸氣進(jìn)入冷凝器，經(jīng)冷凝器與環(huán)境介質(zhì)空氣或水進(jìn)行熱交換，放出熱量qk后，沿等壓線pk冷卻至飽和蒸氣狀態(tài)點(diǎn)2 ，然后冷凝至飽和液狀態(tài)點(diǎn)3，冷凝過程完成。在冷卻過程（2-2 ）中制冷劑與環(huán)境介質(zhì)有溫差，在冷凝過程（2 -3）中制冷劑與環(huán)境介質(zhì)無溫差。 3）狀態(tài)點(diǎn)3的飽和制冷劑液體經(jīng)節(jié)流元件節(jié)流降壓，沿等焓線（節(jié)流過程中焓值保持不變）由冷凝壓力pk降至蒸發(fā)壓力p0，到達(dá)濕蒸氣狀態(tài)點(diǎn)4，膨脹過程完成。 4）狀態(tài)點(diǎn)4的制冷劑濕蒸氣進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)吸收被冷卻介質(zhì)的熱量沿等壓線p0汽化，到達(dá)飽和蒸氣狀態(tài)點(diǎn)1，蒸發(fā)過程完

12、成。制冷劑的蒸發(fā)溫度與被冷卻介質(zhì)間無溫差。理論循環(huán)的計(jì)算方法1、單位質(zhì)量制冷量 制冷壓縮機(jī)每輸送1kg制冷劑經(jīng)循環(huán)從被冷卻介質(zhì)中制取的冷量稱為單位質(zhì)量制冷量，用q0表示。 q0 h1-h4 r0（1-x4） （1-1）式中 q0 單位質(zhì)量制冷量（kJ/kg）； h1 與吸氣狀態(tài)對(duì)應(yīng)的比焓值（kJ/kg）； h4 節(jié)流后濕蒸氣的比焓值（kJ/kg）； r0 蒸發(fā)溫度下制冷劑的汽化潛熱（kJ/kg）； x4 節(jié)流后氣液兩相制冷劑的干度。單位質(zhì)量制冷量q0在壓焓圖上相當(dāng)于過程線1-4在h軸上的投影（見圖1-2）。 2單位容積制冷量 制冷壓縮機(jī)每吸入1m3制冷劑蒸氣（按吸氣狀態(tài)計(jì)）經(jīng)循環(huán)從被冷卻介質(zhì)中

13、制取的冷量，稱為單位容積制冷量，用qv表示。（1-2）式中qv 單位容積制冷量（kJ/m3）； v1 制冷劑在吸氣狀態(tài)時(shí)的比體積（m3/kg）。 3理論比功 制冷壓縮機(jī)按等熵壓縮時(shí)每壓縮輸送1kg制冷劑蒸氣所消耗的功，稱為理論比功，用w0表示。 w0 h2-h1 （1-3）式中 w0 理論比功（kJ/kg）； h2 壓縮機(jī)排氣狀態(tài)制冷劑的比焓值（kJ/kg）； h1 壓縮機(jī)吸氣狀態(tài)制冷劑的比焓值（kJ/kg）。 4單位冷凝熱負(fù)荷 制冷壓縮機(jī)每輸送1kg制冷劑在冷凝器中放出的熱量，稱為單位冷凝熱負(fù)荷，用qk表示。 qk （h2-h2 ）+（h2 -h3） h2-h3 （1-4）式中 qk 單位冷凝熱負(fù)荷（kJ/kg）； h2 與冷凝壓力對(duì)應(yīng)的干飽和蒸氣狀態(tài)所具有的比焓值（kJ/kg）； h3 與冷凝壓力對(duì)應(yīng)的飽和液狀態(tài)所具有的比焓值（kJ/kg）；在壓焓圖中，qk相當(dāng)于