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化工热力学例题

2023-07-26 来源:尚车旅游网


化工热力学例题

2-1.

试分别用下述三种方法求出、

下甲烷气体的摩尔体积。(a)用理想气体方程;(b)用R-K方程;(c)用维里截断式(2-7)。其中B用皮策的普遍化关联法计算。

解:(1)用理想气体方程:

Vm== =0.00138m3·mol-1

(2)用R—K方程:

查附表1:甲烷的TC=190.6K,PC=4.60MP,ω=0.008 a=

66-20.5

=3.22170×10m·Pa·kmol·K

b==0.029847m3·kmol-1

迭代:将代入得, 反复迭代,迭代三次。

(3)用维里截断式(2—7),B用皮策的普遍化关联法计算:

式(2—7):

2-2.某含有丙烷的的容器具有的耐压

极限。出于安全考虑,规定进容器的丙烷在

温度下,其压力不得超过耐压极限的一半。试求可以充进容器的丙烷为多少千克?已知丙烷的摩尔质量为。 解:(1)用理想气体方程求,

(2)用普遍化R—K方程求, 查附表1:丙烷

迭代求Z:

得:Z=0.9094

2—3试根据 R—K方程(式2-10)导出常数

a、b与临界常数的关系式(式(2-15)和式(2-16))。

由(1)式:

由(2)式:两式相比:

则:

所以:代入

得:

代入R—K方程:

所以:;

2-4 某反应器容积为,内有乙醇蒸汽

温度为。试分别用下述三种方法求出反应器的压力。已知实验值为。(a)用理想气体方程;(b)用R-K方程;(c)用维里截断式(2-7)。

解:(1)用理想气体方程

误差:

(2)用R—K方程 乙醇:,

误差:

(3)用三参数普遍化关联 (

里方程关联,)

查图2-6…2-8:

, ,

用维

误差:

2-5某气体符合R—K方程,在温度高于当

时,试推导以下两个极限斜率的关系式:

(a),(b) 。两式中应包含温度T和R-K方程的常数a 或b。(提示:

解:因R—K是以P为因变量的关系式,故所求导数需计算如下:

…………………

……(1)

R—K方程可写成两种形式:

、 由以上方程可求得: …(2)

……………

……………(3)

将(2)(3)式代入(1)式,整理后得: (4)

………

由(4)得到:、 2-6 试分别用普遍化R—K方程与SRK方程

求算丁烷蒸汽在350K、下的压缩因子。已知实验值为0.7731。

解:(1)用普遍化R—K方程 , ,

迭代:取初值

迭代七次, 误差:

(2)用SRK方程:

迭代:取初值

迭代六次: 误差: 2-7 试用下列三种方法计算、水蒸气

的Z与V。(1)用维里截断式(2-8),已知第二和第三维里系数实验值为

和;(2)用维里

截断式2-7,其中B用皮策的普遍化关联法计算;(3) 用水蒸气表计算。 解:(1)用维里截断式(2-8)

, 取理想气体为初值:

迭代:

所以:

(若用迭代得:,)

(2)用维里截断式2-7,B用皮策普遍化关联

(3) 用水蒸气表计算:

查表得过热蒸汽:

则:

2-8. 估算时乙硫醇的液体的摩尔体积。已知

实验值为。乙硫醇的物性为,

, , ,的

饱和液体密度为。

解:(1)用雷克特方程计算

误差:

(2)用改进的雷克特方程

时:

做参比 ,

误差:

2-9 在、时由(摩尔分数)的氮和

(摩尔分数)的乙烯组成混合气体,试用下列四种方法计算混合气体的摩尔体积。已知实验数据求出 。(a)用理想气体方程;(b)Amagat定律和普遍化压缩因子图 ;(c)Kay 规则;(d)混合物的第二维里系数

解:(a)用理想气体方程 (b)Amagat定律和普遍化压缩因子图

由临界参数求和的、

:、、

查图2-4(c)得: (c)Kay 规则

查图2-4(c):

(d)混合物的第二维里系数 、

:、

得负值说明此方法不能用。

2-10 以化学计量比的和合成氨,在、

下,混合起以 的流速进入

反应器。氨的转化率为15%。从反应器出来的气体冷却后,凝缩分离出氨后再行循环。(a)计算每小时合成氨量(kg/h);(b) 当出口、。求时的流速?

求:(a)每小时合成氨量(kg/h)? (b) 当出口、。求时的流速?

解:查附表::、 :、 :、

(a):(1)用Amagat定律及普遍化压缩因子图法

反应前:

: 查图: 反应后:

、 、 、

、 查图:、 、 反应前后混合气组成:转化率为15% 总摩尔数 反应前: 1 3 0 4

后: 1-a 3(1-a) 2a 4-2a

反应前: 、

反应后:

反应前: 反反

应后

前总

总 摩摩

尔尔

数数

::

反应后氨总摩尔数: 即每小时合成氨量: (b)从反应器出来的混合气的压缩因子 由

得: 2-12 选择合适的普遍化关联方法计算1kmol

丁二烯-1,3从、压缩到、

时的、、。已知丁二烯-1,3的

、、

理想气体等压热容

或解:初态:

、,

终态:、 初态用第二维里系数关联式较合适,终态用普遍化压缩因子关联式较合适。

(a)使用普遍化第二维里系数计算

(b)求理想气体从

已知:

、、

查图2-14~2-20 得:

(c)求由

查图2-6~2-9得:

2-13 用式(2-17)计算水银从0.1013MPa 、

273K变到101.3MPa 、373K时的焓变。已查到水银由以下的数据: 0.101 28.01 3 3

解:

P=0.1013MPa

- - 101.3 27.51 28.01 373 0.101------

2-14. 离心式压缩机四段入口条件为、

,出口条件为、。求压缩过程的焓变和熵变。

解:设途径: (真实气体)

(真实气体)

(理想气

体) (理想气体)

查附表1:

采、

用普遍

化联:

查得:

图 、 、 、

2-14

2-20

、 =

+

+=-

、 、 、

3-1.已知蒸汽进入透平机时焓值,流速,离开透平时焓值,流速。蒸汽出口管比进口管低,蒸汽流量为。若忽略透平的散热损失, 试求: (1)透平机输出功率;

(2)忽略进、出口蒸汽的动能和位能变

化,估计对输出功率计算值所产生的误差?

解:(1)稳流过程: 其中, Q=0、

(2)忽略动位能变化:

3-2 压力为,温度为的水蒸气通过一根

的标准管,以

的速度进入透平机。由透平机出来的乏气用的标准管引用,其压力为 温度为。假定无热损失,试问透平机输出的功率为多少?

解:查593K和353K过热水蒸气焓值,

进口截面积

忽略位能变化,则

3-3 有一水泵每小时从水井抽出的水并泵

入储水槽中,水井深,储水槽的水位离地面,水泵用功率为的马达驱动,在泵送水过程中,只耗用该马达功率的45%。储水槽的进、出水位的质量流量完全相等,水槽内的水位维持不变,从而确保水作稳态流动。在冬天,井水温度为,为防止水槽输出管路发生冻结现象,在水的输入管路上安设一台加热器对水进行加热,使水温保持在

,试计算此加热器所需净输入的热量。 解:流动体系由水井、管路、泵、加热器和储水槽组成。计算基准:以一小时操作记, 稳流过程:

水热容:

3-6 气体在,时稳流经过一个节流装置后减压至。

试求:节流后的温度及节流过程的熵变。 解:(1)等焓过程:

气体可看成理想气体

、所以

查附表: :、

所以: 、 由普遍化第二维里系数关联

查附表:估算下的

值:

求较精确值:

重算 :

(2) 求

与前面一致

3-7 2.5MPa、200℃的乙烷气体在透平中绝热膨胀到

0.2MPa。试求绝热可逆膨胀

(等 熵)至中压时乙烷的温度与膨胀过程产生的轴功。乙烷的热力学性质可分别用下述 两种 方法计算:(a) 理想气体方程; (b) 合适的普遍化方法。 解:(a) 用理想气体方程:

查附表

2 : 乙

烷,

取初值,设:

(b) 用普遍化关联

乙烷:

初态:

为初步求, 先假定

过程为等熵过程,同(a)

用与(a)相同的方程迭代:

重新求出

估计值相逆 故:

与原始

3-8 某化工厂转化炉出口高温气体的流率为

,温度为因工艺需要欲将其降温

到。现用废热锅炉机组回收其余热。已知废热锅炉进水温度为,产生、的过热蒸汽。可以忽略锅炉热损失以及高温气体降温过程压力的变化,已知高温气体在有关温度范围的平均等压热容为,试求:(a)每小废热锅炉的产气量(b)蒸汽经过透平对外产功,透平输出的功率为多少?已知乏气为饱和蒸汽,压力为,可以忽略透平的热损失。 解:(a),

查h-s图: 水

(b)蒸汽经透平对外做功

乏气 :气:

3-9 某合成氨厂甲烷蒸汽转化一段炉由天然气燃烧提供热量。设天然气组成为(体积百分比):96%、1.5%、2.0%、0.5%(忽略其他成分)。天然气进口温度为燃烧用

饱和

空气进口温度为,空气用量为理论用量的115%,已知热损失为入口焓值(以为参考态)的4.5%,炉气出口温度为。燃烧天然气的用量为。天然气燃烧过程向反应炉管所提供的热量。设空气组成为79%、21%,已知天然气燃烧的反应式为: 2+2 +3.52+3 提示:(a)建议计算基准取天然气;(b)先求出天然气燃烧后气体的组成。 解:(a)以天然气为基准

96 1.5 2 0.5

0.96 0.015 0.02 0.005 需氧量: , 过量. 燃烧后:

: :

: : : 反应物:

产物:

热损失:

3-10 某厂高压压缩机一段吸气量为(操

作状态)。吸入的气体为半煤气,其组成(摩尔百分数)如下:

组成 28.3 33.6 19.45 11.57 7.06 绝热指数K 1.40 1.41 1.41 1.31 1.30 吸入气体的温度为,由(表压)压缩至(表压)。大气压为。试计算等温压缩、绝热压缩与多变压缩的可逆压缩功。半水煤气可视为理想气体,其多变指数。 解:进水煤气看成理想气体,则混合气体的绝热指数:

(a)等温压缩

(b)绝热压缩

(c)多变压缩

3-11 丙烷从、被压缩至。假定

压缩过程为绝热可逆(等熵)压缩,试计算丙烷所需要的压缩功(丙烷在此状态下不能视为理想气体)。 解:

先求

丙烷: 初态:

查附表2: 对于等熵过程:

引用

因为未知. 为求先假定

故:

4-1. 某封闭体系经历一可逆过程。体系所做的功和排出的热量分别为和。试问体系的

熵变:(a)是正?(b)是负?(c)可正可负?

解:因为、 可逆过程、 所以

4-2 某封闭体系经历一不可逆过程。体系所做

的功为,排出的热量为。试问体系的熵变:(a)是正?(b)是负?(c)可正可负? 解:

根据 何者大,可正可负或为零。 4-3 一个(欧姆)的电阻器,载有20安培的恒定直流电流,并保持的恒定温度。电阻器放出的热量由外界空气带走,而空气仍保持的恒定温度。试问经历2小时后,孤立体系产生的熵是多少?(以计) 解:孤立体系:

4-4 某流体在稳流装置内经历一不可逆过程。

加给装置的功为,从装置带走的热(即流体吸热)是。试问流体的熵变:(a)是正?(b)是负?(c)可正可负?

解:与做功无关,绝热过程Q=0、

不可逆过程

4-5 某流体在稳流装置内经历一个不可逆绝热

过程,加给装置的功是24KJ,从装置带走的热量(即流体吸热)是10KJ。试问流体的熵变:(a)是正?(b)是负?(c)可正可负? 解:

因为 所以 则不可逆过

所以: 流体熵变为正。

4-6 某理想气体经一节流装置(锐孔),压力从

1.96MPa绝热膨胀至0.09807MPa。 求此过程产生的熵。此过程是否可逆? 解:理想气体的节流过程 焓不变 温度也不变

4-7 设有一股温度为90℃,流量为20kg/s的热

水与另一股温度为50℃,流量为30kg/s的温水绝热混合。试求此过程产生的熵。此绝热混合过程是否可逆?

-1-1

解:90℃ 20kg.s 和 50℃ 30 kg.s在绝热条件下混合成温度为T3的水,求:

混合过

程:

算 或

或 查

所以 4-8 在T-S图上指出气体,蒸汽,液体和汽液共存四个区的位置,并示意表达下述过程: (a):气体等压冷却,冷凝的过冷液体; (b) 气体绝热可你膨胀与不可逆膨胀; (c) 饱和蒸汽绝热可逆压缩与不可逆压缩; (d) 饱和俄也提等焓膨胀与克尼绝热膨胀。 4-9 由氨的T-S图求1kg氨由0.828Mpa(8.17atm)的饱和液体节流膨胀至0.0689Mpa(0.68atm)时的下述数据: (a) 膨胀后有多少氨汽化;

(b) 膨胀后温度 为多少;

(c) 分离出氨蒸气在压缩

(绝热可逆压缩)

解:由氨的T-S图知: (a)时 等焓膨胀至 时 (饱和液体)(饱和蒸汽) 球干度: 汽化液氨为0.211kg。

(b)由图得

(C)氨气等熵压缩至5.45atm 4-10 Q=1000kJ W=7.4Kw 解:(此题有错误,按W=7.4Kw计算)

4-11 某热机按某一循环工作,在下由高温热

院接受热量,在下向低温热源排放热量,如图4-28所示。试问下列诸情况下,该热机工作过程是可逆的,不可逆的,还是不可能? (a)

①以热机为体系

循环

②或:

为不可能

不可能

过程为可逆

而实际 (b) (c)

过程为不可逆

4-12 某郎肯循环以水为工质,运行于14Mpa

和0.007Mpa之间,循环最高温度为540,试求:

(a)循环的热效率;

(b) 水泵功与透平功之比;

(c) 提供1KW电的正气循环量。

解:(a)查水蒸气表 14Mpa 813K 过热蒸汽:

工质在透平中等熵膨胀: 查报和水蒸气压力表 膨胀终点:

透平等熵产生功:

冷凝过程传热:

水泵的可逆轴功 : 由热力学第一定律:

锅炉吸热:

郎肯循环净功为透平产功与泵轴功的代数和:

热效率:

(b)水泵功与透平功之比: (c)提供1kw电的循环蒸汽量:

4-13 用热效率为30%的热机来拖动制冷系数

为4的制冷机,试问制冷剂从被冷物料没带走1KJ热量需要像热技术如多少热量? 解:制冷机:

此净功来自热机: 4-14 谋蒸汽压缩制冷循环用氨做工质,工作于

冷凝器压力1.2Mpa和蒸发器压力0.14Mpa之间。工质进入压缩机时为饱和蒸汽,进入

节流阀时为饱和液体,压缩机等熵效率为80%,制冷量为。试求: (a)制冷系数; (b) 氨的循环速率; (c) 压缩机功率;

(d) 冷凝器的放热量;

(e) 逆卡诺循环的制冷稀疏。 解:(a)制冷系数:工质为氨 查 查T-S图 等熵:

求得:

(b) (c) (d)

(e)以冷凝器压力1.2Mpa时,

蒸发器压力0.14Mpa时,

4-15 图4-29所示的制冷体系可视作为由一台热

机拖动一台制冷机所组成的体系。制冷机工作于之间,而热机工作于之间。试求在下列设计条件下动力-制冷体系的之间。

(a)

(b) 热机的热效率为工作于同一温度界限的卡诺热机的60%;

(c) 制冷机的制冷系数为工作于同一温度界限的逆卡诺热机的20%。 解:

可逆:

4-16 动力-热泵联合体系工作于 之间,

热机工作于之间。假设热机热泵均为可逆的,试问下供给单位热量所产生的加工工艺用热量(下得到的热量)是多少? 解: 热机:

单位热量:

热泵: 传热量:

5-1 某蒸汽动力装置,进入蒸汽透平的蒸汽流量为 ,温度为, 压力为.蒸汽经

透平绝热膨胀对外做功.产功后的乏汽分别为:的饱和蒸汽;、的蒸汽.试求此两种情况下, .蒸汽经透平的理想功与热力学效率.已知大气温度

饱和蒸汽 解: 理想功: 、 实际功:

查h-s图: 绝热:

.

5-2 以煤、空气和水为原料制取合成甲醇的反应按下式进行

此反应在标态下进行, 反应物与产物不相混合,试求此反应过程的理想功. 解: 、

不参加反应,而且不混合,故无焓变和熵变.

=

5-3 某厂有输送的管道,由于保温不良,到使用单位时,水温已降至.试求水温降低过程的热损失与损耗功.大气温度为.

解 以1热水为基准,水的恒压热为:. 1水从降至放出热量

54为远程输送天然气,采用压缩液化法.若天然气按甲烷计算,将天然气自、绝热

压缩到,并经冷凝器冷却至.已知压缩机实际的功耗为,冷却水温为 .试求冷凝器应移走的热量,压缩、液化过程的理想功、损耗功与热力学效率.已知甲烷的焓和熵值如下

压力温度h s 0.09807 27 6.667

甲烷:. 已知: 求: 压缩.汽化过程 解:压缩过程:

(损耗功:或:) 5-5 1水在的压力下,从恒压加热到沸点,然后在此压力下全部汽化.环境温度为.问水吸收的热量最多有百分之几能转化为功?

953.1 886.2 7.067 4.717 27

水加热汽化过程所需要的热由的燃烧其供给,假定加热过程燃烧气温度不变.求加热过程的损耗功. 1水.求: 解:水:

下的水的沸点为

水汽化:

,已知.正常沸点

. .

.

.

5-6 有一理想气体经一锐孔从绝热膨胀到

.动能和位能的变化可忽略不计.求绝热

膨胀过程的理想功与损耗功.大气温度为. 解:节流过程

.水的热容

.

.

.

5-7 设在用烟道气预热空气的预热器中,通过的烟道气和空气的压力均为常压,其流量分别为45000和.烟道气进入时的温度为,出口温度为.设在此温度范围内,.空气进口温度为,设在有关温度范围内,.试计算此预热器的损耗功与热力学效率.已知大气温度为.预热器完全保温.

解:以1小时为基准,先求空气出口温度,常压下两种气体 ,因为预热器完全保温, 故:.

.

.

5-8 求由空气制取氧和氮的最小功.设空气

的组成为79%和21%.环境状态为、

.产品是纯氧和纯氮;产品是98

和50%富氧空气. 解: 以为基准

. ,理想气体在恒温下分离

及混合

空气分离时

氧气需空气量为

. 则

产品为和富氧空气 生产氧气需空气,所得为 ,得.为. 将空气完全分离时

由纯氧和纯氮混合形成和两种产品时的

5-9 乙烯气在、下和理论上完全燃烧所需空气的400%混合.进入燃烧炉内燃烧后的烟道气经过冷却也在、下排出.求燃烧过程的理想功.

. 空气过量

解:反应物,产物均为混合物,均小于要对反应物和产物进行压力校正

反应物: 产物: 查表:

. 也要校正

,故

反应物: 产物:

5-10 在5-9题中,若燃烧过程在绝热条件下进

行,试求燃烧过程的损耗功。已知在绝热条件下,生成物的温度为748.5℃。 解:上题在绝热下进行,产物需对T,

P校正,

5-11 10kg水由15℃加热到60℃。试求加热过

程需要的热量和理想功以及上述过程中的火用与火无。若此热量分别由0.6865MPa和0.3432MPa的饱和蒸汽加热(利用相变热),求加热过程的火用损失。大气温度为25℃ 解:1)

(1) 加热工段所需热量

(2)

若取环境温度为水温15

(3)

2)所需热量Q由0.6865MPa饱和汽的相变热提供,求火用损失

火用损失即为损耗功 作火用衡算,得与环境无热交换,直接混合热

15水 25

查 0.6865MPa饱和蒸汽的参数 需冷凝加热水蒸汽量:15等于蒸汽放出的热

求60水 =

吸收的热应该

则:

用0.3432MPa的饱和汽直接混合加热,需蒸汽量 0.3432MPa饱和汽

若采用饱和蒸汽间接加热 0.6865MPa饱和汽

0.3432MPa饱汽

5-12 试求、、的标准摩尔化学火用

解:(i)的标准摩尔化学火用 查P278表6 基准反应:准浓度:1

由基准反应式3得:则:

基准产物,基

查P272

-285840

00

69.4

130.59205.3

=0+0-(-285.840)-298.15(130.59-1/2×218.27-69.94)

=285840-298.15×167.785

=285840-50621.4 = 5-13 有一温度为、流量为的热水和

另一股温度为、流量为的水绝热混合。试分别用熵分析和火用分析计算混合过程的火用损失。大气温度为。问此过程用哪个分析方法求火用损失较简便?为什么? 解: 求得

Q=0 W3=0 ΔH=0 熵分析法

火用分析法

5-14 某厂因生产需要,设有过热蒸汽降温装置,

将的热水和、的蒸汽

等压绝热混合。大气温度为。求

绝热混合过程火用损失 解:

设:393.15K时水的下标用a表示,573.15 K时过热蒸汽的下标用b表示,混合后的性质用下标m表示由饱和水、饱和水蒸汽表及过热蒸汽表查得:

-1

Ha=503.71kJ·kg Sa=7.2965

-1-1-1

kJ·kgk Hb=3059kJ·kg Sb=7.2965kJ·kg-1k-1

混合过程为绝热:则 (先判断混合后所处状态)

(a+b)Hm=aHa+bHb

由Hm的数据可知混合器中为压力700kPa的液体水和蒸汽的混合物

此时由饱和水和饱和水蒸气查得水和蒸汽的焓、熵分别为:

-1-1-1

Hf=697.21kJ·kg Sf=1.9922 kJ·kgk Hg=2763.5kJ·kg-1 Sg=6.7080kJ·kg-1k-1 在水和蒸汽的混合物中,水的摩尔分数为:

6.1 试从出发,推导出组分1和组分2的偏摩尔量的表达式(6-19)和式(6-20)。 解:由 (1) T,P对x1求偏导

由吉-杜方程

(2)

方程(1)和(2)联立:

同理有:

6-2. 某酒厂用96%(wt)的食用酒精配酒,酒中的乙醇含量为56%(wt)。现决定用1吨食用酒精进行配制,问需加多少水才能配成所需的产品?所得酒有多少m3?已知在25℃和10.133kPa时水和乙醇的偏摩尔体积如下表所示: 偏摩尔体积 在96%(wt)在产品酒中 食用酒精中 0.816 。

0.953 1.243 1.273 25℃时水的比容为解:

1吨96%乙醇体积 设加入水量为x ,

56%乙醇体积

6.3 在30℃和10.133kPa下,苯(1)和环几烷(2)的液体混合物的容积数据可用

表示。式中:x1为苯的摩

尔分数;V的单位是。

已知苯和环己烷在30℃时的比重分别为0.870和0.757。求算30℃时和10.133kPa下的表达式。

解:

6-4. 在T、P为常数时,曾有人推荐用下面一对方程来表达某二元系的偏摩尔体积数据:

式中:a、b只是温度和压力的函数,试问从热力学角度考虑,上述方程是否合理? 解:由吉-杜方程: (A)

由所含方程可得:

(B)

同样得: (C)

因为(B)式代入(C)式,故一般情况不满足吉-杜方程,不合理。

0

6.8 求110C 27.5MPa液体丙酮的逸度,已知:sL3-1P=0.436 V=73cm.mol

解:先求1100C 饱和蒸气压下的f p=0.436MPc 查附表:Tc=508.1K

3

Pc=4.70MPc Vo=2.09×10 Zc=0.232 =0.309 由R-K方程

先由R-K方程求V

迭代 得:V=6760

下 (2)两参数法:

查阅6-2 (3)用截项维里方程

(4)三参数法

查表

6-9 试计算等摩尔比的乙烯和氨混合物在350K和3.0kPa时两个组分的逸度系数。所拟用的状态防城方程为: (1)范德华方程 (2)R-K方程 (3)维里方程 解:(1)范德华方程:

按混合规则: 查表:乙烯 Tc=282.4K,Pc=5.04MPa,w=0.085,Zc=0.276,

氨 Tc=405.6K,Pc=11.28MPa,w=0.25,Zc=0.242,

代入范德华方程:

,迭代二次求出:

解:

(2)R-K方程:

代入R-K方程:

(3)维里方程:

6-16

方法1,

同理:

方法2

同理:

0

6-17 已知25C,2.0 MPa时二元系中组分的逸度表达式为:

(MPa)计算上表达式压力和温

度下:

(1)纯组分的逸度

将带入上式:

(2)纯组分的逸度系数

(3)组分的亨利系数

(4)活度系数

r1与x1的关系式以Randell规则为基础

Lewis-

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