中國石油大學遠程教育
《 化工熱力學 》
壹、請學生運用所學的化工熱力學知識，從以下給定的題目中選擇至少選擇2個題目進行論述：（總分100分）
1.教材中給出了眾多的狀態方程，請根據本人的工作或者生活選擇壹個體系、選擇壹個狀態方程、對其PVT關系的計算準確度進行分析，並提出改進的方向和意見。
丙烯的PVT狀態分析
近期我正在新疆五家渠壹家焦化廠甲醇車間進行培訓，在甲醇凈化工段丙烯為利用最多的制冷劑，在學習丙烯壓縮工段的同時對丙烯的物化性質也有了深入了解。
丙烯的理化學性質：丙烯是壹種無色略帶甜味的易燃氣體，分子式為CH3CH=CH2，分子量為42.08，沸點-47.7℃，熔點為-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2.0~11％（vol）,閃點為-108℃。（因此，丙烯在貯藏時要特別小心，如果發生泄漏，因為它比空氣重，積聚在低窪處及地溝中，如在流動過程中遇到火星，則極易引起爆炸，釀成嚴重後果。）
選擇用R-K狀態方程計算對液態丙烯的PVT關系計算準確度進行分析，從《化工熱力學、陳光進等編著》中查得丙烯的臨界數據為Tc=364.9K;pc=46.0*10-1MPa,
下面是上海焦化廠給定的丙烯性質數據。
為了計算方便，用excel換算和簡單計算得到新的數據如下:
溫度
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 壓力
atm） 1.401 2.097 3.023 4.257 5.772 7.685 10.046 12.911 16.307 體積
mL/g） 12966 6404 4639 3423 2569 1957 1510 1510 1177 50 20.299 922 （℃）（（
溫度
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
（℃）
溫度（K） 233 243 253 263 273 283 293 303 313 壓力P
1.4196 2.1248 3.0631 4.3134 5.8485 7.7868 10.1791 13.0821 16.5231
（1*10-1MPa）
摩爾體積v
54560.928 26948.032 19520.912 14403.984 10810.352 8235.056 6354.080 6354.080 4952.816
(1*10-5m3/mol)
R-K方程：p?RT
v?b?a
T0.5vv?b
0.42748R2T2.52.5
a?c?0.42748?8.3146?364.9?16.3409?m6?Pa?K0.5
p.6?106?mol?2?
c4
b?0.08664RTc?0.08664?8.3146?364.9?5.7145?10?5
p.6?106?m3?mol?1?
c4
由上表又知道摩爾體積v，故根據R-K方程，用excel可分別計算得到各溫
度下的壓力值P1：
溫度
（℃） -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 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 計算壓力
P-11.0288 2.1706 3.1182 4.3903 6.0679 8.2505 11.0602 11.4412 15.1467 19.9288
1(1*10MPa)
用R-K狀態方程計算得數據與給定值比較可得如下數據圖： 50 323 20.5680 3879.776 50 （
通過計算和上圖的數據對比，可得結論：利用《上海焦化廠給定丙烯性質數值》，代入v值，用R-K方程計算所得的壓力值P1與給定的P值偏差很小。即對於氣態丙烯，利用R-K狀態方程計算其PVT關系式很可靠的。
制冷流程簡述：
從Recfisol來的丙烯氣體與丙烯過冷器殼側排出的氣體混合，壓力為0.13Mpa，溫度為-40℃，進入壓縮機入口分離器飽和並計量後，氣體壓力為0.12Mpa溫度為-40℃進入，丙烯壓縮機壹段，由閃蒸罐出來的丙烯閃蒸汽壓力為0.525Mpa溫度為-5.5℃，進入丙烯壓縮機的中段，兩股氣體均被壓縮到1.9Mpa，102℃排出，壓縮後的氣體被丙烯冷凝器冷凝，液體丙烯進入丙烯貯槽，壓力為
1.85Mpa溫度為45℃，為防丙烯壓縮機喘振，在丙烯機氣體排出口有壹回到入口分離器回路管線補充氣量之不足。從丙烯貯槽出來的液體丙烯進入閃蒸槽，閃蒸氣進入丙烯機中段，從丙烯壓縮機出口處℃引壹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，壹路進入壓縮機入口分離器，通過液位調節以補充進口丙烯氣流量，另壹路進丙烯深冷器，通過自身丙烯閃蒸以降低溫度，殼側丙烯氣與Recfisol來的會合，從管程中來的液體通過旁路進壹步調節溫度至-20℃，壓力為0.485Mpa，離開系統進Recfisol，以提供低溫甲醇洗所需冷量。為防止丙烯中微量水份在閃蒸過程中凍結，還需向系統註入少量甲醇，甲醇的噴淋是通過計量泵出口甲醇與丙烯貯槽到閃蒸槽的液體丙烯大小，調節噴淋混合來完成的。
由於丙烯易燃易爆，因此，在設備維修前後都必須用N2置換丙烯，然後用空氣置換N2，開車時先用N2置換空氣，再用丙烯置換N2。
2.根據功熱轉換的原理，選擇壹個體系或者工況進行節能過程分析。要求給出詳細的計算步驟和過程分析。
空調制冷原理
空調在日常生活中隨處可見，下面分別用溫熵關系和壓焓關系分析其制冷過程和原理。空調制冷原理涉及了了熱力學第壹定律和熱力學第二定律，為逆卡諾循環，以下是用理論制冷循環的分析和計算。
壹：逆卡諾循環—理想制冷循環的功能計算：
圖1 溫熵圖
它由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成。假設低溫熱源（即被冷卻介質）的溫度為T0，高溫熱源（即環境）的溫度為Tk, 則工質的溫度在吸熱過程中為T0， 在放熱過程中為Tk, 就是說在吸熱和放熱過程中工質與冷源及高溫熱源之間沒有溫差，即傳熱是在等溫下進行的，壓縮和膨脹過程是在沒有任何損失情況下進行的。其循環過程為：
首先工質在T0下從冷源（即被冷卻介質）吸取熱量q0，並進行等溫膨脹4-1，然後通過絕熱壓縮1-2，使其溫度由T0升高至環境介質的溫度Tk, 再在Tk下進行等溫壓縮2-3，並向環境介質放出熱量qk, 最後再進行絕熱膨脹3-4，使其溫度由Tk 降至T0即使工質回到初始狀態4，從而完成壹個循環。
對於逆卡諾循環來說，由圖可知：
q0=T0(S1-S4）
qk=Tk(S2-S3)=Tk(S1-S4）
w0=qk-q0=Tk(S1-S4)-T0(S1-S4)=(Tk-T0)(S1-S4）
則逆卡諾循環制冷系數εk 為：εk = w0/ qk=(Tk-T0) / Tk
由上式可見，逆卡諾循環的制冷系數與工質的性質無關，只取決於冷源（即
被冷卻物體）的溫度 T0 和熱源（即環境介質）的溫度 Tk；降低 Tk，提高 T0 ，均可提高制冷系數。此外，由熱力學第二定律還可以證明：“在給定的冷源和熱源溫度範圍內工作的逆循環，以逆卡諾循環的制冷系數為最高”。任何實際制冷循環的制冷系數都小於逆卡諾循環的制冷系數。
制冷系統四大部件及制冷劑的變化過程：
蒸氣壓縮制冷循環系統主要由四大部件組成，即壓縮機、冷凝器、節流元件和蒸發器，用不同直徑的管道把它們串接起來，就形成了壹個能使制冷劑循環流動的封閉系統。制冷壓縮機由原動機如電機拖動而工作，不斷地抽吸蒸發器中的制冷劑蒸氣，壓縮成高壓（pk）、過熱蒸氣而排出並送入冷凝器，正是由於這壹高壓存在，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境介質，從而使制冷劑蒸氣冷凝成液體，當然，制冷劑蒸氣冷凝時的溫度壹定要高於周圍介質的溫度。冷凝後的液體仍處於高壓狀態，流經節流元件進入蒸發器。制冷劑在節流元件中，從入口端的高壓pk降低到低壓p0，從高溫tk降低到t0，並出現少量液體汽化變為蒸氣。
二：逆卡諾循環—理想制冷循環的過程計算
根據理論循環的假設條件，單級蒸氣壓縮式制冷理論循環工作過程，在壓焓圖上的表示如圖2所示。
圖2 理論制冷循環壓焓圖
1）制冷壓縮機從蒸發器吸取蒸發壓力為p0的飽和制冷劑蒸氣（狀態點1），沿等熵線壓縮至冷凝壓力pk（狀態點2），壓縮過程完成。
2）狀態點2的高溫高壓制冷劑蒸氣進入冷凝器，經冷凝器與環境介質空氣或水進行熱交換，放出熱量qk後，沿等壓線pk冷卻至飽和蒸氣狀態點2?，然後冷凝至飽和液狀態點3，冷凝過程完成。在冷卻過程（2-2?）中制冷劑與環境介
質有溫差，在冷凝過程（2?-3）中制冷劑與環境介質無溫差。
3）狀態點3的飽和制冷劑液體經節流元件節流降壓，沿等焓線（節流過程中焓值保持不變）由冷凝壓力pk降至蒸發壓力p0，到達濕蒸氣狀態點4，膨脹過程完成。
4）狀態點4的制冷劑濕蒸氣進入蒸發器，在蒸發器內吸收被冷卻介質的熱量沿等壓線p0汽化，到達飽和蒸氣狀態點1，蒸發過程完成。制冷劑的蒸發溫度與被冷卻介質間無溫差。
理論循環的計算方法：
1、單位質量制冷量 制冷壓縮機每輸送1kg制冷劑經循環從被冷卻介質中制取的冷量稱為單位質量制冷量，用q0表示。
q0=h1-h4=r0（1-x4） （1-1）
式中 q0單位質量制冷量（kJ/kg）；
h1與吸氣狀態對應的比焓值（kJ/kg）；
h4節流後濕蒸氣的比焓值（kJ/kg）；
r0蒸發溫度下制冷劑的汽化潛熱（kJ/kg）；
x4節流後氣液兩相制冷劑的幹度。
單位質量制冷量q0在壓焓圖上相當於過程線1-4在h軸上的投影（見圖1-2）。
2、單位容積制冷量 制冷壓縮機每吸入1m3制冷劑蒸氣（按吸氣狀態計）經循環從被冷卻介質中制取的冷量，稱為單位容積制冷量，用qv表示。
qv?q0h1?h4?v1v1 （1-2）
式中 qv單位容積制冷量（kJ/m3）；
v1制冷劑在吸氣狀態時的比體積（m3/kg）。
3、理論比功 制冷壓縮機按等熵壓縮時每壓縮輸送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壓縮機排氣狀態制冷劑的比焓值（kJ/kg）；
h1壓縮機吸氣狀態制冷劑的比焓值（kJ/kg）。
4、單位冷凝熱負荷 制冷壓縮機每輸送1kg制冷劑在冷凝器中放出的熱量，稱為單位冷凝熱負荷，用qk表示。
qk=（h2-h2?）+（h2?-h3）=h2-h3 （1-4）
式中 qk單位冷凝熱負荷（kJ/kg）；
h2?與冷凝壓力對應的幹飽和蒸氣狀態所具有的比焓值（kJ/kg）； h3與冷凝壓力對應的飽和液狀態所具有的比焓值（kJ/kg）；
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在壓焓圖中，qk相當於等壓冷卻、冷凝過程線 2-2?-3 在h軸上的投影（見圖2）。
比較式（1-1）、式（1-3）、式（1-4）和h4=h3可以看出，對於單級蒸氣壓縮式制冷理論循環，存在著下列關系
qk = q0 +w0 （1-5）
5、制冷系數 單位質量制冷量與理論比功之比，即理論循環的收益和代價之比，稱為理論循環制冷系數，用?0表示，即
q0h1?h4?w0h2?h1 （1-6） ?0?
根據以上幾個性能指標，可進壹步求得制冷劑循環量、冷凝器中放出的熱量、壓縮機所需的理論功率等數據。
3.為含苯酚的水溶液處理過程選擇合適的相平衡計算方法，給出詳細的計算過程和步驟，並對其結果進行分析和討論。
建立了壹種混合電解質溶液相平衡計算的混合整數非線性規劃模型，並提出用遺傳算法求解。首先基於Gibbs自由能最小化原理，通過對液相、固相析出鹽種類編碼的處理，建立了電解質體系相平衡計算模型，將相平衡計算問題轉化為有約束的最優化問題；其次用遺傳算法求解，通過對優化變量采取動態邊界的可行域編碼方法和序貫收斂技術保證了算法的有效實施，可實現固液平衡計算並得到析出的晶體數、鹽的種類、固體的量以及液相組成；最後對多種體系進行了計算，結果表明此方法可行有效。
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