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2022年石油大学《化工热力学》期末考试主观题答案

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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)

答:立方形状态方程包括:

RK方程:Van der Waals方程是最简单的立方型状态方程。该方程能定量地描述流体的P-V-T关系,能够同时描述气、液两相的性质。虽然精确度不高,但还是特别值得关注,因为它建立方程的推理方法对立方型方程、对比态原理以及后来与之类似的状态方程的开发有着巨大的贡献。 RK方程与Van der Waals方程的区别仅在于压力修正项的形式不同。

SRK方程:与RK方程相比,SRK方程显示出很大的优越性,特别是用它来计算纯烃和烃类混合物系统的气液平衡具有较高的精度,该方程在烃应用方面做出了很大的贡献。

 

PR方程:RK和SRK方程有一个共同的不足,就是预测液相摩尔体积时精度相当差。PR方程的临界压缩因子z,该值比RK方程的0.333有明显改进,但仍偏离真实流体的数值。PR方程计算饱和蒸气压、饱和液体密度和气液平衡的准确度均高于SRK方程。值得指出的是,SRK方程和PR方程在预测流体的蒸气压时显示出突出的优势,其主要原因在于温度函数a(T)的表达式。

 

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:

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。

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。我们把它理想化为不计工质压力变化,并将过程想象为无数个与工质温度相同的热源与工质可逆传热,也就是把传热不可逆因素放在系统之外,只着眼于工质一侧。这样,将加热过程理想化为定压可逆吸热过程。

 

3.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。

答:具体测得相平衡数据的步骤如下:

气液相平衡关系是精馏、吸收等单元操作的基础数据。随着化工生产的不断发展,现有气液平衡数据远不能满足需要。许多物质的平衡数据很难由理论计算直接得到,必须由实验测定。

    平衡数据实验测定方法有两类,即直接法和间接法。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。若要测定准确的气液平衡数据,平衡釜是关键。现已采用的平衡釜形式有多种,且各有特点,应根据待测物系的特征选择适当的釜型。

    用常规的平衡釜测定平衡数据,需样品量多,测定时间长。本实验用的小型平衡釜主要特点是釜外有真空夹套保温,可观察釜内的实验现象,且样品用量少,达到平衡速度快,因而实验时间短。

一.实验目的

1.测定正己烷-正庚烷二元体系在101.325kPa下的气液平衡数据。

2.通过实验了解平衡釜的构造,掌握气液平衡数据的测定方法和技能。

3.应用Wilson方程关联实验数据。

二.实验原理

以循环法测定气液平衡数据的平衡釜类型虽多,但基本原理相同,如图1-1所示。当体系达到平衡时,两个容器的组成不随时间变化,这时从A和B两容器中取样分析,即可得到一组平衡数据。当达到平衡时,除两相的温度和压力分别相等外,每一组分化学位也相等,即逸度相等,常压下,气相可视为理想气体;再忽略压力对流体逸度的影响,从而得出低压下气液平衡关系式,由实验测得等压下气液平衡数据,则可计算出不同组成下的活度系数,本实验中活度系数和组成关系采用Wilson方程关联,Wilson方程二元配偶函数Λ12和Λ21采用高斯—牛顿法,由二元气液平衡数据回归得到。目标函数选为气相组成误差的平方和

三.实验装置和试剂

1.平衡釜一台。平衡釜的选择原则:易于建立平衡、样品用量少、平衡温度测定准确、气相中不夹带液滴、液相输送不返混及不易爆沸等。本实验用双循环的小型平衡釜。 

2.气相色谱仪一台。

3.50~100℃十分之一的标准温度计一支。

4.所用试剂(正庚烷、正己烷)为分析纯试剂。

四.实验步骤

1.开启色谱仪。色谱条件:固定相采用80~100目HDG203,柱长1m,柱径φ2mm,柱温为110℃,热导池检测器。

2.测定物料纯度。用在20℃下折光率或色谱分析检测。

3.测温套管中倒入甘油,将标准温度计插入套管中,并在温度计露出介质部分中间固定一支温度计。

4.将100ml针筒与系统相连,抽出或打入一定量气体,控制系统压力为101.325kPa。

5.在干燥的平衡釜内加入一定浓度的正己烷-正庚烷溶液约20ml。打开冷却水,接通电源。开始时缓慢加热,冷凝回流液控制在每秒2~3滴。稳定地回流约20min,以建立平衡状态。

6.达到平衡后停止加热,用微量注射器分别取两相样品,用色谱分析测定其组成。

7.取样后用5ml注射器从釜中取出4ml溶液,然后加入同量的一种纯物料,重新建立平衡。加入何种物料,视上一次平衡温度而定,以免各实验点分布不均。

具体验证准确性步骤:

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