北京化工大学2013-2014学年《化工热力学》期末试卷Word下载.docx

北京化工大学2013-2014学年《化工热力学》期末试卷Word下载.docx

《北京化工大学2013-2014学年《化工热力学》期末试卷Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《北京化工大学2013-2014学年《化工热力学》期末试卷Word下载.docx（6页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

7=14分）正误题（正确的画○，错误的画×

，标在[]中）

［×

］方程dH=TdS+VdP仅能用于可逆过程。

］对于理想溶液，混合过程的所有性质变化均为零。

［○］理想气体经绝热压缩后再冷却至初始温度，即使该过程不可逆，其取走的热量也等于压缩机所做的功（忽略流体动能与位能的变化）。

］混合物中组分的逸度系数值与其标准态的选取有关。

［○］理想气体的混合物是理想溶液，符合Lewis-Randall规则。

［○］无论液态水的温度高于或低于环境温度，其值都大于零。

［○］化学反应平衡常数K与压力无关。

[注]用√表示正确者暂不扣分

二、（5´

3=15分）简答题（简明扼要，写在以下空白处）

1.在热力学中为何要引入混合规则？

列出两种常见的混合规则。

【解】将混合物视为虚拟纯物质，就可以沿用纯物质的状态方程，而其虚拟参数与组成有关，需要通过混合规则实现。

（点出虚拟纯物质，语意通顺者给3分）

常见的混合规则如：

，（每项给1分，可不限于上述形式，为组成和纯物质参数的函数即可。

答Kay规则中方程亦可。

）

2.下图示意了纯组分体系沿等压线发生汽液相变时的V-T图，试画出对应的G-T示意图，注意斜率的正负与相对大小，并说明你的根据。

【解】图形正确并标出如下特征者给5分（特点1给1分，2-3各2分，未正确说明根据者扣1-2分；

未标出特点4者不扣分，）：

1.沸点处G相等,（Gl=Gv）

2.G对T的斜率为负，（）

3.G对T的斜率气相较液相更陡,（在沸点处有：

4.G曲线为凸,（）

T

V

液相

汽相

Tb

G

3.绘制具有最低共沸压力的二元体系的汽液平衡T-x-y相图。

注意标出汽相区和液相区，并说明该体系相对拉乌尔定律具有正偏差还是负偏差？

x1,y1

T,y1

T,x1

liq

vap

【解】因体系具有最低共沸压力，体系压力低于对应理想溶液的压力，因此为负偏差。

（2分，未说明原因者暂不扣分）

正确绘图给3分。

画成最低共沸温度或p-x-y图（但图形正确）者扣2分。

未标注坐标、汽液区域、泡点/露点线者酌情扣不超过1分。

三、（20分）分析计算题

如下图所示的海水淡化装置，整个系统由等熵效率为75%的压缩机提供动力；

忽略热交换器的热损失，而每生产1kg纯水，蒸发器热损失为1.7kJ.

现已知图示各状态点的数据如下：

点

状态

盐,％

质量

℃

P

bar

流率m

kg/s

kJ/kg

S

kJ/kg/K

1

液体

3.45

25

2.0715

99.65

0.3342

2

93.86

376.6

1.1689

饱和液体

6.67

100.7

1.0715

388.1

1.2010

4

38.4

146.2

0.4618

蒸汽

2677.6

7.3655

6

159.2

1.6

2790.4

7.4319

7

113.3

475.4

1.4550

8

160.9

0.5504

1）在T-S图上示意5à

6à

7à

8的过程线，并标出5、6、7和8各状态点在图中的位置.

2）写出整个系统的平衡方程，并判断那些设备存在损失？

3）计算生产1kg纯水总的损失，以及整个过程的目的效率.（环境温度298.15K）

【解】1）（10分）状态5-8均为纯水，因此对应水的T-S图：

6、7、8状态点各2分，5状态点3分（详后），6à

7过程1分；

示意图不要求数值比例，但各点温度和熵的相对大小和饱和关系要正确示出。

5à

6为熵增加，因此S6>

S5，标成等熵或熵减小者扣1分；

7为饱和液体，明显偏离者不给分；

8十分接近饱和液体，标在饱和液相处不扣分。

题中状态点5是对应盐水的饱和蒸汽，对纯水应过热0.7℃，因此该点不应落在饱和线上，正确示出状态5这一特点并说明理由者给3分，标在饱和线上或未作任何说明者给2分。

2）（6分）取整个系统作为控制体积，据题意知压缩机有功输入，蒸发器有热损失，则其㶲平衡方程为：

m1ε1-m4ε4-m8ε8-（1-T0/T）|Q|+|Ws|-mIint=0

（项目2分，正负号1分，部分错误扣1分。

未加绝对值者暂不扣分。

正确写出一般化平衡方程未针对本系统展开者给2分。

只有等熵过程才没有㶲损失，显然该系统中三个设备都有㶲损失。

（3*1分）

T5

T7

T6

T8

P=1bar

P=1.6bar

3）（4分）对蒸发器，为便于分析，选则控制体积的界面，使得其为温度为T0，即散热在环境温度下进行，T=T0,根据上述㶲平衡方程得：

mIint=|Ws|+（m1ε1-m4ε4-m8ε8）

根据㶲的定义ε=H-H0-T0（S-S0）=H-T0S-（H0-T0S0）

一旦选定环境，（H0-T0S0）为常数，结合质量平衡方程

m1-m4-m8=0

得：

（m1ε1-m4ε4-m8ε8）=m1（H1-T0S1）-m4（H4-T0S4）-m8（H8-T0S8）

=2.0715*0.00827-1.0715*8.5143-1*（-3.20176）

=-5.904kW（1分）

该值为负说明海水淡化后㶲值升高，故实现该过程需要从外界输入功，其极小值即为理想功，即5.9kW.

以压缩机为控制体积可计算功：

|Ws|=m6H6-m5H5=1*（2790.4-2677.6）=112.8kW（1分）

则mIint=112.8-5.9=106.9kW（1分）

该过程目的为海水淡化，输入㶲为压缩机的功，因此目的㶲效率为

ηobj=5.9/112.8=5.2%（1分）

四、（15分）计算题

选择适宜的普遍化关联式，计算二氧化碳在0℃，2.95MPa时的剩余焓.

【解】查附表B1得二氧化碳的临界参数：

Tc=304.2K,Pc=7.376MPa,ω=0.225

据题意计算出对比量：

Tr=273.15/304.2=0.8979≈0.9,Pr=2.95/7.376=0.3999≈0.4（2*2分）

根据图2/7-1判断适合用LK关联式计算，查附表B3得：

（HR）0/RTc=-0.597,（HR）1/RTc=-0.751,（2*3分）则：

HR/RTc=-0.597+0.225*（-0.751）=-0.765（3分）

HR=-0.765*8.31415*304.2/1000=-1.935kJ/mol（2分）

计算过程与数值结果（数值差异5%以内）全对，步骤过于简化者扣2分。

若数值结果不正确，按步骤给分，过程全对者扣2分。

若用普遍化维里方程和RK计算，结果分别为-1.523和-1.460kJ/mol，得到正确数值者，暂不扣分，数值不正确者，酌情扣1-5分。

五、（20分）计算题

对摩尔比为1:

1的正丁烷-乙烷二元体系，试用下列方法计算340K和1.7MPa下正丁烷的相平衡比（K值）：

1）假设液相为理想溶液，汽相为理想气体.

2）假设液相和汽相均为理想溶液，纯组元逸度采用普遍化方法求解.

3）使用DePriester列线图.

假如系统由摩尔比为1:

1的正丁烷-甲烷组成，其K值是否改变？

对新系统用上述方法计算的K值是否改变？

请加以解释.

（已知正丁烷在340K的饱和蒸汽压为0.7520MPa）

【解】相平衡条件逸度相等有:

这里以纯液相为标准态，其逸度（忽略压力对纯液相逸度的影响，即Poynting因子=1）

则相平衡比

（1）

1）（3分）根据题意上式活度系数与逸度系数均为1，有=0.4423

2）（9分）根据题意：

,因此

查附表B1得正丁烷的临界参数：

Tc=425.2K,Pc=3.799MPa,ω=0.193

Tr=340/425.2=0.7996,

Pr=1.7/3.799=0.4475,

Prsat=0.7520/3.799=0.1979.（3*1分）

可采用普遍化维里方程计算上述两个汽相状态的逸度系数：

B只是温度的函数：

B0=0.083-0.422/Tr1.6=-0.5205

B1=0.139-0.172/Tr4.2=-0.3010

B0+ωB1=-0.5786

对状态（Tr,Pr）

lnφv=Pr/Tr*（B0+ωB1）=0.4475/0.7996*（-0.5786）=-0.3238

φv=0.7234（2分）

状态（Tr,Prsat）

φsat=exp（0.1979/0.7996*（-0.5786））=0.8666（2分）

故Ki=0.8666/0.7234*0.4423=0.530（2分）

对状态（Tr,Prsat）的饱和汽相也可采用LK关联式计算逸度系数，查附表B3得：

φ0=0.8730,φ1=0.9057,φsat=0.8565

但对状态（Tr,Pr）因为压力超过饱和蒸汽压，通过LK关联或三次型方程无法计算φv（汽相的逸度系数），查附表B3得到的其实为φL

φ0=0.5021,φ1=0.3269,φL=φ0（φ1）ω=0.4047

Ki=0.8565/0.4047*0.4423=0.936（不正确）

用LK关联计算者，没有考虑到上述汽相不存在情况者暂不扣分

3）（4分）直接查图7/3-2得：

Ki=0.51

（4分）式

（1）中和均与混合物的种类和组成有关，因此若系统中乙烷换做甲烷，正丁烷的Ki值会发生改变。

但上述三种计算方法得到的Ki值不变，因为它们都采用了简化，尽管近似程度不同，但均将液相和汽相都简化为理想混合物，因此计算结果与混合物的种类无关。

六、（16分）计算题

由一氧化碳加氢制取甲醇的反应在400K和1atm下进行：

CO（g）+2H2（g）à

CH3OH（g）

经分析从反应器得到的平衡气相产品中H2的摩尔组成为40%.

1）假设为该系统可视为理想气体，试确定平衡产物中CO和CH3OH的组成.

2）若反应在500K和1atm下进行，起始物料与1）中相同，问平衡产物中H2的组成大于还是小于40%？

为什么？

已知该反应在400K下的平衡常数为1.52，反应的标准生成焓为-94.47kJ/mol.

【解】1）记CO、H2和CH3OH分别为组分1-3，对于理想气体，

反应平衡方程为：

由题意:

y2=0.4,K=1.52,p=p○

结合归一化条件y1+y2+y3=1,得到:

0.6-y1=1.52*y1*0.42

解得：

y1=0.483（CO）,y3=0.117（CH3OH）.

正确写出平衡方程者5分，得到正确数值结果5分。

2）根据反应平衡常数的定义,

而,得:

因为该反应标准生成焓为负值,因此温度增加K将减小，反应左移，H2组成会大于40%.

根据反应生成焓判断出K减小者3分，最后大于40%的结论3分。