北京化工大学2013-2014学年《化工热力学》期末试卷Word文件下载.docx
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一、(2´
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
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- 化工热力学 北京 化工大学 2013 2014 学年 化工 热力学 期末试卷