北京化工大學(xué)2013-2014學(xué)年《化工熱力學(xué)》期末試卷

PAGEPAGE7北京化工大學(xué)2013——2014學(xué)年第一學(xué)期《化工熱力學(xué)》期末考試試卷(參考答案附評(píng)分標(biāo)準(zhǔn) )課程代碼課程代碼CHE33500T班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 任課教師： 分?jǐn)?shù)：題號(hào)題號(hào)一二三四五六總分得分一（27=14分）正誤題（正確的畫○，錯(cuò)誤的畫×，標(biāo)在 []中）［×］方程dH=TdS+VdP僅能用于可逆過程。［×］對(duì)于理想溶液，混合過程的所有性質(zhì)變化均為零。［○］于壓縮機(jī)所做的功（忽略流體動(dòng)能與位能的變化）。［×］混合物中組分的逸度系數(shù)值與其標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的選取有關(guān)。［○］無論液態(tài)水的溫度高于或低于環(huán)境溫度，其值都大于零。［○［○］無論液態(tài)水的溫度高于或低于環(huán)境溫度，其值都大于零。［○］化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)K與壓力無關(guān)。[注]用√表示正確者暫不扣分（53=15分）簡(jiǎn)答題（簡(jiǎn)明扼要，寫在以下空白處）在熱力學(xué)中為何要引入混合規(guī)則？列出兩種常見的混合規(guī)則?！窘狻繉⒒旌衔镆暈樘摂M純物質(zhì)，就可以沿用純物質(zhì)的狀態(tài)方程，而其虛擬參數(shù)與組成有關(guān)，需要通過混合規(guī)則實(shí)現(xiàn)。（點(diǎn)出虛擬純物質(zhì)，語(yǔ)意通順者給 3分）常見的混合規(guī)則如： a yya ，b y

（每項(xiàng)給1分，可不限于上述形式，為組m i jij m iii j i成和純物質(zhì)參數(shù)的函數(shù)即可。答 Kay規(guī)則中方程亦可。）下圖示意了純組分體系沿等壓線發(fā)生汽液相變時(shí)的 V-T圖，試畫出對(duì)應(yīng)的G-T示意圖注意斜率的正負(fù)與相對(duì)大小，并說明你的根據(jù)。【解】圖形正確并標(biāo)出如下特征者給 5分（特點(diǎn)1給1分，2-3各2分，未正確說明根據(jù)者扣1-2分；未標(biāo)出特點(diǎn) 4者不扣分：沸點(diǎn)處G相等,（Gl=Gv）G對(duì)TG

S0）T pHHG對(duì)T的斜率氣相較液相更陡,（在沸點(diǎn)處有：SSv l

v l0）TG,（2G

S

Cp

0）T2p汽相液相汽相液相

T T汽相液相汽相液相T Tb vapli繪制具有最低共沸壓力的二元體系的汽液平衡 T-x-y相圖vapli【解】因體系具有最低共沸壓力，體T系壓力低于對(duì)應(yīng)理想溶液的壓力，因此為（2不扣分）正確繪圖給3分。畫成最低共沸溫度x1,y1 或p-x-y圖（但圖形正確）者扣2未標(biāo)注坐標(biāo)、汽液區(qū)域、泡點(diǎn)/露點(diǎn)線者酌情扣不超過1分。（20分）分析計(jì)算題如下圖所示的海水淡化裝置，整個(gè)系統(tǒng)由等熵效率為 75%的壓縮機(jī)提供動(dòng)力；忽略熱交換的熱損失，而每生產(chǎn)1kg純水，蒸發(fā)器熱損失為1.7kJ.現(xiàn)已知圖示各狀態(tài)點(diǎn)的數(shù)據(jù)如下：質(zhì)量℃bar質(zhì)量℃barkg/skJ/kgkJ/kg/K1液體3.452512.071599.650.33422液體3.4593.8612.0715376.61.16893飽和液體6.67100.711.0715388.11.20104液體6.6738.411.0715146.20.46185蒸汽0100.7112677.67.36556蒸汽0159.21.612790.47.43197飽和液體0113.31.61475.41.45508液體038.41.61160.90.5504

鹽,％ T

流率m H S2) 寫出整個(gè)系統(tǒng)的平衡方程，并判斷那些設(shè)備存在損失？T-S圖上示意5678的過程線，并標(biāo)出5、6、782) 寫出整個(gè)系統(tǒng)的平衡方程，并判斷那些設(shè)備存在損失？3）計(jì)算生產(chǎn)1kg純水總的損失，以及整個(gè)過程的目的效率.（環(huán)境溫度298.15K）【解】1)(10分3）計(jì)算生產(chǎn)1kg純水總的損失，以及整個(gè)過程的目的效率.（環(huán)境溫度298.15K）6、7、8狀態(tài)點(diǎn)各2分，5狀態(tài)點(diǎn)3分（詳后過程1分；示意圖不要求數(shù)值比例，但各點(diǎn)溫度和熵的相對(duì)大小和飽和關(guān)系要正確示出。 56為熵增加，因此S6>S5，標(biāo)成等熵熵減小者扣1分；7為飽和液體，明顯偏離者不給分； 8十分接近飽和液體，標(biāo)在飽和液相處不扣分。題中狀態(tài)點(diǎn) 5是對(duì)應(yīng)鹽水的飽和蒸汽，對(duì)純水應(yīng)過熱 0.7℃，因此該點(diǎn)不應(yīng)落在飽和線上，正確示出狀態(tài) 5這一特點(diǎn)并說明理由者給 3分，標(biāo)在飽和線上或未作任何說明者給2分。(6分) 取整個(gè)系統(tǒng)作為控制體積，據(jù)題意知壓縮機(jī)有功輸入，蒸發(fā)器有熱損失，則其 衡方程為：m1ε1-m4ε4-m8ε8-(1-T0/T)|Q|+|Ws|-mIint=0（項(xiàng)目2分，正負(fù)號(hào)1分，部分錯(cuò)誤扣 1分。未加絕對(duì)值者暫不扣分。正確寫出一般化平衡方程未針對(duì)本系統(tǒng)展開者給 2分）只有等熵過程才沒有?損失，顯然該系統(tǒng)中三個(gè)設(shè)備都有 ?損失（3*1分）P=1.6barP=1barP=1.6barP=1bar6758ST6T7T5T8(4分) 對(duì)蒸發(fā)器，為便于分析，選則控制體積的界面，使得其為溫度為 T0，即散熱在環(huán)溫度下進(jìn)行，T=T0,根據(jù)上述?平衡方程得：mIint=|Ws|+(m1ε1-m4ε4-m8ε8)根據(jù)?的定義ε=H-H0-T0(S-S0)=H-T0S-(H0-T0S0)一旦選定環(huán)境，(H0-T0S0)為常數(shù)，結(jié)合質(zhì)量平衡方程m1-m4-m8=0(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）該值為負(fù)說明海水淡化后 ?值升高故實(shí)現(xiàn)該過程需要從外界輸入功，其極小值即為理想功即5.9kW.以壓縮機(jī)為控制體積可計(jì)算功：|Ws|=m6H6-m5H51*(2790.4-2677.6)= 112.8kW（1分）則mIint=112.8-5.9= 106.9kW（1分）該過程目的為海水淡化，輸入 ?為壓縮機(jī)的功，因此目的 ?效率為ηobj5.9/112.8= 5.2% （1分）（15分）計(jì)算題選擇適宜的普遍化關(guān)聯(lián)式，計(jì)算二氧化碳在 0℃，2.95MPa時(shí)的剩余焓.【解】查附表B1得二氧化碳的臨界參數(shù)：Tc=304.2K,Pc= 7.376MPa,ω =0.225據(jù)題意計(jì)算出對(duì)比量：Tr=273.15/304.2=0.8979 ≈0.9,Pr=2.95/7.3760.3999 ≈0.4 （2*2分）根據(jù)圖2/7-1判斷適合用LK關(guān)聯(lián)式計(jì)算，查附表 B3得(HR)0/RTc=-0.597,(HR)1/RTc=-0.751,（2*3分）則：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）計(jì)算過程與數(shù)值結(jié)果（數(shù)值差異 5%以內(nèi)）全對(duì)，步驟過于簡(jiǎn)化者扣 2分若數(shù)值結(jié)果不正確，按步驟給分，過程全對(duì)者扣 2分。若用普遍化維里方程和 RK計(jì)算，結(jié)果分別為-1.523和-1.460kJ/mol，得到正確數(shù)值者，暫扣分，數(shù)值不正確者，酌情扣 1-5分）（20分）計(jì)算題對(duì)摩爾比為1:1-乙烷二元體系，試用下列方法計(jì)算340K1.7MPa平衡比（K值：假設(shè)液相為理想溶液，汽相為理想氣體.假設(shè)液相和汽相均為理想溶液，純組元逸度采用普遍化方法求解 .使用DePriester 列線圖.假如系統(tǒng)由摩爾比為1:1-K值是否改變？對(duì)新系統(tǒng)用上述方法計(jì)算的K值是否改變？請(qǐng)加以解釋.（已知正丁烷在340K的飽和蒸汽壓為0.7520MPa）【解相平衡條件逸度相等有: fx?vPy,這里以純液相為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，其逸度f*satPst 忽i ii i i i i i略壓力對(duì)純液相逸度的影響，即 Poynting因子=1）y satPsat則相平衡比K i i i

(1)i x ?vPi i

Psat 0.752(3分)根據(jù)題意上式活度系數(shù)與逸度系數(shù)均為 1，有K i =0.4423i P 1.7satPsat(9分)根據(jù)題意：

1,?vv,因此K i ii i i

i vPi查附表B1得正丁烷的臨界參數(shù)：Tc=425.2K,Pc=3.799MPa,ω= Tr=340/425.2=0.7996,Pr=1.7/3.799=0.4475,Prsat=0.7520/3.7990.1979. (3*1分)可采用普遍化維里方程計(jì)算上述兩個(gè)汽相狀態(tài)的逸度系數(shù)：B只是溫度的函數(shù)：B0=0.083-0.422/Tr1.6=-0.5205B1=0.139-0.172/Tr4.2=-0.3010B0+ωB1=-0.5786對(duì)狀態(tài)(Tr,Pr)lnφv=Pr/Tr*(B0+ωB1)=0.4475/0.7996*(-0.5786)=-0.3238φv0.7234 (2分)狀態(tài)(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)對(duì)狀態(tài)(Tr,Prsat)的飽和汽相也可采用LK關(guān)聯(lián)式計(jì)算逸度系數(shù)，查附表B3得：φ0=0.8730,φ1=0.9057,φsat=0.8565但對(duì)狀態(tài)(Tr,Pr)因?yàn)閴毫Τ^飽和蒸汽壓，通過LK關(guān)聯(lián)或三次型方程無法計(jì)算φv（汽相的逸度系數(shù)B3φLφ0=0.5021,φ1=0.3269,φL=φ0(φ1)ω=0.4047Ki=0.8565/0.4047*0.4423=0.936 (不正確用LK關(guān)聯(lián)計(jì)算者，沒有考慮到上述汽相不存在情況者暫不扣分3)(4分)直接查圖7/3-2Ki=0.51(4分)式(1)中

和v均與混合物的種類和組成有關(guān)，因此若系統(tǒng)中乙烷換做甲烷，正丁烷的 Kii i值會(huì)發(fā)生改變。但上述三種計(jì)算方法得到的 Ki值不變，因?yàn)樗鼈兌疾捎昧撕?jiǎn)化，盡管近程度不同，但均將液相和汽相都簡(jiǎn)化為理想混合物 ，因此計(jì)算結(jié)果與混合物的種類無關(guān)。（16分）計(jì)算題由一氧化碳加氫制取甲醇的反應(yīng)在400K和1atm下進(jìn)行CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)經(jīng)分析從反應(yīng)器得到的平衡氣相產(chǎn)品中H2的摩爾組成為40%.COCH3OH的組成.500K1atm1)H240%？為什么？已知該反應(yīng)在400K下的平衡常數(shù)為1.52，反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)生成焓為-94.47kJ/mol.【解】1)CO、H2CH3OH1-3，對(duì)于理想氣體，y P2反應(yīng)平衡方程為： 3 K ,由題意:y2=0.4,K=1.52,p=p○yy21 2

p+y2+y