Examen en línea de termodinámica de ingeniería química de la Universidad del Petróleo de China 2014 (preguntas subjetivas)
Educación a distancia de la Universidad del Petróleo de China
"Termodinámica química"
1. Pida a los estudiantes que utilicen los conocimientos que han aprendido sobre termodinámica química y elijan entre los siguientes. temas dados Elija al menos 2 temas para discusión: (Puntuación total: 100 puntos)
1 Hay muchas ecuaciones de estado en el libro de texto. Elija un sistema, una ecuación de estado y una ecuación basada en. Se analiza la precisión del cálculo de su relación PVT y se proponen direcciones y opiniones para mejorar.
Análisis del estado de PVT del propileno
Recientemente estoy realizando una capacitación en el taller de metanol de una planta de coque en Wujiaqu, Xinjiang. El propileno es el refrigerante más utilizado en la sección de purificación de metanol. Estoy aprendiendo sobre la compresión del propileno. Al mismo tiempo, también adquirió un conocimiento profundo de las propiedades físicas y químicas del propileno.
Propiedades físicas y químicas del propileno: El propileno es un gas incoloro, ligeramente dulce e inflamable con una fórmula molecular de CH3CH=CH2, un peso molecular de 42,08, un punto de ebullición de -47,7°C, un punto de fusión punto de -185,25 ° C y una densidad de 1,46 veces la del aire, la temperatura crítica es 91,8 ℃, la presión crítica es 4,6 Mpa, el límite de explosión es 2,0 ~ 11% (vol) y el punto de inflamación es -108 ℃. (Por lo tanto, se debe tener especial cuidado al almacenar propileno. Si se fuga, es más pesado que el aire y se acumula en áreas bajas y zanjas. Si encuentra chispas durante el flujo, puede causar fácilmente una explosión y consecuencias graves).
Elegimos utilizar la ecuación de estado R-K para analizar la precisión del cálculo de la relación PVT del propileno líquido. De "Chemical Thermodynamics, editado por Chen Guangjin y otros", encontramos que los datos críticos del propileno. es Tc=364,9K; pc=46,0 *10-1MPa.
Los siguientes son los datos de propiedades del propileno proporcionados por la planta de coque de Shanghai.
Para facilitar el cálculo, utilice la conversión de Excel y un cálculo simple para obtener los nuevos datos de la siguiente manera:
Temperatura
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 Presión
atm) 1,401 2,097 3,023 4,257 5,772 7,685 10,046 12,911 16,307 Volumen
mL/g) 12966 6404 4639 3423 2569 1957 1510 151 0 1177 50 20.299 922 ( ℃) ((
Temperatura
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
（℃）
Temperatura (K) 233 243 253 263 273 283 293 303 313 Presión P
1.4196 2.1248 3.0631 4.3134 5.8485 7.7868 10.1791 13.0821
（1*10 -1MPa）
Volumen molar v
54560.928 26948.032 19520.912 14403.984 10810.352 8235.056 6354.080 6354.080 4952.816
(1*10-5m3/mol)
Ecuación R-K: 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
De la tabla anterior, también sabemos el volumen molar v, por lo que de acuerdo con la ecuación R-K, puedes usar Excel para calcular el valor de presión P1 en cada temperatura:
Temperatura
(℃) -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 Presión P
1*10-1MPa) 1.4196 2.1248 3.0631 4.3134 5.8485 7.7868 10.1791 13.0821 16.5231 20.5680 Presión calculada
P-11.028 8 2,1706 3,1182 4,3903 6,0679 8,2505 11,0602 11.4412 15.1467 19.9288
1(1*10MPa)
Comparando los datos calculados con la ecuación de estado R-K y el valor dado, se puede obtener la siguiente gráfica de datos: 50 323 20.5680 3879.776 50 (
A través del cálculo y comparación con los datos de la figura anterior, se puede concluir que utilizando los "Valores de propiedad del propileno dados por la planta de coque de Shanghai", sustituyendo el valor v, se calcula el valor de presión P1 el uso de la ecuación R-K tiene una desviación muy pequeña del valor P dado. Es decir, para el propileno gaseoso, es muy confiable utilizar la ecuación de estado R-K para calcular su relación PVT.
Breve descripción del proceso de refrigeración:
El gas propileno de Recfisol se mezcla con el gas descargado desde el lado de la carcasa del subenfriador de propileno, la presión es 0,13 Mpa, la temperatura es -40 °C, y entra en la compresión. Después de saturar y medir el separador de entrada de la máquina, la presión del gas es de 0,12 Mpa y la temperatura es de -40 °C. Ingresa a la sección del compresor de propileno. El vapor flash de propileno que sale del tanque flash. una presión de 0.525Mpa y una temperatura de -5.5°C ingresa al compresor de propileno. En la sección media, ambos gases se comprimen a 1.9Mpa y se descargan a 102°C. El gas comprimido es condensado por el condensador de propileno. El propileno líquido ingresa al tanque de almacenamiento de propileno con una presión de 1,85 Mpa y una temperatura de 45 °C, que es Para evitar el aumento repentino del compresor de propileno, hay una línea de retorno en la salida de gas de la máquina de propileno al separador de entrada para complementar la volumen de gas insuficiente. El propileno líquido del tanque de almacenamiento de propileno ingresa al tanque de flasheo y el vapor flash ingresa a la sección media de la máquina de propileno. Se extrae una tubería desde la salida del compresor de propileno para formar un circuito antisobretensión de segunda etapa. El propileno líquido tiene una presión de 0,525 Mpa y una temperatura de -5,5. Se conduce desde el fondo del tanque de flash y ingresa al separador de entrada del compresor. El nivel del líquido se ajusta para complementar el flujo de gas propileno importado. de otra manera ingresa al crioenfriador de propileno y enciende el propio propileno. Para bajar la temperatura, el gas propileno en el lado de la carcasa se encuentra con Recfisol. El líquido del lado del tubo ajusta aún más la temperatura a -20 °C y la presión a 0,485 Mpa a través del. bypass, sale del sistema y entra a Recfisol para proporcionar la capacidad de enfriamiento requerida para el lavado de metanol a baja temperatura. Para evitar que se congelen trazas de agua en el propileno durante el proceso de evaporación instantánea, es necesario inyectar una pequeña cantidad de metanol en el sistema. La pulverización de metanol se logra ajustando el tamaño del propileno líquido del almacenamiento de metanol y propileno. tanque en la salida de la bomba dosificadora al tanque de evaporación instantánea y ajustar la mezcla de aspersión.
Debido a que el propileno es inflamable y explosivo, es necesario reemplazar el propileno con N2 antes y después del mantenimiento del equipo, y luego reemplazar el N2 con aire. Al conducir, primero reemplace el aire con N2 y luego reemplace el N2 con. propileno.
2. Basado en el principio de conversión de trabajo en calor, seleccione un sistema o condición de trabajo para analizar el proceso de ahorro de energía. Se requieren pasos de cálculo detallados y análisis del proceso.
Principios del aire acondicionado y la refrigeración
El aire acondicionado se puede ver en todas partes de la vida diaria. A continuación se utiliza la relación temperatura-entropía y la relación presión-entalpía para analizar su proceso de refrigeración y. principio. El principio del aire acondicionado y la refrigeración involucra la primera ley de la termodinámica y la segunda ley de la termodinámica, que es el ciclo de Carnot inverso. El siguiente es el análisis y cálculo del ciclo de refrigeración teórico.
1: Ciclo de Carnot inverso - cálculo funcional del ciclo de refrigeración ideal:
Figura 1 Diagrama de entropía de temperatura
Consta de dos procesos isotérmicos y dos procesos adiabáticos Composición del proceso. Suponga que la temperatura de la fuente de calor de baja temperatura (es decir, el medio a enfriar) es T0 y la temperatura de la fuente de calor de alta temperatura (es decir, el medio ambiente) es Tk. T0 durante el proceso de absorción de calor y Tk durante el proceso de liberación de calor, es decir, durante el proceso de absorción. Durante los procesos térmicos y exotérmicos, no existe diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y la fuente de frío y la fuente de calor de alta temperatura. es decir, la transferencia de calor se realiza de forma isotérmica y los procesos de compresión y expansión se realizan sin pérdida alguna. El proceso del ciclo es:
Primero, el fluido de trabajo absorbe calor q0 de la fuente fría (es decir, el medio enfriado) en T0 y sufre una expansión isotérmica 4-1 y luego una compresión adiabática 1-2. para hacer que su temperatura suba de T0 a la temperatura Tk del medio ambiental, luego realiza una compresión isotérmica 2-3 en Tk, y libera calor qk al medio ambiental Finalmente, realiza una expansión adiabática 3-4, de modo que la temperatura. cae de Tk a T0, que es el fluido de trabajo. Vuelve al estado inicial 4, completando así un ciclo.
Para el ciclo de Carnot inverso, se puede ver en la figura:
q0=T0(S1-S4)
qk=Tk(S2-S3) )= Tk(S1-S4)
w0=qk-q0=Tk(S1-S4)-T0(S1-S4)=(Tk-T0)(S1-S4)
Entonces el coeficiente de refrigeración εk del ciclo de Carnot inverso es: εk = w0/ qk=(Tk-T0) / Tk
De la fórmula anterior, se puede ver que el coeficiente de refrigeración del ciclo inverso El ciclo de Carnot no tiene nada que ver con la naturaleza del fluido de trabajo, solo la naturaleza del fluido de trabajo. Depende de la temperatura T0 de la fuente fría (es decir, el objeto que se está enfriando) y la temperatura Tk de la fuente de calor (es decir, la medio ambiente); reducir Tk y aumentar T0 puede aumentar el coeficiente de enfriamiento. Además, la segunda ley de la termodinámica también se puede demostrar: "El ciclo inverso que opera dentro de un rango de temperatura de fuente de frío y fuente de calor determinado tiene el coeficiente de refrigeración más alto del ciclo de Carnot inverso". El coeficiente de refrigeración de cualquier ciclo de refrigeración real es menor que el del ciclo de Carnot inverso.
El proceso de cambio de los cuatro componentes principales del sistema de refrigeración y el refrigerante:
El sistema del ciclo de refrigeración por compresión de vapor se compone principalmente de cuatro componentes principales, a saber, compresor, condensador, elemento estrangulador y evaporador Los refrigerantes están conectados en serie con tuberías de diferentes diámetros para formar un sistema cerrado que puede hacer circular el refrigerante. El compresor de refrigeración es impulsado por un motor primario, como un motor, para funcionar, aspirando constantemente el vapor de refrigerante en el evaporador, comprimiéndolo en vapor sobrecalentado de alta presión (pk) y expulsándolo al condensador. la existencia de esta alta presión que el vapor de refrigerante libera calor en el condensador y transfiere el calor al medio ambiental circundante, condensando así el vapor de refrigerante en un líquido. Por supuesto, la temperatura del vapor de refrigerante cuando se condensa debe ser mayor que la. temperatura del medio circundante. El líquido condensado todavía está bajo alta presión y fluye a través del elemento estrangulador hacia el evaporador. En el elemento estrangulador, el refrigerante disminuye desde la alta presión pk en el extremo de entrada hasta la baja presión p0, y desde la alta temperatura tk hasta t0, y una pequeña cantidad de líquido se vaporiza formando vapor.
Dos: Ciclo de Carnot inverso: cálculo del proceso del ciclo de refrigeración ideal
De acuerdo con los supuestos del ciclo teórico, se muestra el proceso de trabajo del ciclo teórico de refrigeración por compresión de vapor de una sola etapa. en el diagrama de presión-entalpía. La representación se muestra en la Figura 2.
Figura 2 Diagrama teórico de presión-entalpía del ciclo de refrigeración
1) El compresor de refrigeración extrae vapor de refrigerante saturado (punto de estado 1) con presión de evaporación p0 del evaporador, a lo largo de la línea isentrópica Comprimir a la presión de condensación pk (punto de estado 2), y se completa el proceso de compresión.
2) El vapor de refrigerante de alta temperatura y alta presión en el punto de estado 2 ingresa al condensador y sufre un intercambio de calor con el aire o agua del medio ambiente a través del condensador. Después de liberar calor qk, se enfría a. el estado de vapor saturado a lo largo de la línea isobárica pk. Punto 2?, y luego se condensa al estado líquido saturado punto 3, y se completa el proceso de condensación. Hay una diferencia de temperatura entre el refrigerante y el medio ambiente durante el proceso de enfriamiento (2-2?), y no hay diferencia de temperatura entre el refrigerante y el medio ambiente durante el proceso de condensación (2?-3).
3) El líquido refrigerante saturado en el punto de estado 3 es estrangulado y despresurizado por el elemento estrangulador y, a lo largo de la línea de isentalpía (el valor de entalpía permanece sin cambios durante el proceso de estrangulamiento), la presión de condensación pk se reduce a la presión de evaporación p0, alcanzando el punto 4 del estado de vapor húmedo, se completa el proceso de expansión.
4) El vapor húmedo del refrigerante en el punto de estado 4 ingresa al evaporador, absorbe el calor del medio enfriado en el evaporador y se vaporiza a lo largo de la isobara p0, alcanzando el estado de vapor saturado punto 1, y la evaporación se completa el proceso. No hay diferencia de temperatura entre la temperatura de evaporación del refrigerante y el medio que se está enfriando.
Método de cálculo del ciclo teórico:
1. Capacidad de enfriamiento de masa unitaria La capacidad de enfriamiento producida por el compresor de refrigeración a partir del medio enfriado a través de la circulación por 1 kg de refrigerante se denomina masa unitaria. La capacidad de refrigeración está representada por q0.
q0=h1-h4=r0 (1-x4) (1-1)
Donde q0? Capacidad de refrigeración por unidad de masa (kJ/kg);
h1? El valor de entalpía específica correspondiente al estado de succión (kJ/kg);
h4 ¿El valor de entalpía específica del vapor húmedo después de la estrangulación (kJ/kg);
r0? El calor latente de vaporización del refrigerante a la temperatura de evaporación (kJ/kg);
x4? La sequedad del refrigerante bifásico gas-líquido después de la estrangulación.
La capacidad de enfriamiento q0 por unidad de masa en el diagrama de presión-entalpía es equivalente a la proyección de la línea de proceso 1-4 en el eje h (ver Figura 1-2).
2. La capacidad de enfriamiento producida por el compresor de refrigeración por unidad de volumen de capacidad de refrigeración del medio enfriado a través de la circulación por cada 1 m3 de vapor de refrigerante (según el estado de succión) se denomina unidad de volumen de capacidad de refrigeración. , expresado en qv significa.
qv?q0h1?h4?v1v1 (1-2)
En la fórmula, qv? Capacidad de refrigeración por unidad de volumen (kJ/m3);
v1? Refrigeración El volumen específico del agente en estado inhalado (m3/kg).
3. Trabajo teórico específico: Cuando el compresor de refrigeración realiza una compresión isentrópica, el trabajo consumido por cada compresión y transporte de 1kg de vapor refrigerante se denomina trabajo teórico específico, representado por w0.
w0=h2-h1 (1-3)
¿Donde w0?Potencia específica teórica (kJ/kg);
h2?Escape del compresor La entalpía específica valor del refrigerante en el estado de succión del compresor (kJ/kg);
h1? El valor de entalpía específica del refrigerante en el estado de succión del compresor (kJ/kg).
4. Carga térmica de condensación de la unidad: El calor liberado en el condensador cada vez que el compresor de refrigeración entrega 1 kg de refrigerante se denomina carga térmica de condensación de la unidad, expresada en qk.
qk=（h2-h2?）（h2?-h3）=h2-h3（1-4）
¿Dónde qk? Carga de calor de condensación de la unidad (kJ/kg);
h2 El valor de entalpía específica del estado de vapor saturado seco correspondiente a la presión de condensación (kJ/kg); h3 ¿El valor de entalpía específica del estado de líquido saturado correspondiente a la presión de condensación (kJ/kg)? ;
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En el diagrama presión-entalpía, qk es equivalente a la proyección de la línea de proceso isobárico de enfriamiento y condensación 2-2?-3 en el eje h (Ver Figura 2).
Comparando la fórmula (1-1), la fórmula (1-3), la fórmula (1-4) y h4=h3, se puede observar que para el ciclo teórico de refrigeración por compresión de vapor de una sola etapa, existe es la siguiente relación
qk = q0 w0 (1-5)
5. El coeficiente de refrigeración es la relación entre la capacidad de refrigeración por unidad de masa y el trabajo específico teórico, es decir. , la relación de los beneficios y costos del ciclo teórico, que se denomina coeficiente de refrigeración del ciclo teórico, se representa por ?0, es decir,
q0h1?h4?w0h2?h1 (1-6) ?0 ?
De acuerdo con los indicadores de rendimiento anteriores, se puede calcular además Obtener datos como el volumen de circulación del refrigerante, el calor liberado en el condensador y la potencia teórica requerida por el compresor.
3. Seleccionar un método de cálculo del equilibrio de fases apropiado para el proceso de tratamiento de soluciones acuosas que contienen fenol, brindar procesos y pasos de cálculo detallados, y analizar y discutir los resultados.
Se estableció un modelo de programación no lineal entera mixta para el cálculo del equilibrio de fases de soluciones mixtas de electrolitos y se propuso un algoritmo genético para resolverlo. Primero, basándose en el principio de minimización de energía libre de Gibbs, se estableció un modelo de cálculo del equilibrio de fases para el sistema electrolítico codificando los tipos de sales precipitadas en la fase líquida y en la fase sólida, y el problema de cálculo del equilibrio de fases se transformó en un problema de optimización restringida. en segundo lugar, se utilizó un algoritmo genético para resolver, la implementación efectiva del algoritmo se garantiza mediante la adopción de un método de codificación de dominio factible de límite dinámico y tecnología de convergencia secuencial para las variables de optimización, que pueden realizar el cálculo del equilibrio sólido-líquido y obtener el número de precipitados; cristales, tipo de sal, cantidad de composición de fase sólida y líquida. Finalmente, se realizaron cálculos en varios sistemas, y los resultados muestran que este método es factible y efectivo;
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