Examen en línea de termodinámica de ingeniería química de la Universidad Youshi de China 2014 (preguntas subjetivas)
Termodinámica química
1. Se requiere que los estudiantes utilicen sus conocimientos de termodinámica química para seleccionar al menos dos temas para discusión de los temas que se detallan a continuación: ( Puntuación total 100)
1. Hay muchas ecuaciones de estado en el libro de texto. Elija un sistema y una ecuación de estado según su trabajo o su vida, analice la precisión del cálculo de la relación PVT y proponga direcciones y sugerencias de mejora.
Análisis del estado PVT del propileno
Recientemente recibió formación en el taller de metanol de una planta de coquización en Wujiaqu, Xinjiang. En la sección de purificación de metanol, el propileno es el refrigerante más utilizado. Mientras estudiaba la sección de compresión de propileno, también obtuve un conocimiento profundo de las propiedades físicas y químicas del propileno.
Propiedades físicas y químicas del propileno: El propileno es un gas inflamable incoloro y ligeramente dulce 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 de -185,25°C, y una densidad del aire.
1,46 veces, temperatura crítica 91,8 ℃, presión crítica 4,6 Mpa, límite de explosión 2,0 ~ 11 % (volumen), punto de inflamación -108 ℃. (Por lo tanto, el propileno debe almacenarse con cuidado. Si se fuga, es más pesado que el aire y se acumula en áreas bajas y zanjas. Si encuentra chispas durante el flujo, puede provocar fácilmente una explosión y tener consecuencias graves).
La precisión del cálculo de la relación PVT del propileno líquido se analizó utilizando la ecuación de estado R-K. Los datos críticos del propileno son Tc=364,9K, que provienen de "Chemical Thermodynamics" editado por Chen Guangjin y otros. pc=46.0*10-1MPa,
Los siguientes son los datos de rendimiento del propileno proporcionados por la planta de coque de Shanghai.
Para facilitar el cálculo, los nuevos datos obtenidos mediante conversión excel y cálculo sencillo son los siguientes:
Temperatura
-40-30-20-10 0 10 20 30 40 presión
ATM)1.401 2.097 3.023 4.257 5.772 7.685 1.046 12.91 16.307Volumen.
mL/g)12966 6404 4639 3423 2569 1957 10 1510 10 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 16.5231
(1 * 10-1 MPa)
Volumen molar v
54560.928 26948.032 19520.912 14403.984 10810.352 8235.056 3 54.080 6354.080 4952.816
(1 * 10-5 metros cúbicos/mol)
Ecuación R-K: p? b
0.42748R2T2.52.5
¿Respuesta? 8.3146?16.3409?m6?106?mol?2?
Deficiencia del componente 4 del complemento
b? 6? 106? m3? mol? 1?
Falta el cuarto componente del complemento
También conocemos el volumen molar v de la tabla anterior, por lo que de acuerdo con la ecuación R-K. , podemos usar Excel para calcular la temperatura.
Valor de presión P1 grado:
Temperatura
(℃)-40-30-20-10 0 10 20 30 40 Presión P
1 * 10-1 MPa)1.4196 2.1248 3.0654438+0 4.365435.
p-11.0288 2.1706 3.1182 4.3903 6.0679 8.2505 11.0602 11.44412 15.65443 8
1(1 * 10MPa)
Comparando los datos calculados por la ecuación de estado R-K con el valor dado, se puede obtener el siguiente gráfico de datos: 50 323 20.5680 3879.776 50 (
Comparando el cálculo con los datos anteriores En la figura, podemos sacar una conclusión: entre los valores de las propiedades del propileno dados por la planta de coque de Shanghai, el valor de presión P1 calculado sustituyendo el valor V en la ecuación R-K tiene una desviación muy pequeña del valor P dado. , para el propileno gaseoso, la relación PVT se calcula utilizando la ecuación de estado R-K. Es muy confiable.
Introducción al proceso de refrigeración:
El gas propileno del alcohol recuperado es. mezclado con el gas descargado desde el lado de la carcasa del subenfriador de propileno, la presión es de 0,13 Mpa y la temperatura es de -40 ℃. Después de la medición de la saturación de gas, ingresa a una presión de 0,12 Mpa y una temperatura de -40 ℃. En la primera etapa del compresor de propileno, la presión del vapor flash de propileno del tanque flash es de 0,525 Mpa y la temperatura es de -5,5 ℃. Al ingresar a la sección media del compresor de propileno, los dos gases se comprimen a 1,9 Mpa y se descargan a. 102 ° C El gas comprimido se condensa a través del condensador de propileno y el propileno líquido ingresa al tanque de almacenamiento de propileno a una presión de 1,85 Mpa. Para evitar que el compresor de propileno se acelere, la salida de gas de la máquina de propileno es. insuficiente y regresa a la tubería del circuito del separador de entrada. 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 con una temperatura de ℃. La primera tubería comienza desde la salida del. El compresor de propileno es el circuito secundario antisobretensión. La presión del propileno líquido es de 0,525 Mpa y la temperatura es de -5,5. Se conduce desde el fondo del tanque de flash hasta el separador de entrada del compresor para ajustar el nivel del líquido y complementar el. entrada. El flujo de gas propileno ingresa al refrigerador de propileno, y el gas propileno en el lado de la carcasa se evapora y se enfría. El líquido del lado del tubo se ajusta aún más a -20 °C y la presión es de 0,485 Mpa. sale del sistema y ingresa al líquido de recuperación. Durante el proceso de evaporación instantánea, se debe inyectar una pequeña cantidad de metanol en el sistema. La pulverización de metanol se completa ajustando la mezcla de pulverización de los tanques de almacenamiento de metanol y propileno en la salida de la bomba dosificadora.
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. El proceso y el principio de refrigeración se analizaron utilizando la relación temperatura-entropía y la relación presión-entalpía, respectivamente. El principio de refrigeración de los acondicionadores de aire implica la primera ley de la termodinámica y la segunda ley de la termodinámica, que es un ciclo de Carnot inverso. El siguiente es un cálculo analítico del ciclo de refrigeración teórico.
1. Ciclo de Carnot inverso - cálculo funcional del ciclo de refrigeración ideal:
Figura 1 Diagrama de diferencia de temperatura
Incluye dos procesos isotérmicos y dos procesos adiabáticos. . Supongamos que la temperatura de la fuente de calor de baja temperatura (es decir, el medio que se está enfriando) es T0, y la temperatura de la fuente de calor de alta temperatura (es decir, el medio ambiente) es Tk, entonces la temperatura del fluido de trabajo durante el El proceso endotérmico es T0, y la temperatura del fluido de trabajo durante el proceso exotérmico es Tk, también es decir, no hay diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y la fuente fría y la fuente de calor de alta temperatura durante los procesos endotérmico y exotérmico. Es decir, la transferencia de calor se realiza a temperatura isotérmica, y los procesos de compresión y expansión se realizan sin pérdida alguna. El proceso del ciclo es el siguiente:
El medio de trabajo primero absorbe calor q0 de la fuente fría (es decir, el medio enfriado) en el momento T0, sufre una expansión isotérmica de 4-1 y luego sufre una compresión adiabática de 1. -2 para hacerlo La temperatura aumenta de T0 a la temperatura del medio ambiente, y luego realiza 2-3 compresiones isotérmicas en el momento Tk, liberando calor qk al medio ambiente, y finalmente realiza 3-4 expansión adiabática, causando la temperatura para pasar de Tk a T0.
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(s 1-S4)-T0(s 1-S4)=(Tk-T0)(s 1-S4)
El coeficiente de refrigeración εk del ciclo de Carnot inverso es: εk = w0/ qk=(Tk-T0)/Tk.
Se puede ver en la fórmula anterior que el coeficiente de refrigeración del ciclo de Carnot inverso no tiene nada que ver con la naturaleza del fluido de trabajo y solo depende de la fuente de frío (es decir,
La temperatura T0 del objeto a enfriar y la fuente de calor (es decir, la temperatura del medio ambiente) tk; reducir Tk y aumentar T0 puede aumentar el coeficiente de refrigeración. Además, se puede utilizar la segunda ley de la termodinámica. que "dentro de un rango de temperatura de fuente de frío y calor determinado, el coeficiente de refrigeración del ciclo de Carnot inverso es el más alto". El coeficiente de refrigeración de cualquier ciclo de refrigeración real es menor que el coeficiente de refrigeración del ciclo de Carnot inverso
<. p>Los cuatro componentes del sistema de refrigeración y el proceso de cambio del refrigerante;Sistema del ciclo de refrigeración por compresión de vapor. Se compone principalmente de cuatro partes: compresor, condensador, elemento estrangulador y evaporador, que están conectados. en serie con tuberías de diferentes diámetros para formar un sistema cerrado que pueda hacer circular el refrigerante. El compresor de refrigeración es impulsado por un motor y otros motores primarios y aspira continuamente el vapor de refrigerante en el evaporador a alta presión (. pk) y vapor sobrecalentado, y se descarga y se envía al condensador. Debido a esta alta presión, el vapor de refrigerante libera calor en el condensador y lo transfiere al medio ambiente circundante. Por supuesto, la temperatura a la que se condensa el vapor de refrigerante debe ser mayor que la temperatura del medio circundante y fluye a través del elemento estrangulador hacia el evaporador. La presión alta pk al final disminuye a la presión baja p0, y la temperatura alta tk disminuye a t0. , y una pequeña cantidad de líquido se evapora en vapor
2. Cálculo del proceso del ciclo de refrigeración ideal del ciclo de Carnot
Según los supuestos del ciclo teórico, el proceso de trabajo del. El ciclo teórico de refrigeración por compresión de vapor de una sola etapa se muestra en la Figura 2 en el diagrama de entalpía de presión
Figura 2 Diagrama de entalpía de presión del ciclo de refrigeración teórico
1) El compresor de refrigeración inhala saturado. vapor refrigerante con una presión de evaporación p0 del evaporador (punto de estado 1), y lo comprime a lo largo de la línea isentrópica (punto de estado 2) a la presión de condensación pk, 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, realiza el intercambio de calor con el aire o agua del medio ambiente a través del condensador, libera calor qk y luego se enfría hasta el estado de vapor saturado a lo largo de la línea isobárica pk ¿Punto 2? Luego se condensa hasta el punto 3 del líquido saturado y se completa el proceso de condensación. Durante el proceso de enfriamiento (2-2?) La interfaz entre el refrigerante y el ambiente
Existe una diferencia de temperatura entre la masa y el proceso de condensación (2?-3) No hay diferencia de temperatura entre el refrigerante y el medio ambiente.
3) Después de que el elemento estrangulador estrangula y despresuriza el líquido refrigerante saturado en el punto de estado 3, cae desde la presión de condensación pk a la presión de evaporación p0 a lo largo de la línea de isentalpía (la entalpía permanece sin cambios durante la estrangulación). ), alcanzando el punto 4 del estado de vapor húmedo, se completa el proceso de expansión.
4) El vapor de refrigerante húmedo en el punto de estado 4 ingresa al evaporador, absorbe el calor del medio enfriado, se evapora a lo largo de la línea isobárica p0, alcanza el punto 1 del estado de vapor saturado y se completa el proceso de evaporación. . No hay diferencia de temperatura entre las temperaturas de evaporación del refrigerante y el medio que se está enfriando.
Método de cálculo del ciclo teórico:
1. La capacidad de enfriamiento por unidad de masa del compresor de refrigeración de 1 kg de refrigerante producido por el medio enfriado se denomina capacidad de enfriamiento de masa unitaria, expresada en q0 significa.
Q0 = h 1-H4 = r0(1-x4)(1-1)
Donde q0 es la capacidad de refrigeración por unidad de masa (kJ/kg);
h1 corresponde a la entalpía específica del estado de succión (KJ/kg);
H4 entalpía específica del vapor húmedo después de la estrangulación (kJ/kg);
Refrigerante a la temperatura de evaporación de r0 El calor latente de evaporación (kJ/kg);
La sequedad del refrigerante bifásico gas-líquido después de una aceleración x4.
La capacidad de enfriamiento q0 por unidad de masa es equivalente a la proyección de la línea de proceso 1-4 en el eje H en el diagrama presión-entalpía (ver Figura 1-2).
2. La capacidad de refrigeración por unidad de volumen del compresor de refrigeración se obtiene del medio a enfriar después de cada inhalación de 1m3 de vapor refrigerante (calculado según el estado de succión) se denomina unidad de volumen de refrigeración. capacidad, expresada en qv.
qv? q0h1? h4? v1v1 (1-2)
Donde qv es la capacidad de enfriamiento por unidad de volumen (kJ/m3);
El volumen específico de refrigerante v1 en el estado de succión (m3/kg) .
3. Potencia específica teórica El trabajo que consume el compresor de refrigeración para comprimir y transportar 1 kg de vapor refrigerante cada vez se denomina potencia específica teórica, representada por w0.
w0=h2-h1 (1-3)
Potencia específica teórica w0 (kJ/kg);
Enfriamiento del compresor de H2 en estado de escape Entalpía específica de refrigerante (kJ/kg);
h1 Entalpía específica del refrigerante en estado de succión del compresor (kJ/kg).
4. Carga térmica de condensación unitaria El calor liberado por el compresor de refrigeración por 1 kg de refrigerante en el condensador se denomina carga térmica de condensación unitaria, expresada en qk.
qk=(h2-h2?)+(h2?-h3)=h2-h3 (1-4)
En la fórmula, qk carga de calor de condensación unitaria (kj/ kg) ;
h2? Entalpía específica del vapor saturado seco correspondiente a la presión de condensación (kJ/kg); entalpía específica del H3 del líquido saturado correspondiente a la presión de condensación (kJ/kg);
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En el diagrama presión-entalpía, ¿qk es equivalente a la línea 2-2 del proceso de condensación de enfriamiento isobárico? La proyección de -3 en el eje H (ver Figura 2).
Comparando las ecuaciones (1-1), (1-3), (1-4) y h4=h3, se puede observar que para el ciclo teórico de refrigeración por compresión de vapor de una sola etapa, existe 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 la potencia específica teórica, es decir, la relación de beneficio al costo del ciclo teórico, que se denomina coeficiente de refrigeración del ciclo teórico. 0 significa que es
q0h1? h4? w0h2? h1 (1-6)? 0?
Con base en los indicadores de rendimiento anteriores, podemos obtener más datos como el volumen de circulación de refrigerante, la liberación de calor del condensador y la potencia teórica requerida por el compresor.
3. Seleccione un método de cálculo del equilibrio de fases adecuado para el tratamiento de soluciones acuosas que contienen fenol, proporcione procesos y pasos de cálculo detallados y analice y discuta 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 resolver el modelo. Primero, basándose en el principio de minimización de energía libre de Gibbs, se establece un modelo de cálculo del equilibrio de fases del sistema electrolítico codificando las sales precipitadas en la fase líquida y en la fase sólida, y el problema de cálculo del equilibrio de fases se transforma en un problema de optimización restringida. En segundo lugar, se utiliza un algoritmo genético para resolver el problema, y el método de codificación de la región factible de límite dinámico y la tecnología de convergencia secuencial se utilizan para las variables de optimización para garantizar la ejecución efectiva del algoritmo, logrando así el cálculo del equilibrio sólido-líquido y obteniendo el número. de cristales precipitados, sales, cantidad sólida y composición de la fase líquida. Finalmente, los resultados de los cálculos para varios sistemas muestran la viabilidad y eficacia de este método.
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