2014년 중국석유대학교 북경화공공학 열역학 온라인 시험(주관문항)
중국 석유 원격 교육 대학
"화학 열역학"
1. 학생들에게 화학 열역학에 대해 배운 지식을 사용하고 다음 중에서 선택하도록 하십시오. 주어진 주제 토론할 주제를 2개 이상 선택하십시오: (총점: 100점)
1. 교과서에 제시된 상태 방정식이 많이 있습니다. 시스템, 상태 방정식 및 다음을 기반으로 하는 방정식을 선택하십시오. 귀하의 업무나 생활에 있어 PVT 관계의 계산 정확도를 분석하고 개선 방향과 의견을 제시합니다.
프로필렌의 PVT 현황 분석
최근 신장 우자취에 있는 코크스 공장의 메탄올 작업장에서 교육을 진행하고 있습니다. 프로필렌은 메탄올 정제 부문에서 가장 많이 사용되는 냉매입니다. 프로필렌 압축에 대해 배우면서 동시에 프로필렌의 물리적, 화학적 특성에 대해서도 깊이 있게 이해하게 되었습니다.
프로필렌의 물리화학적 특성: 프로필렌은 분자식 CH3CH=CH2, 분자량 42.08, 끓는점 -47.7°C, 녹는 점 -42.08의 무색, 약간 달콤한 가연성 가스입니다. 온도는 -185.25°C, 밀도는 공기의 1.46배, 임계온도는 91.8℃, 임계압력은 4.6Mpa, 폭발한계는 2.0~11%(vol), 인화점은 -108℃. (따라서 프로필렌 보관시 각별한 주의가 필요합니다. 누출되면 공기보다 무거워서 저지대나 도랑에 쌓이게 됩니다. 흐름 중 스파크가 발생하면 쉽게 폭발하여 심각한 결과를 초래할 수 있습니다.)
액체 프로필렌의 PVT 관계 계산 정확도를 분석하기 위해 R-K 상태 방정식 계산을 사용하기로 결정했습니다. "Chemical Thermodynamics, 편저: Chen Guangjin 외"에서 프로필렌의 중요한 데이터를 발견했습니다. is Tc=364.9K; pc=46.0 *10-1MPa,
다음은 상하이 코킹 플랜트에서 제공한 프로필렌 특성 데이터입니다.
계산의 편의를 위해 엑셀 변환과 간단한 계산을 사용하여 다음과 같이 새로운 데이터를 얻습니다:
온도
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 압력
atm) 1.401 2.097 3.023 4.257 5.772 7.685 10.046 12.911 16.307 부피
mL/g) 12966 6404 4639 3423 2569 1957 1510 151 0 1177 50 20.299 922 ( ℃) ((
온도
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
（℃)
온도 (K) 233 243 253 263 273 283 293 303 313 압력 P
1.4196 2.1248 3.0631 4.3134 5.8485 7.7868 10.1791 13.0821 16.5231
（1*10 -1MPa)
몰량 v
54560.928 26948.032 19520.912 14403.984 10810.352 8235.056 6354.080 6354.080 4952.816
(1*10-5m3/mol)
R- K 방정식: 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
위 표에서 우리는 또한 몰 부피 v이므로 R-K 방정식에 따라 Excel을 사용하여 각 온도에서 압력 값 P1을 계산할 수 있습니다.
온도
(℃) -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 압력 P
1*10-1MPa) 1.4196 2.1248 3.0631 4.3134 5.8485 7.7868 10.1791 13.0821 16.5231 20.5680 계산된 압력
P-11. 0288 2.1706 3.1182 4.3903 6.0679 8.2505 11.0602 11.4412 15.1467 19.9288
1(1*10MPa)
R-K 상태 방정식으로 계산된 데이터와 주어진 값을 비교하면 다음과 같은 데이터 그래프를 얻을 수 있습니다. 50 323 20.5680 3879.776 50 (
위 그림의 데이터와 계산 결과를 비교하면 "상하이 코크스 공장에서 제공하는 프로필렌 물성 값"을 이용하고 v 값을 대입하면 압력 값 P1이 계산된 것으로 결론을 내릴 수 있습니다. R-K 방정식을 사용하면 주어진 P 값에서 거의 벗어나지 않습니다. 즉, 기체 프로필렌의 경우 R-K 상태 방정식을 사용하여 PVT 관계를 계산하는 것이 매우 신뢰할 수 있습니다.
냉동 공정에 대한 간략한 설명:
Refisol의 프로필렌 가스는 프로필렌 과냉각기 쉘 측에서 배출되는 가스와 혼합되며 압력은 0.13Mpa, 온도는 -40입니다. °C, 압축에 들어갑니다. 기계 입구 분리기가 포화되어 측정된 후 가스 압력은 0.12Mpa이고 온도는 -40°C입니다. 플래시 탱크에서 나오는 프로필렌 플래시 증기는 프로필렌 압축기 섹션으로 들어갑니다. 0.525Mpa의 압력과 -5.5°C의 온도. 중간 섹션에서 두 가스가 모두 1.9Mpa로 압축되고 102°C로 배출됩니다. 압축된 가스는 프로필렌 응축기에 의해 응축됩니다. 액체 프로필렌은 1.85Mpa의 압력과 45°C의 온도로 프로필렌 저장 탱크에 들어갑니다. 이는 프로필렌 압축기 서지를 방지하기 위해 프로필렌 기계의 가스 출구에서 입구 분리기로의 복귀 라인이 있어 가스량이 부족합니다. 프로필렌 저장 탱크의 액체 프로필렌은 플래시 탱크로 들어가고 플래시 증기는 프로필렌 기계의 중간 부분으로 들어갑니다. 파이프라인은 프로필렌 압축기 출구에서 끌어와 2단계 서지 방지 회로를 형성합니다. 액체 프로필렌은 0.525Mpa의 압력과 -5.5의 온도를 가지며, 플래시 탱크 바닥에서 유입되어 압축기 입구 분리기로 들어가며 유입된 프로필렌 가스 흐름을 보충합니다. 다른 방향에서는 프로필렌 극저온 냉각기로 들어가서 프로필렌 자체를 플래싱하여 온도를 낮추기 위해 쉘 측의 프로필렌 가스가 Recfisol을 만나서 튜브 측의 액체가 추가로 온도를 -20°C로, 압력을 0.485Mpa로 조정합니다. 우회하여 시스템을 떠나 Recfisol로 들어가 저온 메탄올 세척에 필요한 냉각 용량을 제공합니다. 순간 증발 과정에서 프로필렌에 들어 있는 미량의 물이 얼지 않도록 하기 위해 소량의 메탄올을 시스템에 주입해야 합니다. 메탄올 스프레이는 메탄올과 프로필렌 저장고에서 나오는 액체 프로필렌의 크기를 조정하여 이루어집니다. 정량 펌프 출구의 탱크를 플래시 증발 탱크로 연결하고 스프레이 혼합을 조정합니다.
프로필렌은 가연성, 폭발성이 있으므로 장비 정비 전후에는 프로필렌을 N2로 교체하고, 주행 시에는 먼저 공기를 N2로 교체한 후 N2를 공기로 교체해야 합니다. 프로필렌.
2. 작업-열 변환 원리에 따라 시스템이나 작업 조건을 선택하여 에너지 절약 프로세스를 분석합니다. 상세한 계산 단계와 프로세스 분석이 필요합니다.
공조와 냉동의 원리
공조는 일상생활 곳곳에서 볼 수 있으며, 다음은 온도-엔트로피 관계와 압력-엔탈피 관계를 이용하여 냉동과정을 분석하고, 원칙. 공조 및 냉동의 원리는 열역학 제1법칙과 역카르노 사이클인 열역학 제2법칙을 포함하며, 이론적인 냉동사이클을 분석하고 계산하면 다음과 같다.
1: 역 카르노 사이클 - 이상적인 냉동 사이클의 함수 계산:
그림 1 온도 엔트로피 다이어그램
두 개의 등온 과정과 두 개의 단열 과정으로 구성됩니다. 프로세스 구성. 저온 열원(즉, 냉각할 매체)의 온도를 T0, 고온 열원(즉, 환경)의 온도를 Tk라고 가정하면 작동 유체의 온도는 다음과 같습니다. 열 흡수 과정 중 T0 및 열 방출 과정 중 Tk 즉, 흡수 과정에서 열 및 발열 과정 중 작동 유체와 저온원 및 고온 열원 사이에 온도 차이가 없으며, 즉, 열전달은 등온적으로 수행되고 압축 및 팽창 과정은 손실 없이 수행됩니다. 사이클 과정은 다음과 같습니다.
먼저 작동 유체는 T0에서 차가운 소스(즉, 냉각 매체)로부터 열 q0을 흡수하고 등온 팽창 4-1을 겪은 다음 단열 압축 1-2를 겪습니다. 온도를 T0에서 환경 매체의 온도 Tk까지 상승시킨 다음 Tk에서 등온 압축 2-3을 수행하고 마지막으로 환경 매체에 열 qk를 방출하여 온도가 3-4가 되도록 합니다. Tk에서 작동유체인 T0으로 떨어지며, 초기상태 4로 복귀하여 사이클을 완료한다.
역 카르노 순환의 경우 그림에서 볼 수 있습니다:
q0=T0(S1-S4)
qk=Tk(S2-S3 )= Tk(S1-S4)
w0=qk-q0=Tk(S1-S4)-T0(S1-S4)=(Tk-T0)(S1-S4)
그러면 역 카르노 사이클의 냉동계수 εk는 다음과 같다. εk = w0/ qk=(Tk-T0) / Tk
위의 식으로부터 역 카르노 사이클의 냉동계수는 다음과 같다. 카르노 사이클은 작동 유체의 특성과는 아무 관련이 없으며 단지 작동 유체의 특성에만 영향을 미칩니다. 차가운 소스(즉, 냉각되는 물체)의 온도 T0와 온도 Tk에 따라 달라집니다. 열원(즉, 주변 매체)의 Tk를 낮추고 T0를 높이면 냉각 계수가 증가할 수 있습니다. 또한 열역학 제2법칙도 다음과 같이 증명할 수 있습니다. "주어진 냉원 및 열원 온도 범위 내에서 작동하는 역사이클은 역카르노 사이클의 냉동 계수가 가장 높습니다." 실제 냉동 사이클의 냉동 계수는 역 카르노 사이클의 냉동 계수보다 작습니다.
냉동시스템의 4대 구성요소와 냉매의 변화과정:
증기압축 냉동사이클 시스템은 크게 압축기, 응축기, 냉매의 4대 구성요소로 구성된다. 조절 요소 및 증발기 냉매는 직경이 다른 파이프와 직렬로 연결되어 냉매를 순환할 수 있는 폐쇄 시스템을 형성합니다. 냉동용 압축기는 모터 등의 원동기에 의해 구동되어 작동하며, 증발기 내의 냉매 증기를 끊임없이 흡입하여 고압(pk), 과열 증기로 압축하여 응축기로 배출시키기 때문이다. 냉매 증기가 응축기에서 열을 방출하고 그 열을 주변 환경 매체로 전달하여 냉매 증기를 액체로 응축시키는 높은 압력이 존재합니다. 물론 응축 시 냉매 증기의 온도는 온도보다 높아야 합니다. 주변 매체의 온도. 응축된 액체는 여전히 높은 압력을 받고 있으며 조절 요소를 통해 증발기로 흐릅니다. 교축 요소에서는 냉매가 입구측 고압 pk에서 저압 p0로, 고온 tk에서 t0으로 감소하며, 소량의 액체가 증기로 기화됩니다.
둘: 역 카르노 사이클 - 이상적인 냉동 사이클의 과정 계산
이론 사이클의 가정에 따라 단일 단계 증기 압축 냉동 이론 사이클의 작동 과정이 표시됩니다. 압력-엔탈피 다이어그램에서 표현은 그림 2에 나와 있습니다.
그림 2 이론적인 냉동 사이클 압력-엔탈피 다이어그램
1) 냉동 압축기는 증발기로부터 증발 압력 p0의 포화 냉매 증기(상태 지점 1)를 등엔트로피 선을 따라 끌어옵니다. 응축압력 pk(상태점 2)로 압축과정이 완료됩니다.
2) 상태 2의 고온 고압의 냉매 증기는 응축기로 유입되어 응축기를 통해 주변 매체 공기 또는 물과 열교환을 거쳐 열 qk를 방출한 후 냉각됩니다. 등압선 pk를 따라 포화 증기 상태를 점 2?로 만든 후 포화 액체 상태 점 3으로 응축하면 응축 과정이 완료됩니다. 냉각 과정(2-2°) 동안 냉매와 주변 매체 사이에는 온도 차이가 있습니다. 응축 과정(2°-3) 동안 냉매와 주변 매체 사이에는 온도 차이가 없습니다.
3) 상태 지점 3의 포화 냉매 액체는 스로틀 요소에 의해 스로틀링 및 감압되며, 등엔탈피 선(스로틀링 과정 동안 엔탈피 값은 변하지 않음)을 따라 응축 압력 pk가 증발 압력 p0, 습한 증기 상태 지점 4에 도달하면 팽창 과정이 완료됩니다.
4) 상태점 4의 냉매 습증기는 증발기로 유입되어 증발기에서 냉각된 매체의 열을 흡수하고 등압선 p0를 따라 기화하여 포화증기 상태점 1에 이르고 증발이 일어난다. 프로세스가 완료되었습니다. 냉매의 증발 온도와 냉각되는 매체 사이에는 온도 차이가 없습니다.
이론 사이클 계산 방법:
1. 단위 질량 냉각 용량은 냉매 1kg당 냉각 매체를 순환하여 생성되는 냉각 용량입니다. 냉동 용량은 q0로 표시됩니다.
q0=h1-h4=r0 (1-x4) (1-1)
여기서 q0은 단위 질량당 냉동 용량(kJ/kg)입니다.
h1? 흡입 상태에 해당하는 특정 엔탈피 값(kJ/kg);
h4? 조절 후 습증기의 특정 엔탈피 값(kJ/kg);
r0? 증발 온도에서 냉매의 증발 잠열(kJ/kg)
x4? 조절 후 기체-액체 2상 냉매의 건조도입니다.
압력-엔탈피 다이어그램에서 단위 질량당 냉각 용량 q0은 h축에서 공정 라인 1-4를 투영한 것과 동일합니다(그림 1-2 참조).
2. 냉매증기 1m3당(흡입상태 기준) 순환을 통해 냉각매체로부터 냉동용량 단위체적당 냉동압축기가 생산하는 냉각용량을 단위냉동용량이라 한다. , qv 의미로 표현됩니다.
qv?q0h1?h4?v1v1 (1-2)
수식에서 qv는 단위 부피당 냉동 용량(kJ/m3)입니다.
v1? 냉장 흡입된 상태의 물질의 특정 부피(m3/kg)입니다.
3. 이론적인 특정일: 냉동 압축기가 등엔트로피 압축을 수행할 때, 냉매 증기 1kg을 압축하고 이송할 때마다 소비되는 일을 이론적인 특정일이라고 하며, w0로 표시됩니다.
w0=h2-h1 (1-3)
여기서 w0?이론적 비동력(kJ/kg);
h2?압축기 배기 비엔탈피 압축기 흡입 상태의 냉매 값(kJ/kg)
h1? 압축기 흡입 상태의 냉매의 특정 엔탈피 값(kJ/kg)입니다.
4. 단위 응축열부하: 냉동 압축기가 냉매 1kg을 공급할 때마다 응축기에서 방출되는 열을 단위 응축열부하라고 하며, qk로 표시합니다.
qk=(h2-h2?)(h2?-h3)=h2-h3(1-4)
qk는 단위 응축열 부하(kJ/kg)입니다.
h2 응축 압력에 해당하는 건조 포화 증기 상태의 특정 엔탈피 값(kJ/kg) h3? 응축 압력에 해당하는 포화 액체 상태의 특정 엔탈피 값(kJ/kg ) ;
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압력-엔탈피 다이어그램에서 qk는 등압 냉각 및 응축 공정 라인 2-2?-3을 h축으로 투영한 것과 동일합니다. (그림 2 참조)
식(1-1), 식(1-3), 식(1-4) 및 h4=h3을 비교하면 단일 단계 증기 압축 냉동 이론 사이클에 대해 다음과 같은 것을 알 수 있습니다. 다음 관계는
qk = q0 w0 (1-5)
5입니다. 냉동 계수는 이론적인 특정 작업에 대한 단위 질량당 냉각 용량의 비율입니다. , 이론 사이클 냉동 계수라고 불리는 이론 사이클의 이익과 비용의 비율은 ?0, 즉
q0h1?h4?w0h2?h1 (1-6) ?0으로 표시됩니다. ?
위의 성능 지표에 따라 냉매 순환량, 응축기에서 방출되는 열, 압축기에 필요한 이론 동력 등의 데이터를 추가로 계산할 수 있습니다.
3. 페놀을 함유한 수용액의 처리공정에 적합한 상평형 계산방법을 선택하고, 상세한 계산과정과 단계를 제시하고, 그 결과를 분석 및 토의한다.
혼합 전해질 용액의 상평형 계산을 위한 혼합 정수 비선형 프로그래밍 모델을 확립하고, 이를 해결하기 위한 유전 알고리즘을 제안했습니다. 먼저, Gibbs 자유에너지 최소화 원리를 바탕으로 액상과 고상에서 석출되는 염의 종류를 코딩하여 전해질계의 상평형 계산 모델을 구축하고, 상평형 계산 문제를 제약최적화 문제로 변환하였다. 두 번째로 유전자 알고리즘을 사용하여 문제를 해결했으며, 동적 경계 실현 영역 인코딩 방법과 최적화 변수에 대한 순차 수렴 기술을 채택하여 고액 균형 계산을 구현하고 침전 수를 얻을 수 있어 알고리즘의 효과적인 구현이 보장됩니다. 결정, 염의 종류, 고체 및 액체상 조성의 양 마지막으로 다양한 시스템에서 계산이 수행되었으며 결과는 이 방법이 실현 가능하고 효과적이라는 것을 보여줍니다.
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