作业解答化工热力学第四章化工过程的能量分析2019
化工原理课后习题答案详解第四章.doc
第四章多组分系统热力学4.1有溶剂A与溶质B形成一定组成的溶液。
此溶液中B的浓度为c B，质量摩尔浓度为b B，此溶液的密度为。
以M A，M B分别代表溶剂和溶质的摩尔质量，若溶液的组成用B的摩尔分数x B表示时，试导出x B与c B，x B与b B之间的关系。
解：根据各组成表示的定义4.2D-果糖溶于水（A）中形成的某溶液，质量分数，此溶液在20 C时的密度。
求：此溶液中D-果糖的（1）摩尔分数；（2）浓度；（3）质量摩尔浓度。
解：质量分数的定义为4.3在25 C，1 kg水（A）中溶有醋酸（B），当醋酸的质量摩尔浓度b B介于和之间时，溶液的总体积。
求：（1）把水（A）和醋酸（B）的偏摩尔体积分别表示成b B的函数关系。
（2）时水和醋酸的偏摩尔体积。
解：根据定义当时4.460 ︒C时甲醇的饱和蒸气压是84.4 kPa，乙醇的饱和蒸气压是47.0 kPa。
二者可形成理想液态混合物。
若混合物的组成为二者的质量分数各50 %，求60 ︒C 时此混合物的平衡蒸气组成，以摩尔分数表示。
解：质量分数与摩尔分数的关系为求得甲醇的摩尔分数为根据Raoult定律4.580 ︒C是纯苯的蒸气压为100 kPa，纯甲苯的蒸气压为38.7 kPa。
两液体可形成理想液态混合物。
若有苯-甲苯的气-液平衡混合物，80 ︒C时气相中苯的摩尔分数，求液相的组成。
解：根据Raoult定律4.6在18 ︒C，气体压力101.352 kPa下，1 dm3的水中能溶解O2 0.045 g，能溶解N2 0.02 g。
现将 1 dm3被202.65 kPa空气所饱和了的水溶液加热至沸腾，赶出所溶解的O2和N2，并干燥之，求此干燥气体在101.325 kPa，18 ︒C下的体积及其组成。
设空气为理想气体混合物。
其组成体积分数为：，解：显然问题的关键是求出O2和N2的Henry常数。
18 C，气体压力101.352 kPa下，O2和N2的质量摩尔浓度分别为这里假定了溶有气体的水的密度为（无限稀溶液）。
化工热力学课后习题第4章解答
第4章 非均相封锁体系热力学一、是不是题1. 偏摩尔体积的概念可表示为{}{}ii x P T i n P T ii x V nnV V ≠≠⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂=,,,,∂。
(错。
因关于一个均相放开系统，n 是一个变数，即(){}0,,≠∂∂≠in P T i n n )2. 在必然温度和压力下的理想溶液的组分逸度与其摩尔分数成正比。
（对。
即常数===),(,ˆP T f f x f f i ii is i ）3. 理想气体混合物确实是一种理想溶液。
（对）4. 关于理想溶液，所有的混合进程性质转变均为零。
（错。
V ，H ，U ，C P ，C V 的混合进程性质转变等于零，对S ，G ，A 那么不等于零） 5. 关于理想溶液所有的逾额性质均为零。
（对。
因is EM M M-=）6. 理想溶液中所有组分的活度系数为零。
（错。
理想溶液的活度系数为1）7. 体系混合进程的性质转变与该体系相应的逾额性质是相同的。
（错。
同于4）8. 关于理想溶液的某一容量性质M ，那么__i i M M =。
（错，同于4）9.理想气体有f=P ，而理想溶液有i i ϕϕ=ˆ。
（对。
因i i i i i i is i isiPfPx x f Px f ϕϕ====ˆˆ） 10. 温度和压力相同的两种理想气体混合后，那么温度和压力不变，整体积为原先两气体体积之和，总热力学能为原两气体热力学能之和，总熵为原先两气体熵之和。
（错。
总熵不等于原先两气体的熵之和）11. 温度和压力相同的两种纯物质混合成理想溶液，那么混合进程的温度、压力、焓、热力学能、吉氏函数的值不变。
（错。
吉氏函数的值要发生转变）12. 因为G E (或活度系数)模型是温度和组成的函数，故理论上i γ与压力无关．（错。
理论上是T ，P ，组成的函数。
只有对低压下的液体，才近似为T 和组成的函数）13. 在常温、常压下，将10cm 3的液体水与20 cm 3的液体甲醇混合后，其整体积为 30 cm 3。
能量过程利用第四章 石油化工过程用能分析12
3. 工艺过程，特别是炼油和大部分化工过程中， 工艺物料多为传热性能很好的流体，热过程所 需要的热量分布在很广的温度范围，这就使主 要工艺变化完成以后的物流所携出的能量可能 得到最大限度的回收重复利用，从而大大减少 需要供入的能量。目前，主要是借各种换热器 来回收热量；借膨胀机、水力透平回收功。
二、工艺过程用能三环节模式
结合石油化工过程的特点，对原用能分析三环 节模型提出以下改进意见: 1．用能分析计算基准 基于炼油行业习惯，早期的用能分析三环节模 型是以单位原料为计算基准进行能量平衡及火用平 衡计算的，究其原因，主要是炼油企业(装置)主要 原料单一，而产品分布较广，采用单位原料作为计 算基准比较方便。
而石油化工则往往是多种原料，产品比较 单一明确，习惯上，以目的产品为计算基准比 较方便。而对于多种原料和多种产品的情况， 又以单位时间(小时)为计算基准比较方便。 因此，用能分析的计算基准应根据不同行 业的具体特点选取不同的计算基准，使其在同 行业中具有可比性。
=1- (DJR + DKR) / EXO
有时，需分别表示回收循环和回收输出两部分，有：
能量循环率： ηRC = ER / EO 火用循环率： ηXC = EXR / EXO 能量输出率： ηRE = EE / EO 火用输出率： ηXE = EXE/ EXO 三者之间关系为：
ηR = ηRC + ηRE ηXR = ηXC + ηXE
3. 能量利用环节的设备散热 应将工艺利用环节设备散热在用能分析模型 中单列一项，直接由利用环节排出，并记作EUD 。 4. 关于原料的化学能 原料和产品化学能的差别大都体现在过程的化 学反应热中，放在装置的热力学能耗中体现。 5. 反应放热应计入工艺总用能 对于吸热反应，反应热来源于外界供入能和 循环回收的能量，已经计入工艺总用能。
化工热力学第五章化工过程的能量分析
化工热力学第五章化工过程的能量分析化工过程的能量分析是对能量转化和能量平衡进行分析和计算的过程。
它旨在确定化工过程中的能量输入和输出，以及能量转化的效率。
能量分析的基本原理是能量守恒定律，即能量既不能被创造也不能被消灭，只能发生转化和传递。
在化工过程中，能量转化主要包括热能和工作能的转化。
对于化工过程的能量分析，首先需要确定系统的边界。
系统是指需要进行能量分析的化工过程的范围。
系统可以是一个反应器、一个加热器、一个蒸馏塔等。
接下来，需要确定系统的输入和输出。
输入和输出包括能量流和物质流。
能量流一般包括热能和工作能的流入和流出，物质流一般包括物质的流入和流出，以及化学反应中物质的转化。
在能量分析中，热能是一个重要的能量形式。
对于热能的分析，常常需要考虑热能的传递方式，如传导、对流和辐射。
传导是通过直接接触传递热能，对流是通过流体介质传递热能，辐射是通过辐射传递热能。
根据能量守恒定律，系统的输入和输出之间的热能的变化可以表达为：Σ(Qin) - Σ(Qout) = Σ(Win) + Σ(Wout) ± ΔE其中，Qin和Qout分别表示进入和离开系统的热能，Win和Wout分别表示进入和离开系统的工作能，ΔE表示系统内部的能量变化。
除了热能外，化工过程中还常常涉及到压力能和位能的转化。
压力能是由于流体在系统中的压力而具有的能量，位能是由于物体在重力场中的高度而具有的能量。
在能量分析中，压力能和位能的转化也需要考虑。
能量分析的另一个重要方面是能量的有效利用。
对于化工过程来说，能量转化的效率直接影响着能源的消耗和产品的质量。
提高能量的利用效率是化工工程师的重要目标之一、为了提高能量的利用效率，可以采取一系列的措施，例如优化化工过程的操作参数，改进传热设备的设计和选型，提高能源的回收利用等。
同时，还可以利用先进的能源技术，如余热利用技术、低温热能利用技术等。
总之，化工过程的能量分析是研究化工过程能量转化和能量平衡的重要方法。
第4章 化工单元过程系统模拟与分析
第4章化工单元过程系统模拟与分析4.1 化工单元过程数学模型及模拟在化工过程系统模拟计算中，当给定系统所有输入流股信息时，则过程系统中部分单元模块可获得全部输入流股信息，这些模块将输入信息加以处理单元，获得该模块的所有输出流股信息，并作为下一级单元模块的输入信息，由此可见，单元过程模拟是系统过程模拟的基础。
对于任何单元过程，都遵守物质和能量守恒定律，通过对单元过程的质量衡算及能量衡算，建立输入流股与输出流股之间的关系。
任何单元过程都会发生物理或化学变化，即体系的热力学性质及化学组成变化，因此需建立单元过程的相平衡关系、各流股焓、温度、压力变关系。
对于存在化学反应的单元过程，还应建立反应动力学和热力学的关系，确定各组分的转化率以及焓的变化。
本章主要介绍下面两个过程的单元模型4.1.1换热器数学模型及模拟4.1.2反应器数学模型及模拟4.1.1 换热器数学模型及模拟化工生产需要大规模地改变物质的化学性质和物理性质，而这些性质的变化都涉及热能的传递，主要应用在：（1）化学反应：向反应器提供热量或从反应器移走热量；（2）蒸发、蒸馏、干燥：按一定的速率向这些设备输入热量；（3）高温或低温设备：隔热保温，减少热损失；（4）热能的合理利用和废热回收。
热量传递方式（1）热传导：依靠物体中微观粒子的热运动，如固体中的传热；（2）热对流：流体质点（微团）发生宏观相对位移而引起的传热现象，对流传热只能发生在流体中，通常把传热表面与接触流体的传热也称为对流传热；（3）热辐射：高温物体以电磁波的形式进行的一种传热现象，热辐射不需要任何介质做媒介；在高温情况下，辐射传热成为主要传热方式。
换热器的种类：按照换热原理来分，可以分为三大类（1）间壁式换热器：冷、热流体被固体传热表面隔开，而热量的传递通过固体传递面而进行。
（2）直接接触式换热器：冷、热流体直接接触进行热量交换。
（3）蓄热式换热器：冷、热流体交替通过传热表面，冷流体通过时贮存冷量，热流体通过时贮存热量。
化工热力学习题答案 第一至五、第七章
第一章 绪论一、选择题（共3小题，3分）1、(1分）关于化工热力学用途的下列说法中不正确的是（ ) A 。
可以判断新工艺、新方法的可行性. B.优化工艺过程。
C.预测反应的速率.D 。
通过热力学模型，用易测得数据推算难测数据；用少量实验数据推算大量有用数据。
E 。
相平衡数据是分离技术及分离设备开发、设计的理论基础。
2、（1分）关于化工热力学研究特点的下列说法中不正确的是（ ) （A )研究体系为实际状态。
(B )解释微观本质及其产生某种现象的内部原因。
（C ）处理方法为以理想态为标准态加上校正。
（D ）获取数据的方法为少量实验数据加半经验模型。
（E ）应用领域是解决工厂中的能量利用和平衡问题。
3、（1分)关于化工热力学研究内容,下列说法中不正确的是（ ）A 。
判断新工艺的可行性. B.化工过程能量分析。
C.反应速率预测. D 。
相平衡研究参考答案一、选择题(共3小题，3分） 1、(1分)C 2、(1分）B 3、(1分）C第二章 流体的PVT 关系一、选择题（共17小题，17分）1、(1分)纯流体在一定温度下，如压力低于该温度下的饱和蒸汽压,则此物质的状态为（ ）。
A ．饱和蒸汽 B 。
饱和液体 C ．过冷液体 D.过热蒸汽2、(1分)超临界流体是下列 条件下存在的物质.A 。
高于T c 和高于P c B.临界温度和临界压力下 C.低于T c 和高于P c D.高于T c 和低于P c3、（1分)对单原子气体和甲烷，其偏心因子ω,近似等于 。
A 。
0 B 。
1 C 。
2 D 。
34、（1分）0.1Mpa ，400K 的2N 1kmol 体积约为__________A 3326LB 332.6LC 3.326LD 33.263m5、(1分）下列气体通用常数R 的数值和单位，正确的是__________ A K kmol m Pa ⋅⋅⨯/10314.833B 1。
987cal/kmol KC 82.05 K atm cm /3⋅D 8.314K kmol J ⋅/ 6、（1分）超临界流体是下列 条件下存在的物质。
化工过程的能量分析 (ppt 74页)
使用上式时要注意单位必须一致。按照SI单位制，每一 项的单位为 J·kg-1。动能和位能的单位
m2 s2
kkggm s22
Nm J kg kg
可逆条件下的轴功
WR
P2 VdP
P1
V RT P
对于液体，在积分时一般 可将V当作常数。 对于气体怎么办？
对于理想气体等温过程
WR
流动功。只有在连续流动过程中才有这种功。
对于流动过程，系统与环境交换的功是轴功与流动功之和
WW s P 1V1P2V2
• 稳态流动系统的能量平衡关系可写为
U 2 u 2 2 2 g2 z U 1 u 2 1 2 g1 z Q W s P 1 V 1 P 2 V 2
压缩机可以提高流体 的压力，但是要消耗功
透平机和压缩机 Ws H
Hu2
2
gzQWs
是否存在轴功?
是!
是否和环境交换热量? 通常可以忽略
位能是否变化? 动能是否变化？
不变化或者可以忽略 通常可以忽略
节流阀
H 0
Hu2
2
gzQWs
是否存在轴功? 是否和环境交换热量? 位能是否变化? 动能是否变化?
H xiHi xjHj
出
入
Hi为单位质量第i股输出物流的焓值，xi为第i股输出物 流占整个输出物流的质量分数。
Hj为单位质量第j股输入物流的焓值，xj为第j股输入物 流占整个输入物流的质量分数。
m i m j m
出
入
xi m m i
xj
m j m
mi mj 为一股物流的质量流量。 m 为总质量流量。
4.3 理想功、损失功和热力学效率
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• 因水在等压下冷却，已知水的恒压热容为4186.8J·kg-1·K-1， 故水的熵变为
S sy s
Cp
ln
T2 T1
4168 .8ln
343 363
237 .2J
kg1 K 1
• 1kg水从363K冷却至343K，放出热量Q为 • Q= 4186.8×1×(343-363) = - 83736J
• Wid=∆H-T0∆S =（2805.3-3428）-293×（7.844-7.488）＝-727kJ
• WL＝Wid－WS＝（-727）-（-615.2）＝111.8 kJ/kg
• 热力学效率
WS 80% 615 .2 0.8462
Wid
727
• 4-6 某工厂有一输送90℃热水的管道，由于保温不良，到 使用单位，水温降至70℃，试计算热水由于散热而引起的 有效能损失。设大气温度为298K。
gZ 9.81 6 58.86m2 / s2 58.86 J / kg 0.5886 kJ / kg
• 则吸热量
Q 100.5 0.05886 100.55886kJ / kg
• 则每小时吸热量为
80 Q 80 100 .55886 8.0447 103 kJ / h
• 输入的功
Ws
=
-
2. 4 1000 3.2
-750J
kg-1
=
-0.750kJ
kg-1
• 放出的热量
Q = - 720 = -225J kg-1 3.2
• 位能的变化 g∆Z=9.81×20=196.2 J•kg-1 =0.1962k J•kg-1
• 忽略此流动过程中动能变化 1 u2 0
• 解：设终温为T2，则对铸钢件有： • Q1=m1Cp1ΔT1=35×0.5×(T2-700)=17.5×(T2-700) • 对油有 • Q2=m2Cp2ΔT2=135×2.5×(T2-294)=337.5×(T2-294) • Q1+Q2=0
• 因不计热损失，所以： 17.5（T2－700）+337.5（T2-294）
• 解得：T2=314.0K
• （1） 铸钢件的熵变：
SZG
m1
T2 T1
Cp dT T
35 0.5 ln
314 700
14.02kJ K 1
• （2） 油的熵变：
SO
m2
T2 T1
Cp dT T
135 2.5 ln
314 294
22.20kJ K 1
• 根据稳流体系热力学第一定律
H Q WS
H2 H1 Q WS 3428 7.50 615 .2 2805 .3kJ / kg
• 因此，蒸气实际上的，H2＝2805.3kJ/kg，查得S2＝7.844kJ/(kg•K) • 此过程的理想功为
第四章化工过程的能量分析
• 4-1 有一水平敷设的热交换器，其进、出口的截面积相等，空气进 入时的温度、压强和流速分别为303K、0.103MPa和10m/s，离开时 的温度和压强为403K和0.102MPa。试计算当空气的质量流量为 80kg/h时从热交换器吸收多少热量？若热交换器垂直安装，高6m， 空气自下而上流动，则空气离开热交换器时吸收的热量为多少？已
解：
(Cp )N2 27.89 4.271103T kJ /(kmol K 1)
• 4-4 试求：(1) 流动过程; (2) 非流动过程中温度 为813K、压力为4.052MPa的1kmol 氮气变至 373K、1.013MPa可能做的理想功为多少？取环 境温度为T0=293K, p0=0.1013MPa, 氮气的等压 热容为：
速，因截面积A1＝A2，则
u2
u1
p1T2 p2T1
101.03 403 1.02 303
13.43m
/
s
1 u2 1 13.432 102 40.18m2 / s2 40.18J / kg 0.04018kJ / kg
2
2
H mC pT 11.005 403 303 100 .5kJ / kg
2
• 根据稳定流动过程的能量平衡方程
H
=
Q
-
WS
-
gZ
-
1 2
u2
• ∵ ∆H=mCp(T2-T1)
225 (0.750) 0.1962 = -224 k J kg-1
• ∴送入第二贮水罐的水温
T2
H mC p
T1
224 1 4.187
95
41.5℃
• 4-3 将35kg、温度为700K的铸钢件放入135kg而温度为294K的油中冷 却，已知铸钢和油的比热容分别为(Cp)钢=0.5kJ/(kg•K)和(Cp)油 =2.5kJ/(kg•K)，若不计热损失，试求：（1）铸钢件的熵变；（2）铸 钢件和油的总熵变。
(Cp )N2 27.89 4.271103T kJ /(kmol K 1)
• 解：(1) 流动过程
H CpdT 373 27.89 4.271 103T dT 13386 kJ mol 1 813
S
Cp dT R ln p2
• 4-8 6.0MPa，400℃的过热蒸汽（H1=3174 kJ·kg-1，S1=6.535 kJ·kg-1·K-1）在稳流过程 中经透平绝热膨胀到0.004MPa、干度x=0.9。 （已知0.004 MPa下Hg=2554 kJ·kg-1， Sg=8.4808 kJ·kg-1·K-1，HL=120 kJ·kg-1， SL=0.4177 kJ·kg-1·K-1）。T0=298K。求该过 程的Wid、Wac、WL及热力学效率η 。
Q H 1 u2 100.5 0.04018 100.54018kJ / kg 2
• 当空气的质量流量为80kg/h时，每小时吸收热量为
80 Q 80 100 .54018 8.0432 103 kJ / h
• 热交换器垂直安装时，则每千克的空气通过换热器时的势能增 加为
373
27.89
4.271103
ln
4
T
p1 813 T
21.730 1.879 11.526
12.083kJ kmol1 K 1
Wid T0S H 293 (12.083) (13386 ) 9845 .7kJ lmol 1
S2＝S1＝7.488kJ/(kg•K) 当p2=6.868×104Pa，S2＝7.488kJ/(kg•K)时，查得
H2 2659 kJ / kg 由此绝热可逆功
WS H2 H1 2659 3428 769 kJ / kg
• 透平机实际输出的轴功为
WS 80%WS 80% 769 615 .2kJ / kg
mol1
Wid T0S H pV p0V 293 12.083 13386 3658.16 141.13
6047.27kJ kmol1
4-5 有1.570×106Pa，757K的过热蒸汽驱动透平机，乏气的压力为 6.868×104Pa。透平机膨胀既不绝热也不可逆。已知等熵效率为80 ％。每㎏蒸汽通过透平机的散热损失为7.50 kJ。环境温度T0为293K， 求（1）此过程的理想功，（2）损失功，（3）热力学效率 。 解：由水蒸气 的热力学性质图表查出，当p1=1.570×106Pa、T1＝ 757K时，H1＝3428kJ/kg， S1＝7.488kJ/(kg•K) 设蒸气在透平机中的膨胀是可逆绝热过程，则
• 此热量传给环境，环境的熵变为
S sur
Q 83736 T0 298
281 .0J kg1 K 1
• 所以
• ΔSt=ΔSsys+ΔSsur= -237.2+281.0=43.8J•kg-1•K-1 • 损失功
• WL=T0ΔSt=298×43.8=13050.4J•kg-1=13.05kJ•kg-1
• （3）铸钢件和油的总熵变：ΔS=-14.02+22.20=8.18kJ/K
• 4-4 试求：(1) 流动过程; (2) 非流动过程中温度 为813K、压力为4.052MPa的1kmol 氮气变至 373K、1.013MPa可能做的理想功为多少？取环 境温度为T0=293K, p0=0.1013MPa, 氮气的等压 热容为：
知空气的恒压平均热容为1.005kJ/(kg•K)
• 解：以1kg空气为计算基准。
• 当热交换器水平安放时：Z1=Z2，gΔZ=0，又对于热交换器，无轴 功交换WS＝0.因而，此时稳流体系的总能量平衡式可简化为：
H 1 u2 0 2
联合应用连续性方程式和理想气体状态方程式来求出口截面的流
• (2) 非流动过程
• Δ(pV)=nR(T2-T1)=1*8.314*(373-813)=-3658.16kJ•kmol-1
p0ΔV
=
p0nR
T2 p2
T1 p1
1.01318.314 373 10.13
813 40.52
141.13kJ
4-2 某厂用功率为2.4kW的泵将95℃水从贮水罐压到换热器，水流量为 3.2kg·s-1。在换热器中以720 kJ·s-1的速率将水冷却，冷却后水送入比第一 贮水罐高30m的第二贮水罐，求送入第二贮水罐的水温。(已知水的恒压 热容为Cp=4.187 J·kg-1·K-1)