化工热力学 第三版 课后答案完整版 朱自强

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[解] (1)用维里截断式(2-8)计算
先求出理想气体状态时的摩尔体积,
维里截断式(2-8)为
(2-8)
以 为初值,即 ,代入上式右边,求得
(E1)
将 再代入式(E1)右边得
同理, 。 和 很接近,停止迭代,则水蒸气的摩尔体积为 。所以
(2)用维里截断式(2-7)计算
维里截断式(2-7)为
(E2)
(E3)
(E1)
式中, 为要估算化合物分子中基团i出现的次数; 为i的偏心因子一阶基团贡献值。甲乙酮可分解为 、 和 三种基团,从附表9中可以查得 和 ,并列表如下:
(3)用PR方程求摩尔体积
将PR方程稍加变形,可写为
(E2)
式中
从附表1查得甲烷的 =0.008。
将 与 代入上式
用 、 和 求a和b,
以RK方程求得的V值代入式(E2),同时将a和b的值也代入该式的右边,藉此求式(E2)左边的V值,得
再按上法迭代一次,V值仍为 ,故最后求得甲烷的摩尔体积近似为 。
755.00
11.60
青岛化工学院等编写,化学化工物性数据手册(2002)
756
11.10
Nikitin E D, Pavlov P A, Popov A P,Fluid Phase Equilib., 1997, 141:135
756
11.6
从上表知,文献中的 、 手册值并不完全一致,特别 间的差值还有些大。由于Nikitin等的数据和Poling B E等专着的手册值更为接近,以Nikitin等的数据为基准手册值,计算出上述各法的误差列于下表。由表知,对 、 的推算,分别以Magoulas等法和Hu等法为最好,且 的推算误差比 要大。
2-2 含有丙烷的0.5 的容器具有2.7Mpa的耐压极限。出于安全考虑,规定充进容器的丙烷为127℃,压力不得超过耐压极限的一半。试问可充入容器的丙烷为多少千克?
[解] 从附表1查得丙烷的 、 和 ,分别为4.25MPa,369.8K和0.152。则
用普遍化压缩因子关联求该物系的压缩因子Z。根据 、 值,从附表(7-2),(7-3)插值求得:
由RK和SRK方程计算得到的异丁烷的Z分别为0.7944和0.7837,它们与实验值的计算误差分别为-2.76%和-1.37%。可见,三种方法中,普遍化PR方程计算结果显得更好些。
2-7 试用下列三种方法计算250℃、2000Kpa水蒸气的Z和V。(1)维里截断式(2-8),已知B和C的实验值分别为 和 ;(2)式(2-7),其中的B用Pitzer普遍化关联法求出;(3)用水蒸气表计算。
[解] 正十九烷的分子式为 ,故
(1)用Magoulas等法
按式(2-36),
按式(2-37),
(2)用Teja等式
按式(2-38),
按式(2-39),
(3)用CG法
按式(2-40),
按式(2-41),
(4)用Hu等式
按式(2-42),
按式(2-43),
经查阅, 、 的手册值如下表所示:
手册名称
Poling B E等,气液物性估算手册(2006)
(MPa)
误差%
1
2.759
-0.33
2
2.75
2.737
0.47
3
2.695
2.00
4
2.784
-1.24
由上表知,所用四种方法的计算误差都不大,但以RK方程法求得的值和实验值最为接近。其余的方法稍差。第一和第四种方法得到的是负偏差,而第二和第三种方法却是正偏差。
2-5 某气体的p-V-T关系可用RK方程表述,当温度高于 时,试推导出以下两个极限斜率的关系式:(1) ;(2) 。两式中应包含温度T和RK方程的常数a和b。
令 ,则 (E9)
且 (E10)
通过式(E9)和(E10)就可迭代求得Z。
第一次迭代,设 =1,则
继续迭代,依次可得Z2=0.7824,Z3=0.7731,Z4=0.7706,Z5=0.7699,Z6=0.7697。由于前后两次迭代出的Z值已很接近,从而得出异丁烷的Z=0.7697,与实验值0.7731相比,误差为0.44%。
(2) 用RK方程求摩尔体积
将RK方程稍加变形,可写为
(E1)
其中
从附表1查得甲烷的临界温度和压力分别为 =190.6K, =4.60MPa,将它们代入a, b表达式得
以理想气体状态方程求得的 为初值,代入式(E1)中迭代求解,第一次迭代得到 值为
第二次迭代得 为
和 已经相差很小,可终止迭代。故用RK方程求得的摩尔体积近似为
(4)维里截断式求摩尔体积
根据维里截断式(2-7)
(E3)
(E4)
(E5)
(E6)
其中
已知甲烷的偏心因子 =0.008,故由式(E4)~(E6)可计算得到
从式(E3)可得
因 ,故
四种方法计算得到的甲烷气体的摩尔体积分别为 、 、 和 。其中后三种方法求得的甲烷的摩尔体积基本相等,且与第一种方法求得的值差异也小,这是由于该物系比较接近理想气体的缘故。
, ,故
丙烷的分子量为44.1,即丙烷的摩尔质量M为0.00441 kg。
所以可充进容器的丙烷的质量m为
从计算知,可充9.81 kg的丙烷。本题也可用合适的EOS法和其它的普遍化方法求解。
2-3 根据RK方程、SRK方程和PR方程,导出其常数a、b与临界常数的关系式。
[解] (1)RK方程式,
(E1)
( 不能为负值,宜摒弃)
再将 代入式(E9)或式(E10),得
(E13)
解式(E13),得最小正根为
将 和 代入式(E11),得 ,故
(E14)
(E15)
式(E14)和式(E15)即为导出的a、b与临界常数的关系式。
(2) SRK方程
立方型状态方程中的a、b与临界常数间的通用关系式可写为
SRK方程的 是 与 的函数,而RK方程的 ,两者有所区别。至于 与 的求算方法对RK和SRK方程一致。因此就可顺利地写出SRK方程中a、b与临界常数间的关系式为
推算方法
临界常数
误差%
误差%
Magoulas等法
757.23
-0.16
11.896
-2.55
Teja等法
759.51
-0.46
12.156
-4.79
CG法
746.91
1.20
11.332
2.31
Hu等法
758.4
-0.32
11.347
2.18
Nikitin等也给出了 和 的推算方程如下:据此也可推算正十九烷的 和 。
再由式(E3)可得
按上述方法,依次可得
, , , ,
和 已非常接近,可终止迭代。故
(3)用普遍化的PR方程计算
若要按例2-4的思路来计算,必先导出类似于式(2-21)的普遍化的PR方程。
令 ,则
, ,
将上述4式代入式(2-18),并简化后,得
,即
(E7)
将PR方程中的a、b代入式(E7),则
(E8)
[解] (1) 将RK方程普遍化,可见原书中的(2-20c)和(2-20d),即
(E1)
(E2)
式(E2)的右边的Z以1为初值代入进行迭代,直至得到一收敛的Z值。由附表1查得异丁烷的 、 分别为 =3.65MPa , =408.1K,则

以Z=1代入式(E2)右边,得
把 代入式(E1)右边,得
再把 代入式(E2),解得 ,代入式(E1),得
(E22)
再将 、 、 代入式(E22)中,化简得出
(E23)
PR方程的 =0.3074,将其分别代入式(E21)和(E23)后,就可联立解出 与 ,得到 =0.45724和 =0.0778。最后得到

2-4 反应器的容积为1.213 ,内有45.40kg乙醇蒸气,温度为227℃。试用下列四种方法求算反应器的压力。已知实验值为2.75Mpa。(1)RK方程;(2)SRK方程;(3)PR方程;(4) 三参数普遍化关联法。
误差:
误差:
由Nikitin等法估算正十九烷的Tc,其误差仅比Magoulas等法稍差,但比其它三种方法都要优越些;相反,该法估算pc的误差却最小,比以上四种方法都好,误差要小近半个数量级,甚至更好。由此可见经常查阅文献,与时俱进是很重要的。
2-9 试用Constantinou, Gani和O’Connell法估算下列化合物的偏心因子和298.15K时液体摩尔体积。(1)甲乙酮,(2)环乙烷,(3)丙烯酸。
(3)用PR方程计算
将上述数值代入PR方程,得
(3)用普遍化维里系数法计算
根据临界常数和以RK方程求出的p为初值,求出对比温度和对比压力,即


已知乙醇的偏心因子 =0.635,按下式求压缩因子Z的值,
所以
因2.784和2.759比较接近,不需再迭代。
将4种方法计算得到的结果列表比较。
计算方法
(MPa)
按此方法不断迭代,依次得
, ,
和 已非常接近,可终止迭代。异丁烷蒸气的压缩因子为
(2) SRK的普遍化形式如下(见原书式(2-21))
(E3)
(E4)
(E5)
(E6)
迭代的过程为:求m和F值 取 =1 求h值 求Z值 得收敛的Z值。
查得异丁烷的偏心因子, ,故根据式(E5)和式(E4)可得
以 =1代入式(E6)右边,得
(E16)
(E17)
(3)PR方程
由于PR方程也属于立方型方程,a、b与临界常数间的通用关系式仍然适用,但 、 的值却与方程的形式有关,需要重新推导
PR方程由下式表达
因 =0
(E18)
经简化,上式可写为
(E19)
把 、 、 代入式(E19)中,化简得出
(E20)
对式(E18)再求导,得
(E21)
将上式化简后得出
利用临界点时临界等温线拐点的特征,即
(E2)
将式(E1)代入式(E2)得到两个偏导数方程,即
(E3)
(E4)
临界点也符合式(E1),得
(E5)
式(E3)~(E5)三个方程中共有a、b、 、 和 五个常数,由于 的实验值误差较大,通常将其消去,用 和 来表达a和b。解法步骤如下:
令 (临界压缩因子),即 。
[解] 此题如何计算?首先要查阅原书P34脚注中的文献4。从该文献中知晓应用何种方程、并查表(此两表已在附表9和附表10中给出)获得一阶和二阶的数据 、 和 、 等。
(1)甲乙酮
应注意到式(2-48)仅能用于正烷烃的偏心因子估算。对于甲乙酮则应从查阅的文献中得出求算方程。先估算甲乙酮的偏心因子,查得一阶计算的方程为
第二章 流体的压力、体积、浓度关系:状态方程式
2-1 试分别用下述方法求出400℃、4.053MPa下甲烷气体的摩尔体积。(1) 理想气体方程;(2) RK方程;(3)PR方程;(4) 维里截断式(2-7)。其中B用Pitzer的普遍化关联法计算。
[解] (1) 根据理想气体状态方程,可求出甲烷气体在理想情况下的摩尔体积 为
[解] (1)用R-K方程法计算
从附表1查得乙醇的 和Tc分别为6.38MPa 和516.2K。则RK方程参数a, b为
再求乙醇在该状态下的摩尔体积,V
按R-K方程求算压力,有
(2)用SRK方程计算
从附表1查得乙醇的 为0.635。SRK方程中的a和b分别计算如下:
在给定条件下乙醇摩尔体积为 ,将上述有关数值代入SRK方程,得
由附表1查得水蒸气的 、 和 分别为22.05Mpa, 647.3K和0.344,则
,Biblioteka Baidu
根据Pitzer的普遍化关联式,有
再由式(E3)和式(E2)得

(3)用水蒸气表计算
从水蒸气表(附表3)查得250℃,2000Kpa时的水蒸气的比容为
由于水的摩尔质量为18.02,故
同理
将三种方法计算得到的结果列表比较。
[解] 根据压缩因子的定义
(E1)
将式(E1)在恒T下对p求偏导,得
(E2)
根据RK方程
可求出 ,
(E3)
将(E3)代入(E2),得
(E4)
也用RK方程来表达,即
(E5)
将(E5)代入(E4),得
(1)当 , ,故
(2)当 , ,故
(1)、(2)两种情况下得到的结果即为两个极限斜率的关系式。
2-6 试分别用普遍化的RK方程、SRK方程和PR方程求算异丁烷蒸气在350K、1.2Mpa下的压缩因子。已知实验值为0.7731。
计算方法
Z
V( )
偏差(%)
(1)
0.9228
2.007×10-3
-0.04
(2)
0.9319
2.027×10-3
-0.94
(3)
0.9232
2.008×10-3
/
计算结果表明,(1)、(3)两种方法所得的结果比较接近。(2)方法偏差较大,主要是忽略了第三维里系数之故。
2-8 试用Magoulas等法、Teja等法、CG法和Hu等法等估算正十九烷的临界温度、临界压力(原书中有误,没有计算压缩因子的要求)。查阅其文献值,并与所得计算值进行比较。
同理,令 , , 和 为两个待定常数。将a、b、 的表达式代入式(E3)~(E5),且整理得
(E6)
(E7)
(E8)
式(E6)除以式(E7),式(E6)除以式(E8)得
(E9)
(E10)
对式(E8)整理后,得
(E11)
式(E9)减去(E10),得
(E12)
由式(E12)解得
,或
(此解不一定为最小正根),或
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