化工原理第三版习题解谭天恩第九章习题解.doc

第九章 吸收9-1 总压为、含（体积分数）的混合气体，在下与浓度为的氨水接触，试判别此过程的进行方向，并在图上示意求取传质推动力的方法。解 氨水平衡关系列在本章附录二中，需将题中组成化为其中的单位，以便比较。气相氨分压 液相组成换算要用到密度，暂取（参考例9-2，温度较高较小）。对氨水，每立方米含氨，含水；故水中含氨。与附录二比较，氨水组成为氨.，下的平衡氨分压为，比题给氨分压低，故知过程方向应为吸收。（注：虽然氨水密度的估计稍有误差，但不影响过程方向。作图从略）9-2 含（体积分数）的空气混合气，在填料塔中用水进行逆流吸收，操作压力为（绝）为、温度为，试求出塔的水中最多可溶解多少克？其浓度又为多少？解 出塔水的最大浓度系与逆流进塔的气体平衡，此时的分压，查本章附录一，下溶于水的亨利系数。按式（9-5），液相平衡组成为 而 即 浓度 9-3 总压、含（体积分数）的空气，在下与浓度为的水溶液接触，试判别其传质方向。解 空气中的分压，水溶液的摩尔分数，式中，为溶液的总浓度，。溶液的平衡分压按式（9-5）即计算，而下的从本章附录一查得为。故 可知，过程为脱吸。9-4 焦炉煤气（标准状态）含粗苯，流量，经洗油吸收后（见图9-1），降为，求粗苯的吸收率和吸收量。设粗苯的平均摩尔质量可取为。解 现煤气中粗苯含量很低，可用给出的浓度之比代替摩尔比。按式（9-1），吸收率为 吸收量 校核：按摩尔比再次计算如下。标准状态下粗苯的物质量 煤气的物质量 粗苯摩尔比 吸收后 煤气中惰性气量不变，仍为其摩尔比 故 与以上按浓度计算的结果相同（取三位有效数字时）。9-5 求温度为及时与（绝）空气接触的水中，氧（标准状态下）的最大浓度（分别以、摩尔分数表示）及溶解度系数（以表示）。氧在空气中的体积分数为。解 氧在水中的最大浓度即为接触状态下的平衡浓度，可由本章附录一查出亨利系数后。由式（9-5）计算其摩尔分数：式中氧的分压 氧在水中的摩尔浓度 其中总浓度 其质量浓度需对乘以氧的摩尔质量；再换算到，需乘以。溶解度系数按式（9-3）计算，。现将查得及算出的结果列于下表中。1033106.343.5211.271.6763048104.372.427.721.1549-6 二氧化硫与水在下的平衡关系为：0.10.20.20.50.711.50.6261.572.634.806.9310.516.7试换算成总压（绝）下的关系，并在图中作出平衡曲线。解 根据例9-5中所得的算式 及计算，取三位有效数字，可得下表（作图从略）：2.815.628.4314.019.728.142.06.2615.726.348.069.31051679-7 及（绝）下，有、空气（体积分数，下同）的气体，与的清水在容积的密闭容器中接触，进行传质。问在水中的最终浓度及剩余气体的总压各为多少？若上述过程在初始总压为（绝）下进行，求其结果。解 现气相体积不变，随着的溶解，分压将下降。最终达平衡时与水中摩尔分数的关系，可用亨利定律表示。查附录一，知，故有 （a）两未知量与的另一关系是物料衡算：气相失去的为 （b）水中得到的为 最终有，并将给定的及、代入式（b），得 （c）联立方程（a）、（c）求解，得到 ，而容器内剩余气体总压为。以上忽略水的蒸汽压。 若总压为，式（a）必备，代入式（b），得物料衡算式 与式（a）联立求解得 ，容器内剩余气体总压为 9-8 求习题9-7在刚开始接触时的总传质推动力，分别以分压差、液相摩尔分数差及浓度差表示。解 以分压差表示的总推动力为。刚开始时，故。以液相摩尔分数差表示时， 以液相摩尔浓度差表示时， 9-9 在填料塔中用清水吸收气体中所含的丙酮蒸汽，操作温度、压力（绝）。若已知给质系数，平衡关系服从亨利定律，亨利系数，求传质系数、和气相阻力在总阻力中所占的比例。解 从两相给质系数、按以下公式求总传质系数 式中溶解度系数根据传质系数间的换算式，有 气相阻力在总阻力中所占的比例为 或9-10 根据以下双塔吸收的四个流程图，分别作出其平衡线和操作线的示意图（设吸收液最初不含溶质）并说明各自适用于哪些情况。解 流程（）相当于一个气液逆流的单塔。当吸收所需的填料层甚高，单塔有困难时，用此流程。在图解中平衡线用代表，1、2两塔的操作线分别用（1）、（2）表示（下同）。流程（）中每塔都送入新鲜溶剂，使全流程的推动力较流程（）为大。适用于吸收要求高、所需溶剂量大的情况。流程（）中气体并流、液体逆流，可用于气体中溶质易吸收（如伴有快速反应），要求出塔液体近于饱和（或相对较高）的情况。流程（）中第二塔气液并流，适用于伴有化学反应，或液量超过吸收所需甚多，故推动力与流向关系不大的情况。通常后两种流程在实用中少见，尤其是（）。注：本题可在学生先做习题后进行课堂讨论。9-11 拟设计一常压填料吸收塔，用清水处理、含（体积分数）的空气，要求的去除率为，实际用水量为最小水量的倍。已知塔内操作温度为，平衡关系为；取塔底空塔气速为，气相体积总传质系数为。试求：（1）用水量和出塔液浓度；（2）填料层高度；（3）若入塔水中已含氨（摩尔分数），问即使填料层高度可随意增加，能否达到的去除率？（说明理由）。解 , ， （1） 或（2） （3）当时，有；而，比要求的大，故增高填料层不能达到要求。9-12 已知某清水吸氨塔的填料层高度，进塔气体含氨，吸收率，操作压力（绝），温度，平衡关系为，气相流率，液相流率，传质系数。问：当或加倍时，应如何改变方可保持不减小？解 ， ， 液式中，为含氨空气的平均摩尔质量： 而 （1）当加倍。若塔仍能正常操作，用水吸收氨为气膜控制，故对的影响可忽略；另一方面，加倍后出塔液浓度将减半（现），传质推动力因而增大，吸收率将随着提高，故可不变。以下计算加倍后的影响： 故 在以平均推动力方法计算塔高的式（9-48）即中现只有因的加倍而增大，故所需的填料层高度因而反比地减为 （2） 当增倍（仍设塔能正常操作），依题意，按式（9-48），有（比原来增高）9-13 试求例9-6中的填料塔每平方米塔截面共可回收多少丙酮（以计）？若将原设计的填料层高减少，回收量会减少多少？解 例9-6中，故每平方米塔截面的回收量 换算为：丙酮的摩尔质量，故 当填料层高减少时。则原，也相应减去，即；而并不改变。出塔气相组成可由式（9-53）计算： 则 故 回收量回收量减少 减少的相对量为或.9-14 若例9-6中填料塔出塔水中的丙酮为饱和，其余数据不变，求所需水量及填料层的高度。解 出塔水中丙酮的组成为 对塔顶、塔底的物料衡算式（9-39）为 故，为原用水量的倍。以下用平均推动力法求填料层高： 与例9-6相同 故 所求为原高度的倍。9-15 在填料塔内用稀硫酸吸收空气中的氨。当溶液中存在游离酸时，氨的平衡分压为零。下列三种情况下的操作条件基本相同，试求所需填料高度的比例：（1）混合气含氨，要求吸收率为；（2）混合气含氨，要求吸收率为；（3）混合气含氨，要求吸收率为。对于上述低浓气体，吸收率可按计算。解 因氨的平衡分压为零，即，而有、，于是 因吸收率，故，而有。现操作条件基本相同，故三种情况下的可认为相等，于是所需的填料高之比为 9-16 矿石焙烧炉气含（体积分数），其余为惰性气体，经冷却后在填料塔内以清水吸收的。塔径，操作温度，压力；入塔炉气流量（操作状态），水量为最小值的倍。平衡关系见习题9-6，给质系数：，。求：（1）用水量和出塔液浓度；（2）填料高度。解 ，及由习题9-6算出的平衡数据求得，对，故最小液气比 而 （1）用水量，当用表示时， 出塔液浓度（现）为 (2)填料层高。可仿照例9-7的方法，用近似梯级法得出（图从略）。而在用式（9-65）求时， 操作范围内的平均斜率取为 故 9-17 含氨（体积分数）的气体通过填料塔用清水吸收其中的氨（其余为惰性气体），平衡关系为。用水量为最小值的倍，气体流，总传质系数，填料层高度。（提示：在试算时，可取。）（1）求出塔气体中的含氨量。（2）可以采取哪些措施使达到？（3）对达的措施做出估算，你选择哪一种？说明理由。解 本题属于操作型问题：只知入塔气、液组成，；而出塔组成、皆为未知；不便于以平均推动力法求解（需用试差法，含超越函数，初值难设定）。以下采用吸收因数法。已知 吸收因数，已知，但需由物料衡算得出（： (a)现未知，但知，可初步在中忽略而有，以得到或的初值、：因为 所以 及根据及插图9-11，得 当将得到的初值代入式（a），以求较准确的时，与初值比，将因计入而略减，因略增；从图9-11可见略减，由此可知的实际值应较已算出的为大。第二次设，代入式（a）可求相应的: ,从，及求时，图9-11欠精确，按式(9-53)计算： 解得，与原设相差甚少，不必再算下去，即为最终值。为使提高到，可加大水量至或增高填料层至，都可用式（9-53）计算。此时 在应用式（9-53）计算时，又需对或试差，其解法考虑到式中方括号中的数值取对数后变化小，而写成 （b）方括号内的查图9-11（纵、横坐标分别额15及200）得初值为，代入式（b）方括号中算得等号左边，故，与原设基本符合，可用于计算： 而用水量据 得。用水量增大的比例为，即增大；一般讲，在操作允许范围内。增高填料层可从总传质单元数的增加直接计算： 故 比原来增加了约。9-18 气体混合物中溶质的摩尔分数为，要求在填料塔中吸收器。平衡关系为。求下列各情况下所需的气相总传质单元数。（1）入塔液体，液气比。（2）入塔液体，液气比。（3），。（4），最大吸收率为多少？解 本题气液进出塔的个组成易于得出，求以用平均推动力法较便利。（1） ， ， ， （2）、与前相同， （3） ， （4）当时，对应于回收率的最大值，与达到平衡，即，全塔物料衡算式为 故 ，即说明当时，最大吸收率不能超过。9-19 气体中含有（体积分数）氨，需在填料塔中以水吸收其中氨的，水量为最小值的倍。塔内总压，塔底的气体流率、，塔顶。入塔水温，塔内操作条件下的汽液平衡数据如下。求所需填料层高度。用水吸收高浓度氨时的平衡数据（计入溶剂热导致的液温上升，初温）12345678912.54.581217233242解 本题属高浓度气体的吸收，应用式（9-73a）： （a）式中，取塔顶、底的平均值。已给定塔底；塔顶需通过物料衡算。惰性气流率为 塔底摩尔比 塔顶摩尔比 塔顶流率 传质系数需换算到以摩尔分数为单位： 故塔底、塔顶的传质单元高度分别为 平均值 以下求，以用近似梯级法为便。水吸收氨为气膜控制物系，梯级法中可用气相总推动力代替气相分推动力。现平衡数据已给，作出平衡曲线如附图所示；另需找出间的物料衡算关系。为得到最小液气比，需从平衡曲线查出，据式（9-38）： 将此及、代入式（9-36a）： 即 （b）现据此式算出一些、衡算关系（如下表所示），以作出操作线（曲线）如附图所示。0123456788.83.239.6115.321.125.129.333.136.639.842.2如附图所示，再作出操作线与平衡线垂直距离中点的联线，可按倍克法作出梯级。其级数为，即。代入式（a）,得 9-20 若将习题9-17用清水系数含氨的过程该在有层理论版的板式塔中进行，用水量和气体流率不变，试重新计算该题的（1）小题。解 应用式（9-76），其中，故 据习题9-17（1）的用水量及平衡关系已得，代入上式，得 9-21 填料塔用弧鞍瓷质填料以清水吸收空气中的低浓度，温度，压力（绝）。气体、液体的质量流率分别为和。计算、和、。解 式（9-91）虽专为水吸收，但填料的差别较大，还是应用通用形式的恩田