化工热力学第二版夏清第2章吸收答案

1、3kPa) 及相平衡常数 m。 求H由 PNH 3CNH3H.求算.第二章 吸收1. 从手册中查得 KPa、25 时，若 100 g 水中含氨 1 g ，则此溶液上方的 氨气平衡分压为 KPa。已知在此组成范围内溶液服从亨利定律，试求溶解度系 数 H (kmol/ (m解：(1)已知： PNH3 0.987kPa .相应的溶液浓度 CNH3 可用如下方法算出： 以 100g 水为基准，因为溶液很稀 . 故可近似认为其密度与水相同 . 并取其值为1000kg /m3. 则：1/17CNH30.582kmol / m3100 11000CNH3 /PNH300.598872 0.590kmol/(

2、m3 kPa)yNH3(2).mNH3 xNH3PNH30.987 0.00974P 101.331/170.01051/17 100/180.00974m yNH3 /xNH3 0.0105 0.928kpa 、10 时，氧气在水中的溶解度可用 pO2=106x 表示。式中： PO2yNH3 求m.由xNH32.为氧在气相中的分压， kPa、 x 为氧在液相中的摩尔分数。试求在此温度及压强 下与空气充分接触后的水中，每立方米溶有多少克氧。解： 氧在空气中的摩尔分数为 0.21. 故：PO2 PyO2 101.33 0.21PO221.28O2 3.31 106 3.31 106因 xO2 值

3、甚小，故可以认为即： XO2 xO26.43 10 6所以：溶解度6.43 10 6X21.28kPa6.43 10 61 18321.14 105kg(O2)/kg(H2O) 11.4 mg3(HO22O) ) ) 及相平衡常数 m，并计算每 100 克与该气体相平3. 某混合气体中含有 2%(体积) CO2，其余为空气。 混合气体的温度为 30 ， 总压强为 kPa。从手册中查得 30 时 CO2在水中的亨利系数 E= KPa，试求溶解 度系数 H(kmol/ (m3kPa、 衡的水中溶有多少克 CO2。(2).(1)(2)(3)解： (1). 求H 由H求算.EM H2OEMH 2O求m

4、PCO210001.88 105 181.88506.6105 3712.955 10 4 kmol /(m3 kPa)0.02时. 100 g 水溶解的 CO2506.6 0.02 10.13kPaPCO2 10.13 5 x 2 5 5.39 10 5E 1.88 105因 x 很小，故可近似认为 X x5 kmol(CO2 )X 5.39 101.318 10 4kmol(H2O) 5.39 10 5 (1448) kkgg(CHO2O2)kg(CO2)kg(H2O)故100克水中溶有 CO20.01318gCO24在 kPa、0 下的 O2与 CO混合气体中发生稳定的分子扩散过程。已知

5、相 距 cm的两截面上 O2的分压分别为 kPa 和 kPa ，又知扩散系数为 cm2/s ，试计算 下列两种情况下 O2的传递速率， kmol/(m 2s)：(1) O2与 CO两种气体作等分子反向扩散。(2) CO气体为停滞组分。解： (1) 等分子反向扩散时 O2 的传递速率：NADRTZ20.185cm /s(PA1 PA2)521.85 10 5m2 /s.273KPA1101.325kPa.Z13.33kPa.PA21.850.2cm 2 10 3mNA6.67kPa10 5523 (13.33 6.67) 2.71 10 5( kmol / m2 s)8.314 273 2 10

6、 32)O2 通过停滞 CO的扩散速率1.85 105 101.333 ln 101.33 6.678.314 273 2 10 3 101.33 13.33DP(PA1 PA2 ) RTZPBm A1 A23.01 10 5 kmol / m2 s5 一浅盘内存有 到大气中。假定扩散始终是通过一层厚度为 以外的水蒸气分压为零。扩散系数为 10-5 m2/s ，大气压强为 KPa。求蒸干水层 所需的时间。NADPRTZln PPBB212 mm 厚的水层，在 20 的恒定温度下逐渐蒸发并扩散5 mm的静止空气膜层，此空气膜层解： 这是属于组分 ( A)通过停滞组分的扩散。已知扩散距离(静止空气

7、膜厚度) 为 Z 5 10 3m. 水层表面的水蒸气分压 (20oC)的饱和水蒸气压力为 PA1 2.3346kPa .静止空气膜层以外 ; 水蒸气分压为 PA2 052D 2.6 10 5m2 /s.P 101.33kPa.T 273 20 293K单位面积上单位时间的水分蒸发量为DPNA RTZP(PA1 PA2 )Bm5.03 10 6kmol /(m2 s)故液面下降速度：DPlnRTZPB2PB12.6 10 5 101.33 101.333 ln8.314 293 5 10 3 101.33 2.3346dNA MA 5.03 10 6 18d L 998.2水层蒸干的时间：dhh

8、/d 9.5071010 8 2.2059.07104s10 8m/s6.125h6. 试根据马克斯韦尔 - 吉利兰公式分别估算 0 、 kPa 时氨和氯化氢在空 气中的扩散系数 D (m2/s) ，并将计算结果与表 2-2 中的数据相比较。解： (1). 氨在空气中的扩散系数 . 查表 2.4 知道，空气的分子体积：3VB 29.9cm3 /mol氨的分子体积：3VA 25.8cm /mol又知 MB 29g / mol.M A 17g/ mol则 0oC.101.33kPa 时，氨在空气中的扩散系数可由 Maxwea : Gilliland 式计算 .D 4.36 10 5 (273)3/

9、2 (117 219)1/2DNH 3101.33 (25.8)1/3 (29.9)1/310614 10 5m2 /s(2) 同理求得52DHCl 1.323 10 5m2 /s7. 在 kPa 、27 下用水吸收混于空气中的甲醇蒸气。甲醇在气、液两相中 的组成都很低，平衡关系服从亨利定律。 气膜吸收系数 kG=10-5 kmol/(m2skPa) ，液膜吸收系数 kL=10 23kmol/(m 2kmol/m3) 。试求总吸收系数 数。解： 总吸收系数已知溶解度系数H= kmol/(m 3kPa)，-5KG，并算出气膜阻力在总阻力中所占百分KG11 1 1kG HkC 1.55 10 5

10、1.955 2.08 10 5521.122 10 5kmol /(m2 s kPa)气膜P助在点P助中所占百分数 .1/ kG1.122 72.3 oo 1/ kG 1/ HkC1.55 o8. 在吸收塔内用水吸收棍子空气中的甲醇，操作温度 27 ，压强 KPa。 稳定操作状况下塔内某截面上的气相甲醇分压为5 kPa ，液相中甲醇组成为kmol/m3。试根据上题中的有关数据算出该截面上的吸收速率。解： 吸收速率 N A KG(PA PA )由上题已求出 kG 1.122 10 5kmol /(m2 s kPa)又知： H 1.955kmol /(m3 kPa )则该截面上气相甲醇的平衡分压为

11、5kPa.10 5 kmol /(m2 s)PAC /H 2.11/1.955 1.08kPa .PA则 NA 1.122 10 5 (5 1.08) 4.40.1583kmol /(m 求1013kPa 下的操作液气比及出口液组成 h)kpa 、25 下用清水吸收混合气中的 H2S，E=16 kPa 。若9. 在逆流操作的吸收塔中，于 将其组成由 2%降至 ( 体积) 。该系统符合亨利定律。亨利系数 取吸收剂用量为理论最小用量的 12 倍，试计算操作液气比及出口液相组成若压解：强改为 1013 kPa ，其他条件不变，再求手及1) 求101.33kPa 下，操作液气比及出口液相组成。Y1Y2

12、X2EPy11 y1y21 y205.52 104101.330.021 0.020.0011 0.001545.0.02040.001最小液气比(V)min操作液气比为 LV出口液相浓度Y1 Y2Ym1 X2 m1.2 (VL)min0.0204 0.001 518.0.0204/ 5451.2 518 622.VX1 X2 L (Y1 Y2)0 1 (0.0204 0.001) 3.12 10 5 6225.52 104 545.1013Y1 Y2Ym1 X2m则：0.0204 0.0001 51.80.0204 / 545VL 1.251.8 62.2出口液相组成：X1 X2 V (Y1

13、 Y2) 0 1 (0.0204 0.001) 3.12 10 4L62.211. 在 kPa 下用水吸收据于空气中的氨。已知氨的摩尔分数为，混合气体 于 40 下进入塔底，体积流量为 m3/s ，空塔气速为 m/s 。吸收剂用量为理论 最小用量的倍， 氨的吸收率为 95%，且已估算出塔内气相体积吸收总系数的平均 值为。在操作条件下的气液平衡关系为，试求塔径及填料层高度。解：0.10.11111 0.1) 0.1111 (1 0.95) 0.005555.Y1Y2 Y1(1X2 0. (L)min minY1 Y20.1111 0.005555Ym1 X2m0.11112.62.47.1.12

14、.47 2.72.X1NoGVL (Y1 Y2) mV 2.6L 2.721ln(11SX212.720.956.Y1 Y2S)Y2 Y2(0.1111S0.005555) 0 0.0388.ln(1 0.956) 0.1111 0.956 13.81 0.956 0.005555塔截面积：0.556/1.220.463m2.塔径：0.463 0.77m.又知：0.556 27322.4 273 400.90.0195kmol /s.则：HoGVKYa0.01950.1112 0.4630.38m.塔上填料层高度：Z H oG NoG 0.38 13.8 5.23m.SO2，气体流量为 500

15、0 m3( 标准)/h ， 气、液逆流接触，在塔的操作条件下12在吸收塔中用清水吸收混合气中的 其中 SO2占 10%，要求 SO2 回收率为 95%。 SO2在两相间的平衡关系近似为。试求：(1) 若取用水量为最小用量的 15 倍，(2) 在上述条件下，用图解法求所需理论塔板数 ;(3) 如仍用(2) 中求出的理论板数，而要求回收率从 95%提高到 98%，用水量应 增加到多少解：(1) 求用水量：0.100.11111 0.100.1111 (1 0.95) 0.00556 5000(1 0.10) 201kmol /h.22.4 L V(Y1 Y2) Lmin X1 X2用水量应为多少Y

16、1Y2201 (0.111 0.00556) 5100kmol /h.L 1.5Lmin 1.551000.1111 026.7 07650kmol(水)/h.2) 求理论板数(a) 梯级图解法X1 VL (Y1 Y2) X27260510 (0.1111 0.00556) 0.00277.在Y X 直角坐标图中给出平衡线 oE.CY 26.7 7及操作线 BT由图中 B 点开始在操作线与平衡线之间画梯级得理论板层数 NT 5.5(b) 用克列姆塞尔算图95 oo.X2 0则相对回收率Y1 Y2Y1 mX20.1111 0.00556 0.950.1111在理论最小用水量下， NT，J 据此查

17、图 2 21得：Amin0.95L 1.5Lmin1.5 0.95查图 2 21L而 Lmin 0.95mV1.5 0.95mV26.7 201 7650kmol(水) / h或由式 2 77c 计算)可知当：A mLV 1.43. 0.95 时NT5.5两种方法解得的结果相同。3) 求98 oo 时所需增加的水量用克列姆塞尔法估算，已知：0.98.NT 5.5据此查图 2 21得 A 1.75.则： L 1.75mV 1.75 26.7 201 9390kmol /h.故需要增加的用水量L L 9390 7650 1740kmol(水) /h 3.13 104 kg(水) / h.13. 在

18、一个接触效能相当于 8 层理论塔板的筛板塔内，用一种摩尔质量为 250、密度为则 900 kg/m 3的不挥发油吸收捏于空气中的丁烧。塔内操作压强为 kPa，温度为 15 ，进塔气体含丁烷 5%(体积) ，要求回收率为 95%。丁烷在 15 时的蒸气压强为 kPa ，液相密度为 58Ok g/m3 假定拉乌尔定律及道尔顿定律适用， 求：(1) 回收每 1 m3丁烷需用溶剂油多少 (m3)(1). 由拉乌尔定律 .(2) 若操作压强改为 kPa ，而其他条件不变，则上述溶剂油耗量将是多少 (m3)解：ypo xp194.5101.33x 1.92x.由于为低组成吸收，可以认为 Y 1.92Xln

19、 Y1 Y1 NT lnY2 Y2 NT ln Y1 Y2Y1 Y2Y1 00.05Y1 0.0526.X2 0.Y2 01 1 0.05 2 2Y2 Y1(1 ) 0.0526 (1 0.95) 0.00263.由克列姆塞尔方程得到：0.0526 Y1ln0.0263 00.0526 0.00263 ln解得：Y1 0.0420.0421.92 1.92由此可知，每回收X1Y10.022.1kmol丁烷所需纯溶剂油数量为11X1 X 2 0.022 045.5 kmo(l 油)/kmol (丁烷)丁烷的摩尔质量为 58.08.则回收每 1m3液体丁烷所需溶剂油的体积为45.5 250/900

20、126.2m3（油）/m（3丁烷）58.08/ 580 （油） （丁烷）(2). 若 p 304.0kPa. 则：194.5y 139044.05x 0.6398x. Y 0.6398X.因为 X2 0 故Y2 0Y10.042. （条件未变，仍用上法求得 ）X1Y1mx1 x20.042 0.0656.0.639810.065615.24kmo（l油） / kmo（l丁烷） 0kmol/（m 2s） ，气相体积吸收 kPa），求所需填料层高度。3342.28m（油） / m（液体丁烷）15.24 250190058.08/ 580解： Z H oG NoGV( Y1 Y2)K Ya VYm已

21、知：0.02910.031 0.0291 Y1(1 ) 0.03 (10.013.Y1 mX1 2 0.013 0.0260.Y2 0Y1Y2X1X20.99) 0.000314. 在一逆流吸收塔中用三乙醇胶水溶液吸收混于气态烃中的 H2S，进塔气 相含 H2S %（体积） ，要求吸收率不低于 99%，操作温度 300 K，压强为 kPa，平 衡关系为，进塔液体为新鲜溶剂，出塔液体中 H2S组成为 kmol（ H2S）/kmol（ 溶剂）。 已知单位塔截面上单位时间流过的惰性气体量为 总系数为 kmol/（m 3s(0.03 0.026) 0.0003VYm 则：KYa0.00143.0.03

22、 0.026 ln 0.0003KGap 0.000395 101.33 0.04kmol /(m2 S) 又知：20.015kmol /(m2 s)0.015H oG 0.375m.oG 0.040.03 0.0003NoG20.8oG 0.00143Z 0.375 20.8 7.8m.15有一吸收塔，填料层高度为 3 m，操作压强为 KPa，温度为 20 ，用 清水吸收棍于空气中的氨。混合气质量流速 G=58O kg/(m2h) ，含氨 6%(体积) ，吸收率为 99%;水的质量流 速 W=770 kg/(m 2h) 。该塔在等温下逆流操作，平衡关系为。 KGa与气相质量流 速的次方成正比

23、而与液相质量流速大体无关。试计算当操作条件分别作下列改 变时，填料层高度应如何改变才能保持原来的吸收率 (塔径 不变) ：(1) 操作压 强增大一倍 ;(2) 液体流量增大一倍 ;(3) 气体流量增大一倍。解： 已知Y1Y23m,p 101.325kPa ,T0.06 0.0638.X21 0.06 2Y1(1 ) 0.0638 (1293k.0.0.99) 0.000638混合气体的平均摩尔质量29 0.94 17 0.06 28.28kg / kml580 2 (1 0.06) 19.28kmol /( m2 h) 28.28770 2 42.78kmol /(m2 h)18mV 0.9

24、19.28S 0.4056L 42.781Y1 mX 2NOGln(1 S)( ln 0.0638 0 (1 0.2028) 0.20281 0.2028 0.000638 0 5.496 2 ) S1 SY2 mX 2ln 0.0638 0 (1 0.4056) 0.40561 0.40566.8840.000638HOGNOG6.884 0.4358mmV 0.45 19.28 0.2028由于 m p故NOGm pQ HOGKYaKGap1）1mp / p 0.9 0.45242.781Y1 mX 2 ln( 1 2 )(1 S ) S1 SY2 mX 2故：H OGH OGPPH OG

25、H OG PP0.4358 1 0.2179 m2Z H OG N OG0.2179 5.496 1.198m.填料层高度比原来减少了 3 1.198 1.802m（2）10.4056 0.2028V1）.L 2L mV mV SL2LNOG 5.496. 计算过程同(液体流速的增加对 K Ga无显著影响 .HOGHOG0.4358 m.则： Z NOG HOG 5.496 0.4358 2.395m.即所需填料层高度较原来减少了 3 2.395 0.605m（3） VS2VmVLNOGm(2V) 2 0.4056 0.8112L1ln100 (1 0.8112) 0.8112 15.81 0

26、.8112气体质量流速增大时，总吸收系数 KGa相应增大 .V0.8HOGKGa(VV )0.8 20.8KGaVKGa p2V20.8 KGa p20.2H OG 20.2 0.4358 0.501m.Z HOG NOG15.8 0.5017.92m.7.92 3 4.92m即所需填料层高度较原来增加16. 要在一个板式塔中用清水吸收混于空气中的丙醇蒸气。混合气体流量 为 30 kmol/h ，其中含丙醇 1%（体积） 。要求吸收率达到 90%，用水量为 90 kmol/h 。 该塔在 KPa、27 下等温操作，丙醇在气、液两相中的平衡关系为，求所需理 论板数。解：Y1Y2L30 (1 0.

27、01) 29.7kmol /h.0.010.01011 0.01Y1(1 A) 0.010190kmol /h(1 0.90) 0.00101X1XV(Y1 Y2 )X229.7 (0.0101 0.00101) 0.003.90由题意知 m 2.53则：L 90A 1.1977mV 2.53 29.7又因为 X2 0. 则：NTA 0.90Aln 11ln A1.1977 0.90ln1 0.90 1 5.05ln1.1977第三章2. 解： (1) 塔径两种填料的 值如下 .50mm 50mm 4.5mm陶瓷拉西环 ( 乱堆 )：2051/ m25mm 25mm 2.5mm陶瓷拉西环 ( 乱堆 )：4501/ m比较两种填料的 值可知， 小填料的泛点气速应比大填料的低， 故应接小填料计算塔径.WWcv ( vL)v 0.5 70040010.16 (11