环境工程原理习题集060813_完整答案

1、所以与出塔气相平衡的吸收液摩尔分数为*X20.002/47.874.17 100.356/64100 /180.001第八章吸收8.1在30C，常压条件下，用吸收塔清水逆流吸收空气-SO2混合气体中的SO2，已知气-液相平衡关系式为y 47.87X，入塔混合气中SO2摩尔分数为0.05, 出塔混合气SO2摩尔分数为0.002，出塔吸收液中每100 g含有SO2 0.356 g,试分别计算塔顶和塔底处的传质推动力，用y、 x、 P、 c表示。解：(1)塔顶出塔SO2的摩尔分数为y2 0.002，入塔吸收液中SO2的摩尔分数为x2 0与入塔吸收液平衡的气相摩尔分数为Y20所以 x2 x2* x24

2、.17 10 504.17 10 ：yy2 y20.002 0 0.002p2101.325 y2101.325 0.0020.2026 kPa忽略吸收液中溶解的SO2,则摩尔浓度可计算为c 1000/1855.6mol/Lc2 55.6x2 55.6 4.17 10 5 0.00232 mol/L(2)塔底入塔SO2的摩尔分数 为y1 0.05，出塔吸收液中 SO2的摩尔分数为所以与入塔气相平衡的吸收液摩尔分数为X； 0.05/47.87 0.0010444与出塔吸收液平衡的气相摩尔分数为力47.87X1 47.87 0.001 0.04787所以 x1 x1x1 0.0010444 0.0

3、01 4.44 10y1 y1 y1*0.05 0.04787 0.00213P1 101.325y1101.325 0.00213 0.2158 kPaq 55.6x, 55.6 4.44 10 5 0.00247 mol/L8.2吸收塔某截面处气相组成为y .5，液相组成为x 0.01，两相的平衡关5Kx11/kx 1/ mkyAy1551/ 1.25 101/ 2 1.25 100.83 10系为y 2x ,如果两相的传质系数分别为ky依10 kmol/(m2 3 4 s),5kx 1.25 10 kmol/(m2 s),试求该截面上传质总推动力、总阻力、气液两相的阻力 和传质速率。解：

4、与气相组成平衡的液相摩尔分数为y 2x 2 0.01 0.02所以，以气相摩尔分数差表示的总传质推动力为y y y 0.05 0.020.03同理，与液相组成平衡的气相摩尔分数差为 x*0.05/ 2 0.025所以，以液相摩尔分数差表示的总传质推动力为x x* x 0.0250.010.015以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数为2kmol/(m s)以气相摩尔分数差为推动力的总传质系数为Ky Kx/m 0.83 10 5 */2 0.42 105 kmol/(m2 s)传质速率NA Kx x 0.83 10 5 0.0151.25 10 7 kmol/(m2 s)或者 NA Ky y 0.

5、42 10 5 0.03 1.26 10 7 kmol/(m2 s)以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数分析传质阻力0.00523 kmol/(m2 h kPa)8.3用吸收塔吸收废气中的S02,条件为常压，30C，相平衡常数为m 26.7 ,在塔某一截面上，气相中 S02分压为4.1kPa,液相中S02浓度为0.05kmol/m3,2气相传质系数为kG 1.5 10 kmol/(m2 h kPa),液相传质系数为kL 0.39m/h，吸收液密度近似水的密度。试求：(1) 截面上气液相界面上的浓度和分压；(2) 总传质系数、传质推动力和传质速率。解：(1)设气液相界面上的压力为 口，浓度为Ci

6、忽略SO2的溶解，吸收液的摩尔浓度为 c01000/1855.6kmol/m3溶解度系数 H 卫5560.0206 kmol/(kPa m3)mp026.7 101.325在相界面上，气液两相平衡，所以G 0.0206pi又因为稳态传质过程，气液两相传质速率相等，所以kG p pikLc所以 1.5 10 2 4.1 pi0.39 ci 0.05由以上两个方程，可以求得 pi 3.52 kPa, Ci 0.0724 kmol/m3(2)总气相传质系数1 1KG1/kG 1/HkL 1/0.015 1/ 0.0206 0.39总液相传质系数 KL KG/H 0.00523/0.02060.254

7、 m/h与水溶液平衡的气相平衡分压为p* c/H 0.05/0.0206 2.43 kPa所以用分压差表示的总传质推动力为ppp*4.1 2.43 1.67 kPa与气相组成平衡的溶液平衡浓度为 c*Hp 0.0206 4.1 0.084 kmol/m3用浓度差表示的总传质推动力为c c* c 0.084 0.05 0.034 kmol/m3传质速率 NA KG p 0.00523 1.670.0087 kmol/(m2 h)或者 NA KL c 0.254 0.0340.0086kmol/(m2 h)6 64.78 10 /0.736.55 10 m/s所以用分压差表示的总传质推动力为ppp

8、 3.039 1.3701.669 kPaKG11/kG 1/HkL1/ 5 10 61/ 0.73 1.5 104.78 10 6 kmol/(m2 s kPa)8.4 101.3kPa操作压力下，在某吸收截面上，含氨0.03摩尔分数的气体与氨浓度为1kmol/m3的溶液发生吸收过程，已知气膜传质分系数为kG 5 104kmol/(m2 s kPa),液膜传质分系数为kL 1.5 10 m/s,操作条件下的溶解度系数为H 0.73 kmol/(m2 kPa),试计算：(1) 界面上两相的组成；(2) 以分压差和摩尔浓度差表示的总传质推动力、总传质系数和传质速率；(3) 分析传质阻力，判断是否

9、适合采取化学吸收，如果采用酸溶液吸收， 传质速率提高多少。假设发生瞬时不可逆反应。解：(1)设气液相界面上的压力为 口，浓度为Ci因为相界面上，气液平衡，所以ci Hpi，G 0.73 pi气相中氨气的分压为 p 0.03 101.3 3.039 kPa稳态传质条件下，气液两相传质速率相等，所以kg p PikL q c5 10 63.039 pi 1.5 104 q 1根据上面两个方程，求得 p 1.44 kPa, ci 1.05 kmol/m3(2)与气相组成平衡的溶液平衡浓度为3c Hp 0.03 101.3 0.732.22 kmol/m用浓度差表示的总传质推动力为3c c c 2.2

10、2 11.22 kmol/m与水溶液平衡的气相平衡分压为p* c/H 1/0.731.370 kPa总气相传质系数6 64.78 10 /0.736.55 10 m/s总液相传质系数KL KG/H431/ 3.06 101/ 34.4 3.77 10传质速率 NA KG p 4.78 10 6 1.6697.978 10 6 kmol/(m2 s)或者 NA KL c 6.55 10 6 1.227.991 10 6 kmol/(m2 s)(3)以气相总传质系数为例进行传质阻力分析总传质阻力 1/KG 1/ 4.78 10 62.092 105 (m2 s kPa)/kmol其中气膜传质阻力为

11、1/ kG 1/ 5 10 62 105 (m2 s kPa)/kmol占总阻力的95.6%液膜传质阻力为 1/ HkG 1/ 0.73 1.5 10 49.1 103 (m2 s kPa)/kmol占总阻力的4.4%所以这个过程是气膜控制的传质过程，不适合采用化学吸收法。如果采用酸液吸收氨气，并且假设发生瞬时不可逆反应，则可以忽略液膜传 质阻力，只考虑气膜传质阻力，则KG kG 5 10 6kmol/(m2 s kPa),仅仅比原来 的传质系数提高了 4.6%,如果传质推动力不变的话，传质速率也只能提高4.6% 当然，采用酸溶液吸收也会提高传质推动力，但是传质推动力提高的幅度很有限。 因此总

12、的来说在气膜控制的吸收过程中，采用化学吸收是不合适的。8.5利用吸收分离两组分气体混合物，操作总压为310kPa,气、液相分传质系数分别为 ky 3.77 10 kmol/(m2 s)、kx 3.06 10 kmol/(m2 s)，气、液两相平衡4符合亨利定律，关系式为p 1.067 10 x (p*的单位为kPa)，计算：(1) 总传质系数；(2) 传质过程的阻力分析；(3) 根据传质阻力分析，判断是否适合采取化学吸收，如果发生瞬时不可 逆化学反应，传质速率会提高多少倍？4解：(1)相平衡系数m E 1.067 1034.4p 310所以，以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数为由亨利定律 x

13、 p/E 10/ 1.44 1056.94 1011/kx 1/mky13.05 10 4 kmol/(由亨利定律 x p/E 10/ 1.44 1056.94 101ikx1mky43.28 1033.05 10CO2+H2O? H2CO3 K12.5 10 3kmol/m3H2CO3 ? H + +HCO3- K21.7 104kmol/m3m2 s)以气相摩尔分数差为推动力的总传质系数为Ky Kx/m 3.05 10 4/34.4 0.89 10 5kmol/(m2 s)(2)以液相摩尔分数差为推动力的总传质阻力为其中液膜传质阻力为1/kx 1/ 3.06 10 43.27 103，占总

14、传质阻力的99.7%气膜传质阻力为1/mky 1/34.4 3.77 10 37.71，占传质阻力的0.3%所以整个传质过程为液膜控制的传质过程。(3)因为传质过程为液膜控制，所以适合采用化学吸收。如题设条件，在 化学吸收过程中，假如发生的是快速不可逆化学反应，并且假设扩散速率足够快, 在相界面上即可完全反应，在这种情况下，可等同于忽略液膜阻力的物理吸收过 程，此时32Kx mky 34.4 3.77 100.13kmol/(m s)与原来相比增大了 426倍8.6已知常压下，20r时，CO2在水中的亨利系数为1.44X0-5kPa，并且已知以下两个反应的平衡常数若平衡状态下气相中的CO2分压

15、为10kPa，求水中溶解的CO2的浓度。(CO2在水中的一级离解常数为K 4.3 10 7 kmol/m3，实际上包含了上述两个反应平衡，K心心)解：首先求得液相中CO2的浓度由反应 CO2+H2O? H2CO3，得 K1H2CO3COCO2 H2CO3 HCO33.86 10 3 4.05 10 5 9.65 10 63.90 10忽略C02的溶解，吸收液的摩尔浓度为 01000/1855.6 kmol/m3所以 CO2CoX 55.6 6.94 105 3.86 10 3 kmol/m3H2CO3CO2 K1 3.86 103 2.5 10 3 9.65 10 6 kmol/m3+HHCO

16、3由反应 H2CO3 ? H +HCO3，得 K2一H2CO3HCO3. K2 H2CO31.7 10 4 9.65 10 6 4.05 10 5 kmol/m3所以水中溶解的CO2总浓度为kmol/m38.7 在两个吸收塔a b中用清水吸收某种气态污染物，气-液相平衡符合 亨利定律。如下图所示，采用不同的流程，试定性地绘出各个流程相应的操作线 和平衡线位置，并在图上标出流程图中各个浓度符号的位置。X1bX2bX2aYY 1bX1aY2bY2bX1b图8-1 习题8.7图示解:(a)(b)qnLymy1 mxiy2 m冷in yiy2 mx20.1 1.5 0.04850.005 1.5 0.

17、001,0.1 1.5 0.0485In0.005 1.5 0.0010.01157传质单元数为Ng%y2ym0.1 0.0050.011578.21X1qnGy1y2X2图8-2习题8.7图中各流程的操作线和平衡线8.8用吸收法除去有害气体，已知操作条件下相平衡关系为y 5x，混合气体初始含量为 0.1，吸收剂入塔浓度为X2 0.001，液气比为2。已知在逆流操作时，气体出口浓度为y2 0.005。如果操作条件不变，而改为并流操作，气体的出口含量是多少？逆流操作吸收的溶质是并流操作的多少倍？假设总体积传质 系数不变。解：逆流操作时，液体出口含量为Xi qnG yi y X2-0.10.005

18、0.0010.0485qnL2平均传质推动力改为并流操作后，体积传质系数不变，所以传质单元高度不变，传质单元数 也不变。联立并流操作的物料衡算和传质单元数计算式NOGyi yIy1 mx2y2y2 mx-i1. yi mx2InrmqnG y mxiqnL将数值代入以上两式，求得y2 0.044 , x10.0291逆流和并流操作所吸收的溶质量之比为世Kyah ym逆qj竺51.7N并Kyah ym并q.L % y0.10.0448.9在吸收塔中，用清水自上而下并流吸收混合废气中的氨气。已知气体流量为1000m3/h （标准状态），氨气的摩尔分数为0.01，塔为常温常压，此条件下氨的相平衡关系

19、为Y* 0.93X，求：（1）用5 m3/h的清水吸收，氨气的最高吸收率；（2）用10 m3/h的清水吸收，氨气的最高吸收率；（3）用5 m3/h的含氨0.5% （质量分数）的水吸收，氨气的最高吸收率解：（1）气体的流量为1000 103/22.4360012.4mol/s液体的流量为5 103 103 /18360077.2mol/s液体的流量为10 103 103/183600154.4mol/s假设吸收在塔底达到平衡则 77.2 Y* /0.9312.40.01-Y ，所以 Y 0.0013所以最大吸收率为0.01 0.0013 ,0.870.01（2）气体的流量为1000 103/22

20、.412.4mol/s3600假设吸收在塔底达到平衡则 154.4 Y*/0.9312.40.01-Y*，所以 Y*0.0007所以最大吸收率为0.01 0.00070.01（3）吸收剂中氨的摩尔分数为0.930.0053液相入口摩尔比X21 x20.011 0.010.01吸收率丫1 丫2丫10.11丫20.110.8，所以，丫20.022所以，最小液气比qnLqnG min丫 丫2丫/m X2空輕0.870.1/1 0.01吸收率max*丫1 丫2Y0.11 1 0.010.110.91当液气比（qnL /qnG）m，操作线与平衡线在塔顶点相交，即液相进口浓度5 103 103 0.005

21、/175 103 103/18假设吸收在塔底达到平衡则 77.2 Y*/0.93 0.0053 12.40.01-Y*，所以 Y* 0.00560.01 0.0056所以最大吸收率为0.440.018.10用一个吸收塔吸收混合气体中的气态污染物A，已知A在气液两相中的平衡关系为y x，气体入口浓度为y1 0.1，液体入口浓度为x .oi，（1）如果要求吸收率达到80%，求最小气液比；（2）溶质的最大吸收率可以达到多少，此时液体出口的最大浓度为多少？解：（1）气相入口摩尔比Y 010.11，1 y10.9（2）假设吸收塔高度为无穷大，求 A的最大吸收率当液气比（qnL/qnG） m，操作线与平衡

22、线重合，气液两相在塔顶和塔底都处于平衡状态此时液相出口浓度X1 m罟0.吸收率max0.11 1 0.010.110.91吸收率max0.11 1 0.010.110.91qnL /qnG 1.5 qnL/qnG min 1.5 弓 y2-yL /m x21.50.01 0.0020.01/1 01.2N OG1In 11 1/S1/SyL mx2y2 mx21/S1ln 1 0.831 0.830.010.0020.833.05与气相出口浓度平衡此时液相出口浓度X1 qnG Y1 mX2 X2 Y1 0.11qnLm与相比，吸收率达到同样大小，但是液相出口浓度要低。当液气比（qnL/qnG）

23、m，操作线与平衡线在塔底点相交，即液相出口浓度 与气相进口浓度平衡。此时液相出口浓度X1 YL 0110.11m 1与相比，液相出口浓度达到同样大小，但是吸收率要低8.11在逆流操作的吸收塔中，用清水吸收混合废气中的组分A，入塔气体溶质体积分数为0.01，已知操作条件下的相平衡关系为 y* x，吸收剂用量为最 小用量的1.5倍，气相总传质单元高度为1.2m，要求吸收率为80%，求填料层 的高度。解：已知传质单元高度，求得传质单元数，即可得到填料层高度。塔底：yi 0.01塔顶：y20.01 1 0.80.002，x2 0操作过程的液气比为吸收因子S1.2mqnG所以，传质单元数为吸收塔高度不变

24、，吸收因子SqnLmqnG，假设吸收剂用量增加n倍，则吸收h HOLNOLqnLKxaqnLKxa丫1丫2qnLKxa&lnS Y2SqnLS 1YL丫2n%LlnnS 1丄nS丫21nS其中 S=1.779,0.05Y1，Y20.02丫dhln111.7790.05 1.779n1.779 1ln1 n1.7790.021n1.779所以填料层高度为h HOGNOG 1.2 3.053.66m8.12在一个填料塔中用清水吸收空气中的某气态污染物，在其他条件不变 的情况下，将吸收率从95%提高到98%,贝帔收剂的用量增加多少倍？假设过 程为气膜控制吸收过程，吸收因子为S 1.779。解：吸收剂

25、用量的增加，会带来液相吸收系数的变化，题意中气膜控制吸收 过程用意在于可以忽略液相吸收系数的变化对总传质系数的影响， 而认为总传质 系数不变。在清水吸收的条件下，X20因子也会增加n倍。1 丫S 丫2所以求得n=1.90所以吸收剂用量需要增加1.90倍。8.13在填料层高度为5m的填料塔，用清水吸收空气中的某气态污染物。 液 气比为1.0,吸收率为90%，操作条件下的相平衡关系为丫* 0.5X。如果改用另 外一种填料，在相同的条件下，吸收率可以提高到95%，试计算两种填料的气相KYagaH OGH OG1.4661.381.063总体积传质系数之比。解：吸收因子S -2mqnG原填料下：1Y

26、mX11NOGln 1 1/S 2 1/SIn 1 0.50.53.411 1/SY2mX210.51 0.9气相总传质单元咼度为：HOGqnGh51.466KYaN OG3.41新填料下:11YmX211NOGln 1 1/S-1/SIn 1 0.50.54.7031 1/SmX21 0.51 0.95气相总传质单元咼度为：qnGh5|_| 112H OG1.063KYaNOG 4.703在其它条件不变的情况下，两种填料的气相总体积传质系数之比为第九章吸附9.125C, 101.3kPa下，甲醛气体被活性炭吸附的平衡数据如下:q/ g（气体）?g活 性炭）-100.10.20.30.35气体

27、的平衡分压/Pa02671600560012266试判断吸附类型，并求吸附常数。如果25C, 101.3kPa下，在1L的容器中含有空气和甲醛的混合物，甲醛的分压为12kPa,向容器中放入2g活性炭，密闭。忽略空气的吸附，求达到吸附 平衡时容器的压力。解：由数据可得吸附的平衡曲线如下图9-1习题9.1图中吸附平衡线由上述的平衡曲线，可以判断吸附可能是Langmuir或Freundlich型1 111由丄- -，整理数据如下q qmk1 p qm1/q1053.32.861/p0.003740.000620.000180.00008作1/q和1/p的直线0图9-2习题9.1图中1/q1/p的关系

28、曲线由In q 1/nlnp In k ,整理数据如下:Inp5.597.388.639.41Inq-2.30-1.61-1.20-1.05作Inq和Inp的直线图9-3习题9.1图Inq和Inp的关系曲线由以上计算可知，用FreundIich等温方程拟合更好一些。同时计算参数如下：1/n=0.3336, n=3，Ink=-4.1266, k=0.016，所以等温线方程为 q 0.016p1/3 题设条件下，甲醛的物质的量为n卫丫 12000 0.0010.0048 molRT 8.314 298质量为 m 0.0048 30 0.144g假设达到吸附平衡时吸附量为q ,则此时的压力为0.14

29、4 2q 8.314 298/ 300.001Langmuir吸附等温线方程为q k1qm / 1 k1将q 0.016 p1/3代入，可以求得p 89 Pa所以此时甲醛的平衡分压已经很低，如果忽略的话，可以认为此时容器的压力为 101.3 12 89.3kPa9.2现采用活性炭吸附对某有机废水进行处理，对两种活性炭的吸附试验平衡数据如下：平衡浓度COD/(mg?L-1)10050010001500200025003000A吸附量/ mg?g（活性55.6192.3227.8326.357.1378.394.7炭)-118B吸附量/mg?g（活性47.6181.8294.1357.398.44

30、34.476.2炭)-138试判断吸附类型，计算吸附常数，并比较两种活性炭的优劣。 解：由数据可得吸附的平衡曲线如下：10050010001500200025003000/q(A)1.802.604.394.605.606.607.60/q(B)2.102.753.404.205.025.756.30整理数据如下:,变形后可得一q 1qmk1qm作/q和的直线O O6060图9-4习题9.2图吸附等温线图9-5习题9.2图/q和 的关系曲线由直线可知，用Langmuir吸附等温线方程可以很好地拟合吸附曲线。分别求得方程的常数为活性炭 A: 1/qm=0.0019, qm=526, 1/k1qm

31、=1.8046, k仁0.00105活性炭 B: 1/qm=0.0015，qm=667，1/k1qm=1.9829, k1=0.00076比较两种活性炭的吸附平衡常数，可以看到B的饱和吸附量要大于 A，比表面积较大，吸附容量比较大；而 A的吸附系数比较大，吸附的性能较好。9.3有一初始浓度（比质量分数）为Y0的流体，要求用吸附剂将其浓度降低 到丫2 （对应的固体相的吸附质比质量分数为 X2）。试证明：两级错流吸附比单级 吸附节约吸收剂。证明：对单级吸附，由物料衡算有 G Y0 丫 L X2 X01000200030004000平衡浓度COD/mgL-10000005 500003 340000

32、02 298764321001000200030004000可得LT所以吸附剂的用量为L G Y0 Y，/ X2 X。对于二级错流吸附，第一级吸附剂用量为Li，一级流出流体的浓度为Yi，第一级吸附剂用量为L2，一级流出流体的浓度为Y，假设两级所用吸附剂总量为LT，LT Li L,，两级的物料衡算方程分别为两式相加，并且设L2 mLiG 丫0 丫，m Xi X0 X2 X0上式即为LT L9.4用活性炭固定床对生物处理出水进行深度处理， 已知生物处理出水COD 浓度为iOOmg/L,要求活性炭吸附后出水 COD浓度达到5mg/L。在不同的空床 速度和床层高度下，测得的穿透时间如下：G 丫0 YL

33、i XiXoG 丫 丫2L, X,Xi所以m XiXoX, Xom X2 Xo X2 Xoi mm XiXoX, XoX, Xo所以G Y。m Xi Xo丫2X,XoG Yo Y,X, Xo空床速度/(m?h 4)床咼/mo.40.60.81.01.2io穿透时间i48645,.7751.91047.31355.2i,.5/h8,.i238.7398.4564.3718.64 m因为 Xi X0X2 X0解：(1)固定床的穿透时间与床高的关系式为tb Bz A，其中 BNo1551.3153.3249.6352.1448.9(1) 求不同空床流速下的Bohart-Adams公式的参数，并作空床

34、流速对这些 参数的曲线。(2) 在进水浓度和处理要求相同的情况下，求空床速度为12m/h，床层高 度为1.5m时的穿透时间(认为此时仍然符合 Bohart-Adams公式)。A丄In亠1，由实验数据，作tb和z的直线 0 KB图9-6习题9.4图tb和z的关系曲线由直线的斜率和截距可以计算得到不同空床流速下的Bohart-Adams公式的参数,v/(m?h-1)BN0/(mg?L-1)AK/L(mgh)-1ZA /m101501.71.50 X06449.286.54 10-50.29912.5799.39.99 105239.0212.3 10-50.299154977.45 105146.

35、5620.1 10-50.295空床流速对这些参数的曲线如下z/m20K=11.7 XO-5图9-7习题9.4图空床流速与NO, K , ZA的关系(2)当空床速度为12m/h,由上图可以查得NO=1O.3 XO5 mg/L,L/(mg h),可以求得 B=858, A=251.2此时的 Bohart-Adams 公式为 tb 858z 251.2当塔高为1.5m时，穿透时间为 tb 858 1.5 251.2 1035.8 h-1051015v /mh-1v /mhK+=50/ 100074.510250.688 moI/L%1XKXK 1VK0.2 1 xKX,1 0.22.5K离子的去除

36、率为1 XK1 0.090.91第十章其他分离过程10.1用H型强酸性阳离子交换树脂去除质量浓度为5%的KCI溶液，交换平衡时，从交换柱换出来的H离子的摩尔分数为0.2，试计算K离子的去除率。K已知KH =2.5,溶液密度为1025 kg/m3。解：溶液中K+的摩尔浓度为所以xK 0.0910.2用H型强酸性阳离子树脂去除海水中的Na+、K+离子（假设海水中仅存在这两种阳离子），已知树脂中H+离子的浓度为O.3mol/L，海水中Na+、K+离 子的浓度分别为0.1moI/L和0.02moI/L，求交换平衡时溶液中 Na+、K+离子的浓 度。已知 KK 3.，KHa 20。解：KHKVK 1 x

37、3.0，KHTVNa1 XNa2.0XK 1YKXNa1YNB同时 0.3yNa0.1 1 XNa，0.3y,0.02 1 x,联立以上几式，求得XK0.023， xNa0.162所以平衡时溶液中的浓度 Na+为0.0162 mol/L，K+为0.00046 mol/L10.3某强碱性阴离子树脂床，床层空隙率为0.45,树脂颗粒粒度为0.25mm, 孔隙率为0.3，树脂交换容量为2.5mol/m3,水相原始浓度1.2mol/m3,液相与树23脂相离子扩散系数分别为D1 3.4 10 m2/h、Dr 2.1 10 m2/h，溶液通过树脂床的b D14 0.125 10 331 0.453.4乔。

38、.0089Ve 48 皿D1 c bD1 p21/2Pe4.82.53.4 10 22.1 1033.4 1020.31.2 0.450.00891/222.25流速为4m/h。试判断属哪种扩散控制解：彼克来准数Vermeule n 准数所以属于液膜扩散控制。10.4已知某条件下，丙酮（A）水（B）氯苯（S）三元混合溶液的平衡数据如下:水层（质量分数%）氯苯层（质量分数%）丙酮（A）水（B）氯苯（S）丙酮（A）水（B）氯苯（S）099.890.1100.1899.821089.790.2110.790.4988.722079.690.3122.230.7976.983069.420.5837.

39、481.7260.804058.641.3649.443.0547.515046.283.7259.197.2433.576027.4112.5961.0722.8515.0860.5825.6613.7660.5825.6613.76根据以上数据：（1） 在直角三角坐标图上绘出溶解度曲线、联结线和辅助曲线；（2） 依质量比组成绘出分配曲线（近似认为前五组数据B、S不互溶）；（3） 水层中丙酮浓度为45%时，水和氯苯的组成：（4）与上述水层相平衡的氯苯层的组成；（5）如果丙酮水溶液质量比浓度为 0.4kg（A）/kg（B），而且B/S=2.0,萃取剂为纯氯苯，在分配曲线上求出组分 A在萃余相中

40、的组成；操作线的斜率为 B/S10001 0.38000.875（6）由0.12kg氯苯和0.08kg水构成的混合液中，加入多少丙酮可以使三元混合 液成为均相溶液。解：做图并依图解答，解略。10.5用三氯乙烷做萃取剂萃取污水中某种有机物（质量分数为0.3），原料液的流量为1000kg/h，萃取剂的用量为800kg/h，分别采用单级萃取和二级错流 萃取（每级萃取剂用量相同），求萃取后萃余相中该有机物的含量。分配曲线如下图所示图10-1 习题10.5图示解：（1）单级萃取原液中丙酮的质量比为XmF 0.3/ 1 0.30.428在分配曲线图上，过（0.428, 0）作斜率为-0.875的操作线，交

41、分配曲线于点（XmR，YmE），即可以得到萃余相的组成，XmR=0.22所以萃余相中，丙酮的质量分数为 0.18图10-2习题10.5图的操作线1（2） 二级错流二级错流时，每级萃取剂的用量相同，所以每级操作线的斜率为10001 0.3B/S1.75400在分配曲线图中过（0.428, 0）作斜率为-1.75的第一级操作线，交分配曲线于点（Xm1，Ym1），此点的坐标为第一级萃余相和萃取相的组成，然后过（Xm1，0）作第一级操作线的平行线交分配曲线于（Xm2, Ym2）,即得到二级错流萃余 相的组成Xm2=0.145。所以，萃余相中丙酮的质量分数为 0.127。图10-3习题10.5图的操作线

42、2由于作图的缘故，最后的结果可能会有差异。10.6假设萃取剂S和稀释剂B完全不互溶，在多级错流萃取的情况下，如 果平衡关系可以用丫 kX表示，且各级萃取剂用量相等，证明所需的理论级数 为N ln XmF / XmNIn 1 kS/B式中S为每级萃取剂用量，XmN为溶质A在萃余相中的终浓度。证明：在多级错流萃取中，每级的操作线方程可以分别表示如下（假设Ym0=0）:Ym1BX m1XmF，因为丫kX1，X所以Xm1XmFS1 kS/BYm2BXm2X m1，所以，Xm2 -XmF2S1 kS/B0 0 00 0 0YmnB XmnXmn1 ,所以，XmnXmFnS1 kS/B所以1nkS/ BX

43、mFmF根据物料衡算B XmF S YmEB XmR所以萃余相溶质质量比为XmRBXmFB 1.5S30 0.330 1.545092两级错流的情况下，每级的萃取剂用量为22.5kgBXmF则第一级萃余相的浓度为XmR! B 1.53300.30.1430 1.5 22.5BXmR1X mR2mn两边取对数，得nln 1 kS/B In XmF /Xmn所以nIn XmF / XmnIn 1 kS/B10.7用45kg纯溶剂S萃取污水中的某溶质组分 A，料液处理量为39kg,其中组分A的质量比为XmF 0.3，而且S与料液组分B完全不互溶，两相平衡方程Ym 1.5Xm，分别计算单级萃取、两级错

44、流萃取（每级萃取剂用量相同）和两级逆流萃取组分A的萃出率。解：（1）单级萃取料液中B的量为B 39/1.3 30kg又因为YmE 1.5XmR所以溶质A的萃出率为69.3%（2）两级错流因为第一级的萃余相浓度就是第二级的原料液浓度，因此可以计算第二级的 萃余相浓度30 0.140.066 B 1.5S230 1.5 22.5因此溶质A的萃出率为78%（3）两级逆流两级逆流的物料衡算为所以操作线的斜率为他2 21max 0.175最小萃取剂用量为SminB 1000 0.85max2.21384.6 kg/h（2）如果萃取剂的用量为S 1.5操作线的斜率为B -8501.47S 576.9于是可

45、以得到操作线和分配曲线图,384.6 576.9kg/h用作图法可以求得理论级数为5。BXmFXm1 S Ym1 丫m2, B Xm1 X m2SYm2又根据相平衡方程Ym 1.5Xm由以上三个方程式可以求得X20.036所以溶质A的萃出率为88%10.8采用多级逆流萃取塔，以水为萃取剂，萃取甲苯溶液中的乙醛。原料液流量为1000kg/h，含有乙醛0.15，甲苯0.85 （质量分数）。如果甲苯和水认为 完全不互溶，乙醛在两相中的分配曲线可以表示为丫“ 2.2Xm。如果要求萃余相中 乙醛的含量降至0.01，试求：（1）最小萃取剂用量；（2） 如果实际使用的萃取剂为最小萃取剂的1.5倍，求理论级数

46、。解：（1）原料液中乙醛的质量比为 XmF 0.15/ 1 0.150.176最终萃余相中乙醛的质量比为Xmn 0.01/ 1 0.010.01所以多级逆流操作的的操作线方程为过点（0.01, 0）和点（0.176, Ym1 ）的 直线，当点（0.176, Ym1 ）在分配曲线上时，对应最小萃取剂的用量。此时，Ym1 2.2 0.1760.3870.580%0.03 0.000150.030.995A/BXA/XB0.03/ 0.970.00015/0.999852060.6875图10-4习题10.8图多级逆流萃取塔操作线和分配曲线图10.9用反渗透过程处理溶质为 3% （质量分数）的溶液，

47、渗透液含溶质为 150X10-6。计算截留率B和选择性因子，并说明这种情况下哪一个参数更适用解：溶质的量很少，可以忽略溶质对溶液体积和总摩尔数的影响，所以截留率：选择性因子:在溶质的量与溶液相比很少，选择性因子很大时，采用截留率表征分离情况, 结果更为清晰，容易理解。10.10用膜分离空气（氧20%，氮80%）,渗透物氧浓度为75%。计算截留 率B和选择性因子，并说明这种情况下哪一个参数更适用。解：氮气截留率：80% 25%选择性因子:1000y氧 /y氮0.75/0.25127.69 10 5153.8 7.69735.26 10 m/s=1.89 10- m/h脱盐率153.8 7.690

48、.95153.88.314 293 2 O.。855 O.。08550.375MPax氧 /x氮0.2/0.8由于分离的两个组分总体数量相差不大，两个参数比较，选择性因子更能反映膜分离空气的效率，所以这个参数更适用。10.11含盐量为9000 mg（NaCI）/L的海水，在压力5.6MPa下反渗透脱盐。在25C下，采用有效面积为12cm2的醋酸纤维素膜，测得水流量为0.012cm3/s，溶质浓度为450mg/L。求溶剂渗透系数、溶质渗透系数和脱盐率（已知该条件下, 渗透压系数为1.8 X103MPa）o解；原料液含盐摩尔分数XAF 0.0027渗透液含盐摩尔分数XAP 0.00014所以渗透压

49、1.8 103 (0.0027 0.00014) 4.61 MPa溶剂通量为 Nv 1.0 10 5 m3/(m2s)5所以溶剂渗透系数 KW 1.0 101.01 10 5m3/(m2sMPa) 3.64 10 2m3/(m2hMPa)5.6 4.61溶质通量为 Nn 7.69 10 5 mol/(m2s)由式（10.3.22），可得溶质渗透系数90%，已知膜的水渗透系数为4.8 X0_5g/ (cm2 s MPa)，求 30MPa 下的截留率。解：进料侧盐摩尔浓度为5cF0.0855mol/L58.5透过侧盐摩尔浓度为cPcF 10.00855moI/L10.12 20C, 20MPa下，

50、某反渗透膜对5000mg/L的NaCI溶液的截留率为膜两侧的渗透压差为溶质渗透系数KA2.99 103A/m28 10 520 .3751.05 10 4cm/s0.9假设当膜两侧压力为30MPa时，截留率为&此时，膜两侧的渗透压差为8.314 293 2 0.0855,门巧- 0.42 11000KA4.8 10530 0.42 154.8 10 530 0.42 11.05 10可求得193.1%10.13用微滤膜处理某悬浮液，0.1MPa下，滤膜的清水通量为150L/(m2 h), 已知悬浮颗粒为0.1 m勺球形微粒，当滤饼层的厚度为 6um空隙率为0.2时， 滤膜的通量为40 L/(m

51、2 h),求此时的过滤压差。解：微滤膜的阻力为R,丄“呼 3600 3 2.4 1012m-1NW 150 103 * 1.0 10 3滤饼的比阻力为rc 1801 dp1800.1滤饼的阻力为Rc rclc1.44 1018101 0.2 26 21068.641012m-1所以题中所求条件下的过滤压差为p NWRmRc2.4 8.6410120.123 106 Pa 0.123MPa10.14采用电渗析的方法除盐，已知料液的NaCI浓度为0.3mol/L,实验测得DbL 7.8 10 2传质系数为blm/s,膜中Cl-离子的迁移数为0.52,边界层中Cl-离子迁移数为0.31，求该电渗析过

52、程的极限电流密度。解：由式(10.3.43)得极限电流密度：himZDm fqbl tm tbl1 7.8 10 2 26.8 0.3 1030.52 0.312.99 103A/m21ZAOXA1 2ZAOXA2第十一章反应动力学基础11.1根据间歇操作、半间歇操作及连续操作的特点，画出在下列反应器中或 反应器出口处反应物A的浓度随时间（或位置）的变化曲线。d.管式连续反应器（鉀CA随位置的变化）d Ad62为6400个。(2-4)由积分法可得，设为一级反应，则做ln pt曲线:t /min0306090120p/(mg L-1)100200400800160012.5设将100个细菌放入到

53、1L的培养液中，温度为30E，得到以下结果,预计3h后细菌的数量；图12-7习题12.5图中In p-1的关系曲线线性关系良好，可得该过程级数为1, In 0.0231t+ 4.605。故繁殖速率常数k= 0.023 min-1将p = 106代入拟和方程可得：t= 398.7min解法二：,200 100, 400 200InIn n= lnr1 lnr2 =3060 30 =1 （为 1 级反应）In C In QIn 200 In 400一一一dc设p为细菌浓度，细菌是增加的，故速率方程写为：一 kcdt移项积分得到“ dCt kdtC0 C0kntcLC由k不变， 可知:1 In 51

54、 ( In -Ct,2；t1Cot2C0代入数据：I200n1 106 In解得t=399min30100t 1001 200细菌繁殖的速率常数k 丄“丝 0.0231min3010012.6气相反应2NO 2H2 N2 2H2O在某个温度下以等摩尔比的 NO和H2混 合气体在不同初压力下的半衰期如下表，试求反应总级数。p0/kPa50.045.438.432.426.9804080t/min120ti/2 /min95102120176224由于反应中k, n均为常数,2n 1 11tl/2 k(n 1)cn上式可变形为在气相反应中，气体浓度为CNO，二CH2，=PNO,0RTPo2RTt1

55、/2=B( 2 RT)1 n1 nPo1 nB Po解：对非一级反应，半衰期可表示为t|/2=B c0将式2代入式1可得取对数可得图12-8习题12.6图中lnt1/2-1np0的关系曲线根据题中的数据， 计算lnt1/2 和 Inp0 值，如卜表p0 /kPa50.045.438.432.426.9t1/2 /min95102140176224ln( t1/2 /mi n)4.554.634.945.175.41ln( p0 /kPa)3.913.823.653.483.29做 lnt1/2-1np0 曲线，并. 求得曲线斜率m1 n1.432ln Bln t”2(1n)ln pln( CA

56、0 /(mol/L)则反应级数In ti/2(1 n )l ncAoIn*k(n11)n 2.512.7氰酸铵在水中发生以下反应：NH40CNCO(NH2)2，实验测得氰酸铵的初始浓度CAO与半衰期ti/2有以下关系：cA0/mol L-10.050.10.2t1/2 /min37.019.29.5试根据上述数据确定该反应的级数解：根据式12.2.12，简单n级反应的半衰期为根据题中数据，做Int1/2-IncAo曲线有图12-9习题12.7图中lnt1/2-lncAo的关系曲线由图知，曲线斜率k=1-n = -0.9808反应级数n 212.8某高分子碳氢化合物 A被不断输入到高温 CSTR

57、进行热裂解反应A5R，改变物料流入量测得裂解结果如下表：-1 qnAo/(kmol h-300100030005000)43.6nm 3.22n 282.42-3.5-3-2.5-2-1.5ln( CAO/(mol/L)CA /(kmolL-1)16305060已知 V=0.1L, CAo=100kmol/L(1)若本反应在恒压条件下进行，求该裂解反应的速率方程。(2)若忽略反应过程中的气体混合物体积变化，求反应的速率方程。解：对于CSTR反应器，在恒温恒压下有CAO其中：讣罕4 ,rA qnA0XA逐点计算XA和rA，列于下表qnA0/(kmol h-1)300100030005000CA

58、/(kmol L -1)16305060XA0.51220.31820.160.1176-1 -1rA/(kmol L 1 h 1)1536.6318250005880k/h-196.010610098设反应级数n=1，则rA=kcA，即卩k=rA/cA，计算得到k基本上为恒值所以反应速率方程为rA=100cAkmol/ (L h)讣0，XA， r5nAXAkcACA0V-1qnA0/(kmol )300100030005000CA /(kmol L -1)16305060XA0.840.70.50.4rA/(kmol L -1 h-1)252070001500020000k/h-139.38

59、42.642.4343.03假设n为1.5，则k= rA/cA1.5kmol/ (L h)，逐点计算可知假设n为1.5是正确的。k=41.86所以反应速率方程为rA=41.86cA1.5kmol/ ( L h)12.9在350C恒温恒容下，某气态污染物A发生二聚反应生成R，即2A R , 测得反应体系总压p与反应时间t的关系如下：t /min0612263860p/kPa66.762.358.953.550.446.7试求时间为26min时的反应速率。解：由于在恒容恒温下反应，反应前后的总摩尔数改变，因此总压强的变化可以 反映反应进行的程度。设t为0时，A的浓度为CAO，时间为t时，则为CA，

60、由 计量方程知二聚物R浓度为（CAO CA） /2，总物质的量为（CAO + CA） /2。由理想 气体方程知：占 7，即 CA CM 土 1)由于是恒容反应，有r dCA 2CAO dp A dtp0 dt又由理想气态方程得：2 dp rART dt根据表中数据，做p-t曲线图12-10习题12.9图中p-t的关系曲线在t= 26min处做曲线的切线，做得斜率 dp 0.30026kPa/min。有dt12.10反应A B为n级不可逆反应。已知在300K时使A转化率达到20%2 dpRT dt1.1594 10-4kmol/(m 3 min)需12.6min,而在340K时达到同样的转化率需