新版化工原理习题答案气体吸收

1、第八章气体吸收1.在温度为40 C、压力为kPa的条件下，测得溶液上方氨的平衡分压为 kPa时，氨在水中的溶解度为 76.6 g (NH3)/1 000 g(H 20)。试求在此温度和压力下的亨利系数E、相平衡常数m及溶解度系数H解：水溶液中氨的摩尔分数为x76.61776.6170.0751000由 p* Ex亨利系数为E才x相平衡常数为15.0kPa 200.0kPa0.075Em pt200.01.974101.3由于氨水的浓度较低，溶液的密度可按纯水的密度计算。40 C时水的密度为992.2 kg/m3溶解度系数为992 233H EM； 200kmol/(m kPa) 0.276km

2、ol/(m kPa)2.在温度为25 C及总压为kPa的条件下，使含二氧化碳为体积分数)的混合空气与含二氧化碳为350 g/m3的水溶液接触。试判断二氧化碳的传递方向，并计算以二氧化碳的分压表示的总传质推动力。已知操作条件下，亨53利系数E 1.66 10 kPa,水溶液的密度为997.8 kg/m。解：水溶液中CO的浓度为350/1000 /3 c CCOI 1/3ckmol/m 0.008kmol/m44对于稀水溶液，总浓度为水溶液中997.833kmol/m 55.43 kmol/m18CO的摩尔分数为c 0.00841.443 10Ct55.43由 p*Ex 1.66 105 1.44

3、3 10 4 kPa 23.954 kPa气相中CO的分压为p pt y 101.3 0.03kPa 3.039 kPa < p*故CO必由液相传递到气相，进行解吸。 以CQ的分压表示的总传质推动力为p p* p (23.954 3.039)kPa20.915kPa3.在总压为kPa的条件下，采用填料塔用清水逆流吸收混于空气中的氨气。测得在塔的某一截面上，氨的气、液相组成分别为y 0.032、c 1.06koml/m3。气膜吸收系数kG=x 10-6 kmol/(m 2skPa)，液膜吸收系数kL=x 10-4 m/s。(2)解：ppp*Pty(110.5 0.032鼎|)kPa 2.&

4、#176;74kPa假设操作条件下平衡关系服从亨利定律，溶解度系数H= kmol/(m 3kPa)。(1)试计算以 p、c表示的总推动力和相应的总吸收系数；试分析该过程的控制因素。(1)以气相分压差表示的总推动力为其对应的总吸收系数为1KZ1 1Hk? kG(0.725 1.55 10126)(m s kPa)/kmol5.2 10Kg3(8.899 106 24.97 10 6 kmol/(m skPa)521.923 10 )(m52Pa)/kmol 2.012 10 (ms Pa)/kmol以液相组成差表示的总推动力为3c c* c pH c (110.5 0.032 0.725 1.0

5、6)kmol/m其对应的总吸收系数为31.504kmol/mKl1丄卫kL kG1 6m/s 6.855 10 m/s 10.7251.55 10 45.2 10 6(2)吸收过程的控制因素气膜阻力占总阻力的百分数为米忙沙 100% 95.58%气膜阻力占总阻力的绝大部分，故该吸收过程为气膜控制。4.在某填料塔中用清水逆流吸收混于空气中的甲醇蒸汽。操作压力为kPa ,操作温度为25 C。在操作条件下平衡关系符合亨利定律，甲醇在水中的溶解度系数为kmol/(m 3kPa)。测得塔内某截面处甲醇的气相分压为kPa，液相组成为kmol/m 3，液膜吸收系数 kL=x 10-5 m/s,气相总吸收系数

6、Kg=x10-5kmol/(m2skPa)。求该截面处(1)膜吸收系数kG、kx及ky；( 2)总吸收系数Kl、氐及Ky；( 3)吸收速率。解：(1)以纯水的密度代替稀甲醇水溶液的密度,3997.0 kg/m溶液的总浓度为25 C时水的密度为99 / .033kmol/m 55.39 kmol/m18ctkL=55.39 2.12 10 5kmol/(m2 s)1.174 10 3kmol/(m2 s)1 1 1 1 1 2(55)(m s kPa)/ kmolkG Kg HkL1.206 105 2.126 2.12 105426.073 10 (m s kPa)/ kmolkG 1.647

7、 10 5 kmol . (m2 s kPa)5232kyptkG 105.0 1.647 10 kmol/(m s) 1.729 10 kmol/(m s)由KlKg1.206 10 5 ,m/s2.1265.673 10 6 m/sKy 1.266 10 3 kmol (m2s)KxmKy0.2481.266103kmol/(m 2s)3.14010 4kmol/(m 2s)因溶质组成很低，故有KxcK55.395.673106kmol/(m2 s)3.142410 kmol/(m2 s)KYPtKG105.01.206105kmol/(m2s)1.26610 3kmol/(m 2s)(3

8、)吸收速率为997.0Hp 总 MS 2.126 105.0 180.2481K；1 m1k k?(1.729 101 烏4： 3)(m1.174 10s)/kmol2 27.896 10 (m s)/kmol6252Na Kl c* c 5.673 102.126 7.5 2.85 kmol/(m s) 1.310 10 kmol/(m s)5. 在kPa及25 C的条件下，用清水在填料塔中逆流吸收某混合气中的二氧化硫。已知混合气进塔和出塔的组成分别为屮=、y2=。假设操作条件下平衡关系服从亨利定律，亨利系数为x103 kPa，吸收剂用量为最小用量的倍。(1) 试计算吸收液的组成；(2) 若

9、操作压力提高到1013 kPa而其他条件不变，再求吸收液的组成。y 0.04解：(1) Y 10.04171 y 10.0421 y20.0021 0.0020.0023E 4.13 10 mpt101.340.77吸收剂为清水，所以X2 0qnY/m X20.0417 0.0020.0417/40.77 03.881,V,Vmin所以操作时的液气比为1.451.45 38.8156.27吸收液的组成为X!虹Y丫2X210.0417 0.002qn,L56.27E4.13 103(2)m 一4.077Pt1013qn丄 qn , Vqn,Lqn,Vmin07.054 10qn,Lqn,vmin

10、Y篦Y/mX20.0417 0.0020.041704.0771.451.45 3.881 5.6273Xiqn,VX2qn5.6270.0417 0.0027.055 10453s）。76%要求回收率为98%求水的用量（kg/h ）及所需的填料层Y21 Y1Y1 1雷 0.0331a 0.0331 1 0.980.0006626. 在一直径为0.8 m的填料塔内，用清水吸收某工业废气中所含的二氧化硫气体。已知混合气的流量为kmol/h，二氧化硫的体积分数为。操作条件下气液平衡关系为Y 34.5X，气相总体积吸收系数为 2 kmol/（m若吸收液中二氧化硫的摩尔比为饱和摩尔比的 高度。qn,V

11、minY/m X2003319.594 10 434.5X10.76X1*0.76 9.594 1047.291 10 4惰性气体的流量为45 (10.032)kmol/h43.56kmol/h水的用量为qn,Lqn,v(YX1 X2丫2）43.560.。331 O.。0662 kmol/h 1.938 kmol/h7.291 10 40qm,L1.938 10318kg/h 3.488 104kg/h求填料层高度H OGqn,VKYa43.56/36000.0562 0.785 0.82 m 0.429mY Y*40.0331 34.5 7.291 100.00795Y； 丫2*0.0006

12、6234.5 00.000662Ym0.00795 巴00662 0.00293 In丄in50.000662NogYY2Ym0.0331 0.000662 伯 070.00293Z Nog H og 11.07 0.429m4.749m7. 某填料吸收塔内装有5 m高，比表面积为221 m2/m3的金属阶梯环填料，在该填料塔中，用清水逆流吸收某 混合气体中的溶质组分。已知混合气的流量为50 kmol/h，溶质的含量为5%（体积分数）;进塔清水流量为200 kmol/h , 其用量为最小用量的倍；操作条件下的气液平衡关系为Y 2.75X ;气相总吸收系数为3 104kmol/（m 2 s）；填

13、料的有效比表面积近似取为填料比表面积的90%。试计算（1）填料塔的吸收率；（2 ）填料塔的直径。解：（1）惰性气体的流量为qn,V 50 (1 0.05)kmol/h 47.5kmol/h对于纯溶剂吸收qn,LY 丫2依题意YmIn0.00803Z5Hogm 0.798mNog6.269NogYY2Ym由 Hogqn,VK7aqn,VK Y aH OG47.5/36003 10 4221 0.9 0.7980.277mqn,L2002.632qn,Vimin47.5 1.6(qn,L / qn,V )min2.632m2.75y0.05(2) Y；10.05261 *110.05丫2丫 1A0

14、.05261 0.95710.00226X1qn,V丫2X247 50.0526 0.002260 0.0120qn,L200Y丫Y*0.0526 2.75 0.01200.0196Y2 Y2 Y2*0.00226 2.75 00.002260.0196 0.00226 , 0.0196In0.002260.0526 0.002260.008031 *填料塔的直径为：4 Q U 0.277 cue,D .m 0.594m科冗Y 3.148. 在kPa及20 C的条件下，用清水在填料塔内逆流吸收混于空气中的氨气。已知混合气的质量流速G为600 kg/（m 2h），气相进、出塔的摩尔分数分别为、，

15、水的质量流速W为800 kg/（m 2h），填料层高度为3 m。已知操作条件下平衡关系为 Y= X，Ka正比于G而于W无关。若（1）操作压力提高一倍；（2）气体流速增加一倍；（3） 液体流速增加一倍，试分别计算填料层高度应如何变化，才能保持尾气组成不变。解：首先计算操作条件变化前的传质单元高度和传质单元数0.051 0.050.0526y20.0005261 y21 0.0005260.000526操作条件下，混合气的平均摩尔质量为qn,VXjMj0.05 171 0.05 29 kg/kmol 28.4kg/kmol600281 0.05 kmol/(m2 h) 20.07kmol/(m2

16、h)qn,L 800782 21 0 kmol/(m h) 44.44 kmol/(m h)S mqn,Vqn,L0.9 20.0744.440.406Y* mX1 m业 Y Y20.406 0.0526 0.0005260.0211qn,LY Y Y* 0.0526 0.02110.0315Y2 Y> 丫2*0.000526 0 0.000526Nog1 ln1 SY1 丫211,0.0315ln6.8900.4060.000526Z3H ogm0.435 mNog6.890（1）Pt2 PtEmPtPtmmmPt2Sm qn,vS0.406 门 “c0.203qn,L22若气相出塔组

17、成不变,则液相出塔组成也不变。所以丫1Y1 Y0.0526 -20.0211 0.0421丫20.00052600.000526Nog丫1Y21 0.203ln业红5.4990.000526H ogqn,VKYaqn,Vaap总Hogqn,VKap总Hog2m 0.218mH OG N OG0.2185.499m1.199m(1.1993)m1.801 m即所需填料层咼度比原来减少1.801m。0.4352(2)qn,V2qn,VSmcV2S 2 0.406 0.812 L若保持气相出塔组成不变，则液相出塔组成要加倍，即Xi2X1故Y 第 Y* 第 mXj Y S 第 丫20.0526 0.8

18、120.0526 0.0005260.0103笔 丫2 丫2* 0.000526 0 0.000526NogInY11 In °.01031 0.8120.00052615.82H OGCn ,Vqn ,Vqn,V0.2qn,VKYaKGaP0.8qn,V0.2H OGqn,V0.2H OG2qn,V0.435m0.500 m1 SY2ZHogNog 0.500 15.82m7.910mZ Z Z (7.9103)m4.910m即所需填料层高度要比原来增加4.910 m。(3 )qn丄2qn,Lmqn,VS0.406S0.203qn,L221Y1*NogIn1Sr S1 SY2Y21

19、0.0526 0In10.2030.2035.4971 0.2030.000526 0W寸Ka无影响，即qn,L对KGa无影响，所以传质单元高度不变，即H og H og 0.435 mZ HOG Nog0.435 5.497m 2.391mZ Z Z （2.3913）m0.609m即所需填料层高度比原来减少0.609 m。9. 某制药厂现有一直径为1.2 m，填料层高度为3 m的吸收塔，用纯溶剂吸收某气体混合物中的溶质组分。入塔混合气的流量为40 kmol/h，溶质的含量为（摩尔分数）；要求溶质的回收率不低于95%操作条件下气液平衡关系为Y =;溶剂用量为最小用量的倍；气相总吸收系数为kmo

20、l/ （m 2h）。填料的有效比表面积近似取为填料比表面积的 90%。试计算（1）出塔的液相组成；（2）所用填料的总比表面积和等板高度。解：（1） 丫！亠 0 0.06381 y 1 0.06Y2 Y 1 a 0.0638 1 0.950.00319惰性气体的流量为qn,V40 (10.06)kmol/h37.6kmol/hqn,Lm A2.2 0.952.09qn,vminqn,L2.09min37.6kmol h78.58kmol hqn,L 1.5 75.58kmol/h 117.9kmol/hXi(2) Y旦 丫1 丫2X2 竺60.0638 0.003190 0.0193qn,L11

21、7.9Y Y* 0.0638 2.2 0.0193 0.0213匕 匕*0.00319 2.2 00.00319Ym丫 命 0.0213¥00319 0.00954丫1Inln0.00319NogY 丫2Ym°.°638 °.003196.3530.00954HogN og3m 0.472 m6.353由H OGKYa填料的有效比表面积为qn,VaHog Ky填料的总比表面积为2m2/m3201.35m2/m30.472 0.35 0.785 1.22at 201.35 m2/m3223.72m2/m30.9Nog ln Smqn,vqn,L117.9N

22、t6.353(05.351In 0.702HETP Nt填料的等板高度为HETP m 0.561m5.35110.用清水在塔中逆流吸收混于空气中的二氧化硫。已知混合气中二氧化硫的体积分数为，操作条件下物系的相平衡常数为，载气的流量为 250 kmol/h。若吸收剂用量为最小用量的倍，要求二氧化硫的回收率为92%试求水的用量（kg/h ）及所需理论级数。解:、/y0.085- _丫 0.0929y 1 0.085丫2 丫 1 A 0.0929 1 0.920.00743用清水吸收，X20qn,L26.7 0.92 24.564qn，Vmin操作液气比为qn,L1.55qn,V24.564 38.

23、074水的用量为335qn,L 38.074 250kmol/h 9.519 10 kmol/h qm,L 9.519 10 18kg/h 1.713 10 kg/hAqn,Lmqn,V38.0741.42626.7用清水吸收，A 0.92lnANtIn ANt1.426 0.921 0.92ln 1.4264.19811.某制药厂现有一直径为 0.6 m，填料层高度为6 m的吸收塔，用纯溶剂吸收某混合气体中的有害组分。现场测得的数据如下：V=500 m3/h、Y=、Y=、X=。已知操作条件下的气液平衡关系为Y = X。现因环保要求的提高，要求出塔气体组成低于（摩尔比）。该制药厂拟采用以下改造

24、方案：维持液气比不变，在原塔的基 础上将填料塔加高。试计算填料层增加的高度。解：改造前填料层高度为Z H OG N OG改造后填料层高度为Z H OG NOG故有 Z Hog Nog Z H OG NOG由于气体处理量、操作液气比及操作条件不变，故H OG H OGS S对于纯溶剂吸收 X2 0，Y 0Nog1cln(1讥SNog1/(1S)Yl S丫2Nog11*n(1S)¥ S因此，有ln(1 S)Y1Y2Sln(1 S)”Y2S操作液气比为Yi 丫2qn,V X1 X 2°02 °.00440.004 0mqn,v1.5qn,L 40.375Lln(1 0.

25、375)竺 0.37500021.509ln(1 0.375)_°- 0.3750.0041.509 6m 9.054mZ填料层增加的高度为Z Z Z (9.054 6)m3.054m12.若吸收过程为低组成气体吸收,试推导H OG解:HgHlqn,Vkyaqn丄 kxas 1mnVA qn,LHgqn,Vkyamqn,Vqn,Lqn,V 1qn,V 1qn,LkxaHogH OG521.89 10 5m/s解：查得由Hg查表8-6Hg查得201.81 10 5g Dab1.2050.557，0.557G0.32W 0.5151.89 100.32，0.5ScG0 320.557 0

26、.525C下，水的有关物性数据如下:10 5 Pas100.50.7950.512.850 0.510.7950 m 0.237m3L 998.2 kg/m由Hlqn,V31Hg HlA13. 在装填有25 mn拉西环的填料塔中，用清水吸收空气中低含量的氨。操作条件为20 C及kPa，气相的质量速度为0.525 kg/(m 2s)，液相的质量速度为2.850 kg/(m 2s)。已知20 C及kPa时氨在空气中的扩散系数为,20 C时氨在水中的扩散系数为1.76 10 9m/s。试估算传质单元高度Hg Hl。20 C下，空气的有关物性数据如下：531.81 10 Pas g 1.205 kg/

27、mR Y°5G RW Y Scg查表8-7 ,2.36Hl2.36 10100.5 10 5998.2310 ,0.220.220.5SCl2.36 10 32.850100.5 10 50.220.5572.1 m 0.325m14. 用填料塔解吸某含二氧化碳的碳酸丙烯酯吸收液，已知进、出解吸塔的液相组成分别为5和6 （均为摩尔比）。解吸所用载气为含二氧化碳5 （摩尔分数）的空气，解吸的操作条件为35 C、kPa，此时平衡关系为Y=。操作气液比为最小气液比的倍。若取Hol0.82m,求所需填料层的高度。解：进塔载气中二氧化碳的摩尔比为0.0005最小气液比为qn,V0.0085 0

28、.0016qn，LminmX2 Y106.03 0.00850.00050.00766操作气液比为qn,V1.450.00766 0.0111qn,L吸收因数为A也mqn,v106.03 0.0111 0.850液相总传质单元数为Nol丹X X1* AX,X,*0.0005填料层高度为1 0.850ln0.00850.850 -0.00050.0016 - 106.03106.030.8503.334Z HolNol 0.823.334m2.734m8.2 m/h，操作液气比（质量比）为。塔内装有DN50金995.6 kg/m3，气相的平均密度为 1.56215. 某操作中的填料塔，其直径为 0.8 m液相负荷为属阶梯环填料，其比表面积为109 m/m3。操作条件下，液相的平均密度为 kg/m3。（1）计算该填料塔的操作空塔气速;（2）计算该填料塔的液体喷淋密度，并判断是否达到最小喷淋密度的要求。解：（1）填料塔的气相负荷为8.2 995.633qvv m /h 836.25m /h6.25 1.562填料塔的操作空塔气速为836.25/