管国峰第三版南京工业大学化工原理气体吸收习题解答(20211109210126)

1、第六章气体吸收习题解答1总压100 ：二：，温度25C的空气与水长时间接触，水中的出的浓度为多少? 分别用摩尔浓度和摩尔分率表示。空气中 7的体积百分率为0.79。解：将空气看作理想气体：y=0.79p*=yp=79kPa查表得E=8.76X 105 kPax = p*/E =10H=r/(EMS) =1000/(8.76 105 18)=6.342 10"6 kmoL/(kN.m)-5-43C=p*.H=79 0.342 X05=5.01 X04kmol/m32常压、25T下某体系的平衡关系符合亨利定律， 亨利系数E为一 L 大气压，溶质A的分压为0.54大气压的混合气体分别与三种

2、溶液接触：溶质A浓度为 “ ：-的水溶液；溶质A浓度为用:的水溶液； 溶质A浓度为-的水溶液。试求上述三种情况下溶质 A在二相间的转移方向。解：E=0.15X 104atm，p=0.054atm， P=1atm, y=p/P=0.054 m = E = 015104PX10.0231 10Z18-3.610* * " yi mxi =0.054二讨=讨一讨、=0 二平衡X20.00131 10/18=18 10* y2 = mx2 = 0027 y = y _y2 一 0气相转移至液相X30.0033 /1 103/18= 5.410* y3 = mx3 = 0.081二 y = y

3、 -y3 0 P=3atm y=0.054E=0.15X 104atm4 m=E/P=0.05X 10液相转移至气相_5 X4=X3=5.4X 10 y； =mx4 =0027y =y -y4 ' 0气相转移至液相3某气、液逆流的吸收塔，以清水吸收空气硫化氢混合气中的硫化氢。总压为1大气压。塔底气相中含二*1.5% 摩尔分率，水中含二"的浓 度为一:-摩尔分率。试求塔底 温度分别为5C及30C时的吸收过 程推动力。解：查表得50CE仁3.19 x 104kpa m1=E/P=315p*1=Ex=0.319 105 1.8 100.5724KPay*1 二 p*1/p= 0.5

4、742/101.33 = 0.0057y： =0.015气相推动力： w二如-y*1 =0.0093液相推动力：_x x*1 -捲=y1 / m - = 2.96 10查表得300C： E2 =6.17 104KPa,m2 二 E2/p =609p*2 二E2x=6.17 104 1.8 10 = 1.1106kpa y*2 二 p*2 /P =1.1106/101.33 = 0.011 气相推动力： 逍2二y2 -y*2 =0.0040 液相推动力：二x2 =x*2 -x2 = y2/m2 -x2 = 6.63 10-64总压为100：，温度为15C时"的亨利系数E为。试计算：H、

5、m的值对稀水溶液密度为川l,J-;假设空气中的分 压为50 ；：,试求与其相平衡的水溶液浓度，分别以摩尔分率和摩尔浓度表 示。解:1 H =EMs/rg=1.22 105 18/103 =2196kN.m/KmoL5m 二 E/P =1.22 10 /100 =12202p = Ex550 =1.22 10 xx =4.10 10 p =HC50 =2196C3C =0.023kmol/m5在总压为100 .；：加、水温为30°C鼓泡吸收器中，通入纯，经充分接触后 测得水中"的平衡溶解度为 覚1，小厂汇二 溶液，溶液的密度可近似取 为I"，试求亨利系数。解：p*=

6、100KPaHMs2857 10,100= 2.857 10*(mol/L)/kPa1032857 1018= 1945 105kPa6组分A通过另一停滞组分B进行扩散，假设总压为1 IL :，扩散两端组分A 的分压分别为23.2 K和6.5 I.：。实验测得的传质系数二一;为 I丿。假设在相同的操作条件和组分浓度下，组分 A和B进行等分子扩散，试分别求传质系数二和传质速率解: pA1 =23.2KPa pA2=6.5KPapB1=P pA1=78.1KPa pB2=94.8KPakG 二R PBm二 14110mol /(m2 s Pa)RPB1 Pb2ln pB2p B1=1.210

7、9;mol /(m2 s Pa)RT :D_52 kG- Na1210 mol /(m2 s Pa)RT、 =kG pA1 - PA2 =2.0 10ukmol/(m2 s)7：柏油路面积水 二；=,水温20C,空气总压100二：，空气中水汽分 压1.5 ；，设路面积水上方始终有U宀X厚的静止空气层。问柏油路面积 水吹干需多长时间？解：该过程可看作一组分通过另一停滞组分的扩散过程查表得20 0C时水的饱和蒸汽压为P=1.5kPa依题意pA1=2.3346kPapA2=1.5kPaPbi = 100 - 2.3346 二 97.6654kPaPb2 = 100-1.5 = 98.5kPaPBm

8、= ( Pbi - Pb2) / Ln(Pbi / Pb2)= 98.08kPa由表得：0°C水的扩散系数D =0.22 10*m2/s200C水的扩散系数D = 0.248 10，m2/sNa =Dp(pA1 - pA2)/(RTZPBm)= 0.248 10* 100 (2.2346-1.5)/(8.314 293 0.25 1098.08)52= 3.46 10 KmoL/(m s)以为扩散为稳定扩散，所以Na 二'h/(M a" V - ?h/(MANA)=1000 3 10/(18 3.46 10出)= 4.808 103s8) 试分别计算0C及101.3

9、；二；下 二、"_在空气中的扩散系数，并与实验 值进行比拟分析。解：(1) A: CO2, B:空气，Ma=44, Mb=29Vb=29.9, Va=34.0, P=101.3KPa, t = 273.2K(2)A : SO2,Vb=29.9,B:空气，Ma=64, Mb=29Va=44.8, P=101.3KPa, t = 273.2K4.36 10P(Va'3 +Vb'3 )9试计算一 J.在35E水中的扩散系数，并与实验值进行比拟分析。解： A: HCl , B:出0, Mb=18, a =2.6Va=3.7+21.6=25.3, T=308.2K,卩=0.72

10、25cp叫a10某传质过程的总压为300 :：,吸收过程传质系数分别为-，气液相平衡关系符合亨利定律，亨利系数E为试求：吸收过程传质总系数 5和二； 液相中的传质阻力为气相的多少倍。3F解：10. (1)E = 10.67X 10 kPa, P = 300kPa, m 3557 Ky = 0.391911m 13557=+ = +Kyky kx10722 Kx = 13.941 1 1 1 1=+ =+ Kx mky kx 3557 107 2211在填料塔内以水吸收空气氨混合气中的氨。：总压P为1大气压，温度t为20°C,亨利系数 E为：，气相体积传质分系数" /为

11、9;-: ，液相体积传质分系数为山 。气相中含氨5.4% 体积，液相中含氨0.062 摩尔分率，液相可按稀溶液处理。 试求气、液界面处平衡的浓度以及气相传质阻力占总阻力的分率。解：m=E/P=76.6/101.33=0.756y=0.054 x=0.062 c=1000/18=55.56kmoL/m43kym = p kam =101.33 4.25 10= 0.0431kmoL/(m *s)_33kxm - C kLm - 5.82 1055.56 = 0.323km oL/(m s)在界面处：y1 = mxkym(y 一力)=kxm(X1 -X2)y1 = 0.756x14.31 10(0

12、.054 -= 0.323(/ 0.062)得： x1 =0.0 62 9% =0.047 5 1/kym =1/kym m/kxm = 1/0.0431 0.756/0.323 = 25.54气相阻力占总阻力分率为：=1/0.0431 25.54 = 90.80。12假设某组分在气相中的摩尔分率保持不变，将其总压增大一倍，但其质量流速 不变，试分析 S和'上的变化情况？解:kgIn虽DPPbiDPpB2 - pB1/ Pt , DP 不变，(pB2 pB1) =2(pB2 pB1)' ky = Pkg ky =kyNA=ky(y1 y2) Na 二 Na13用填料塔进行逆流吸

13、收操作，在操作条件下，气相、液相传质系数分别为-1和卜。试分别计算相平衡常数 匸为0.1和100 时，吸收传质过程的传质阻力分配情况。假设气相传质分系数1，当气相2kx = 0.026 kmol/(m2 s)流量G增加一倍时，试分别计算上述两种情况下总传质系数增大的倍数。解： ky = 0.013 kmol/(m2s)，m = 0.1 时,1Ky1ky=80.769 二 kxKy 二 0.01238= 0.9524 =95.24%1kZ38.462Kx kxm ky= 0.9804 =98.04%m = 100 时,= 39.231= Ky =0.02549 G' = 2G，ky

14、9; = 20.8ky=0.02263m = 0.1 时,K'y卫=48.027 二kxKy 0.02082 = 1.784Kx' = 0.0257 =m = 100 时,1 丄38.904 二K xkxmk y14对低浓度气体吸收，当平衡关系为直线时，试证明:=1 eL式中m分别为塔底与塔顶两端面上的气相吸收推动力。证明：Nog- W吗m= (yi -y2)(Lnyi/ y2)/(yi mx2)-卜2 mxj=(L n.y/.：y2)/1 -m(X1 -X2)/(y1-y2)=Ln/ =y2) /(1 - mG/ L)15用纯溶剂对低浓度气体作逆流吸收，可溶组分的回收率为 “

15、，实际液气比 为最小液气比的 门倍。物系平衡关系服从亨利定律。试以两个参数列出计算"2的计算式。解：令进塔气体浓度为屮，那么出塔气体浓度为y2二(1 - ) X2=OL/G 二：(L/G)min 二 7% y2)/x*1 二 1 mL/G =(力y2)/(X1 X2)的 m =(% y 口)/洛=> 捲=y1 /mP由上题证明的结果：Nog =(Ln y/ ：y2)/(1-mG/L)又占比=yr _ mx = yr _ yr / PLy = y2 - 0 y1 (1) -1)心(1 - )NogLnC -1)八(1 一 )/C-1)16在一逆流吸收塔中，用清水吸收混合气体中的T

16、 j，气相流量为标准状况，进塔气体中含T j 6.0% 体积，要求条件下的平衡关系._【：，操作液气比为最小液气比的1.6倍。试求：吸收剂用量和出塔液 体组成；写出操作线方程；气相总传质单元数。解:X2 = 0，y1 = 0.06，y2 = 0.06(1 0.95) = 0.003V = 300m3/h = 12.27kmol/h，' n = PV), m = 1200< RT丿L=16 丄V Vy 1 y 21=16" yminy 1m L = 22380.48 kmol/hV(y 1 y2)= L(x 1 X2) = Lx 1-5L；l y =才-Iy2 -才2Lx

17、 y2 = 1824x0.003VN og a1F1 -A1、(y 1 mx 21Ay2 mx2+Ay± 1A y2 A= 589 X1 = 3.125X 105仃式：试按吸收因数法推导出以液相浓度差为推动力的吸收过程传质单元数计算mG证明：NOL =dx/(x -x)°X2y =力 / m - L(% x)/G*x = % /m - LX -x)/GX1Nog = / dx/RyJm L(% x )/Gmx“x2= Ln(1 - L / mG)x2 (L / mG)/x1 - y1 / m (L / mG)y1 - (L/mG)y1/( L/mG)x1 (L/mG)x y

18、1 /m /1 - L/(mG)= Ln(1 - L / mG)( y1 / m - x2) (L / mG)( y1 / m - xj/(y1 / m - 捲) /(1 一 L / m G)= Ln(1 - L/ mG)(y1 - mx2)/(y1 - mx-i) L/mG /(V L /mG)18以清水在填料塔内逆流吸收空气氨混合气中的氨，一进塔气中含氨4.0% 体 积，要求回收率"为0.96,气相流率G为 门；：討川 匚。采用的液气比为 最小液气比的1.6倍，平衡关系为/ -一厂，总传质系数丄卫为'-L试求：塔底液相浓度 I ;所需填料层高度：/ o解：1.4131)

19、y2 = yjl -)二 0.04 0.04 二 0.0016L/G =1.6(L/G)min =1.6(% -y2(yi/m X2)Mm =0.04 17 0.96 29= 28.52kg/kmoLG =0.35/28.52 =0.01227kmol/(m2 s)L =1.413G =0.017338kmol/(m2 s)L / G = (y1 - y2) /X1x1 =0.02722) Hog =G/Kym =0.01227/0.043 = 0.2853mNog = (y1 - y2)/ =ymym =(% -mx) -y2/Ln(y1 -mx)/y2= (0.04 -0.92 0.027

20、2-0.0016)/Ln(0.04-0.92 0.0272)/0.0016-0.00598Nog = 6.41H 二 H OG Ng - 0.2853 6.41 = 1.83m19) 接上题，假设气、液相接触改为并流操作，气、液流量及进口浓度都不变，填料层高度为上题算出的，操作温度、压强亦不变，问回收率为多少？解：捲=0且汽流量不变(y1 - y2)/x2 二 L/G =1.413因H及操作温度，压强不变.Nog =6.41ym 二% -(丫2 -mx2)/L门力心2 -mxjy1 - y2 =1.413x2(y1 -y2)/ ym =6.41联立上面三式得：y2 = 0.01584二 

21、9;=1-y2/y1 =1 -0.01584/0.04 = 60.6°。20) 试在“yx图中定性画出以下各吸收流程的操作线与平衡线G,yL/2,X1L/2,X3G,y1L3,X1G1,X3 X1 G1=G2G2,y321) 在一逆流接触的填料吸收塔中，用纯水吸收空气氨混合气中的氨，入塔气体中含工I_ 9%,要求吸收率为95%，吸收剂用量为最小用量的1.2倍，操作条 件下的平衡关系为r - o传质单兀高度为0.8m。试求：填料层高度:; 假设改用含0.05% (摩尔分率)的稀氨水作吸收剂， 及其它条件均不变，吸收率为多少？解：1)y1 =0.09 x2 =0 y2=(1 -0.95)

22、 0.09 =0.0045L/G =1.2(L/G)min =1.2(0.09 -0.0045)/(0.09/1.2) =1.368捲=G(y1 -y2)/L =(0.09 -0.0045)/1.368 =0.0625：y1 =0.09 0.0625 1.2 =0.015=y2 = 0.0045 ：ym =(0.015 -0.0045)/Ln(0.015/0.0045) = 0.00872Ng =(0.09 -0.0045)/0.00872 =9.8H =9.8 0.8 =7.84m2) y1 = 0.09 x1 = 0.0625 x = 0.0005- L/G不变二 (y1 -丫2)/(捲x

23、2) =1.368解得：y2 =0.0052=1 - y2/y、=1 -(0.0052/0.09) =94.24°。22) 以清水在填料塔内逆流吸收空气二氧化硫混合气中的，T 1 ,总压为1 一， 温度为20C，填料层高为4m。混合气流量为1.68心*曲八,其中含"1为 0.05 (摩尔分率)，要求回收率90%，塔底流出液体浓度为I.' - I" ' o试求： 总体积传质系数上"：假设要求回收率提高至 95%，操作条件不变，要求的填 料层高度为多少？解：1) Mm =64 0.05 29 0.95 =30.75G =1.68/30.75

24、=0.055kmol/(m2 *s)查表(200C)E = 0.355 104kPam = E / P = 35由 G(% - y2) =-x2) L = 2.475kmol(m2 s)V =% -mx1 =0.05 -35 0.001 =0.015：y2 二 0.005ym =(0.0150.005)/L n3 =0.0091Ng =(0.05 -0.005)/0.0091 = 4.94H = Nog H OG - G * N OG / K ym2Kym = 0.068km ol/(m s) HOG = 0.81m2)y2 =0.05(1 -0.95) =0.0025由 G(yj - y2)

25、 = L(Xj -x2). Xj =0.001056也y<i = y<i m x = 0.05 35 汽 0.001056 = 0.01304二 丫2 = 丫2 = 0.0025：ym =(0.01304 -0.0025)/Ln(130.4/25) =0.00638Ng =(0.05 -0.0025)/0.00638 =7.45H =0.81 7.45 = 6.04m23 )接上题，假设液体流量增大15% ,其它操作条件不变。 加二L57曲严3二162严比。“仏材)。式中：GJ的单位是问回收率为多少？解：L° =G(y - y)/x =0.0546(0.05 -0.005

26、) 1000 = 2.457kmol/(m s)2L =1.15L° =2.83kmol/(m s)kya =1.570.0546072.830'20.266km ol/(m3 s)0 823kxa =1.62 2.83 .=3.797kmol/(s m )1/ Kya 二 m/kxa 1/kya =35/3.797 1/0.266 =12.98Kya = 0.077kmol/(s m3)Hog =G/Kya =0.0546/0.077 =0.71m由 Ng 二 H /Hog =4/0.71 =5.65 ：ym =(0.05 -35x1 - y2)/Ln(0.05 - 35捲

27、)/y2Nog =(0.05 - 丫2)/ %又(y1 -y2)/x1 =L/G 即得 (0.05 - y2) /治=51.75可得 y2 =0.0029x1 =0.00091=y2 / y1 = 0.94224一逆流操作的吸收塔中，如果_为0.75，相平衡关系为 二，吸收剂进塔浓度二为0.001 摩尔分率，下同进气浓度为0.05时，其回收率为90%, 试求进气浓度为0.04时，其回收率为多少？假设吸收剂进口浓度为零，其它条件 不变，那么其回收率又如何？解：依题意：Ng不变Nog 二Ln( 1mG/ L)( yimx2)/( y2mx2) mG/ L /(1mG/ L) mG/ L不变，故 (

28、y1 - mxO/(y2 - mxO保持不变(力mx0/(y2 mxO =(0.05 -2 0.001)/(0.005 2 0.001)= 161) 由(0.04 2 0.001)/0.04(1 一 )-2 0.001 =16可推出=89.1°。2) 如心- )y1 =16可推出=93.750。25某混合气体中含溶质 5% 体积，要求回收率为85%。吸收剂进塔浓度为0.001 摩尔分率，在20C，101.3二;下相平衡关系为"二。试求逆流操 作和并流操作的最小液气比各为多少？由此可得到什么结论？解：LX2n逆流：y1 = 0.05，y2 = 0.05(1 -0.85) =

29、0.0075, m = 40，X2 = 0.001y1 一丫2=八 72 = 170min y 1_ X2mGy2L 2Lx 2GyLx1并流：y1 = 0.05，y2 = 0.0075, m = 40，X1=0.001rGy1y1 一丫2 H2*52.3min X 2 - X 1 y 221-x1mLx1= 52.3min26用纯溶剂吸收某混合气体中的可溶组分。进塔气体浓度为0.048 摩尔分率，要求回收率 "为92%。取液气比为最小液气比的1.6倍。气液逆流， 平衡关系- j丄i，气相总传质单兀高度为0.62米。试求填料层高o又，为增大填料润湿率，采用吸收剂再循环流程，气体流量及

30、进、出塔的浓度不变，补充的纯溶剂流量和传质单元高度均不变，循环液流量与补充液流量之比为0.10。试求此操作所需的填料层高度 匚。解:1) y1 =0.048 y2 二 y1(1 - )= 0.00384 x? = 0L/G =1.6(L/G)min =1.6 (0.048 -0.00384)/0.0192 =3.63L/G =山 - y2)/X1捲=0.012:ym =(0.048 -2.5 0.012 -0.00384)/Ln(0.048 -2.5 0.012)/0.00384 -0.009166Nog =(y1 -y2)/：ym =(0.048 -0.00384)/0.009166 =4.

31、82H =Hog Nog =4.82 0.62 = 2.99m2)对虚线框进行物料衡算L,G不变屮,y不变Xi不变X2 =0.1Xi /1.仁 0.0011：ym 二0.048-2.5 0.012-(0.00384-2.5 0.0011)/Ln(0.048-2.5 0.012)/(0.00384-2.5 0.0011)-0.00603Nog =7.32H 二 0.62 7.32 二 4.54m27) 在填料塔中，用纯油吸收空气中的苯，入塔混合气量为-'，其中含苯6% (体积)，要求出塔气体中含苯不高于0.5% (体积)，操作条件下的平衡关系| IH，实际液气比取最小液气比的1.5倍。试

32、求：吸收剂用量及出塔液相浓度；全塔对数平均推动力丄匕；假设采用吸收剂循环流程，在保证原吸收率不变的条件下，入塔液体浓度和循环液量最大应为多少？画出两 种情况下操作线示意图。解：1) G =1200/22.4=53.57kmol/hyi = 0.06y2 = 0.005x2 = 0L/G -1.5(L/G)min -1.5 (0.06 -0.005)/(0.06/0.2)=0.275L =0.275 53.57 = 14.73km ol/hX1y2)/L X2 = (0.06 -0.005) /0.275 = 0.22) iy1 =y1 - mX| = 0.06 -0.20.2 = 0.02=y

33、2 二 y2 - 0.005 ：ym =(0.02 -0.005)/Ln(0.02/0.005) = 0.01083) 由题意x0与y2呈平衡即：y2 =mx)X0 = y2 / m 二 0.005 / 0.2 = 0.025X0 (xp X2)/(1 二)=%二 /(1 r )v - X。/(禺X。)=0.025/(0.2 0.025) =0.143L =0.143 14.73 =2.106kmol/h4) 略28) 空气四氯化碳化合气体中含四氯化碳 5% (体积，下同)，气相流量 G为 Lu：卜要求回收率90%。吸收剂分两股，第一股含四氯化碳为0.002, 从塔顶进入塔内；第二股含四氯化碳

34、0.010,从塔中部某处进入塔内。两股吸收剂用量相同，均为 11 '。操作条件下体系的相平衡关系为y - °5菱，试计算：出塔液体浓度为多少？假设全塔传质单元高度为0.8米，那么第二股吸收剂参加的最适宜位置(参加口至塔底的高度)应在何处。解:Gy f Lx 2I lyl I f . LX22Lx2G/ 2Lxi(1) yi = 0.05, y2 = 0.05 X (1 - 0.9) = 0.005,2 'G = 0.042kmol/(m s), X2 = 0.002, X2 = 0.01, m = 0.52L1 = L2 = 0.021kmol/(m2s)G y _y

35、 lIx2 'x? ：“，2Lx 1二 X1 = 0.051G(y1 y )=2L1X1 X2 y =y1 竺 x1 x2J = 0.009G l丿2LA 二mG110.5Nog力 mx2=3.625Ay -mx2H = Hog Nog = 0.8X 3.625 = 2.9 m29矿石焙烧炉气中含SO24.5%体积,其余惰性气体按空气计。炉气冷却后在 填料塔中以清水逆流吸收炉气中的SO?。操作压强为1atm，操作温度为30 T。塔径为0.8m,填料层高为10m，要求回收率为95%，进塔炉气流量3-43-2为 1150m/h标准状态。 kGa为 5X 10- kmol/s -m -kPa

36、, kLa=5X 10- 1/s。 试求：塔底液体浓度为多少?®假设将炉气进一步降温后再吸收，其操作 温度降至20C时，其回收率为多少？设其它操作条件不变，kGa和kLa的值 均不变。解:1)由题意： =0.045 y2 = 0.00225X? = 0G =1150/(22.4 3600 3.14 0.82 /4) = 0.0284kmol/(sm2)30 C时，E = 0.485 104 kPam= E/P = 48.02C = J/Ms=1000/18 = 55.56kmol/m3KyayaxaKya =0.027kmol/(s.m3)Hog =G/Kya =1.05mNog =

37、 H / H og 二 9.53.y1 - m x?由Nog =(力y2)"ym =(力y?)/ |(山mx) (y? mx?) ylny _ m冷经试差得：X1 = 0.000775 /塔底出液浓度20 C时，E =0.355 104kPam = E/P =35.03Kya =0.0309kmol /(s.m3)HoG' = G/Kya'0.9伽Nog、H /Hog' = 10.9由: No“斗前Umi1_1a 氏A丿 y2-mxA1 _ mGA _ L得：y2=0.0003095' = 1 -y2'/y1 = 99.3%30) 正在操作的逆流吸收塔，进口气体中含溶质浓度为0.05(摩尔分率，下同)， 吸收剂进口浓度为0.001，实际液气比为4,操作条件下平衡关系为-IL- 此时出口气相中含溶质为0.005。假设实际液气比下降为2.5,其它条件不变，计算 时忽略传质单元高度的变化，试求此时出塔气体浓度及出塔液体浓度各为多少？解：洛=G/L(y - y) x 二(0.05 -0