气体吸收（化工原理）习题及答案

气体吸收（化工原理）习题及答案

气液平衡

1.在常压、室温条件下，含溶质的混合气的中，溶质的体积分率为10%,求混合气体中溶

质的摩尔分率和摩尔比各为多少？

解：

当压力不太高，温度不太低时，体积分率等于分摩尔分率，即

y=0.10

根据Y=工，所以Y=3-=O.ll

1-y1-0.1

2.向盛有一定量水的鼓泡吸收器中通入纯的CO,气体，经充分接触后，测得水中的（%平衡

浓度为2.875XlO-kmol/n?,鼓泡器内总压为101.3kPa,水温30℃,溶液密度为1000kg/m3»

试求亨利系数E、溶解度系数II及相平衡常数m。

解：

查得30℃,水的p*=4.2kPa

p\=p-ps=101.3-4.2=97.IkPa

稀溶液：c®-^―=1映=55.56kmol/m3

Ms18

2

_2.875xIQ-=5.17xl()M

c55.56

5

E=区=97J=].876X10kPa

x5.17x104

H=^-=2875x1。-=2.96x10-4kmol/(kPa-m3)

p；97.1

E1.876xl05

m=—=-------------=1854

p101.3

3.在压力为101.3kPa,温度30℃下，含CO?20%（体积分率）空气一CO2混合气与水充分

接触，试求液相中C02的摩尔浓度、摩尔分率及摩尔比。

解：

查得300c下COz在水中的亨利系数E为1.88X105kPa

C02为难溶于水的气体，故溶液为稀溶液

H==————=2.96xlO4kmc)V(m3-kPa)

5

EMS1.88X10X18

〃；=yp=0.20x101.33=20.3kPa

433

c；=HpA=2.96xlOx20.3=6.01x10knx)l/m

E=1.88x10-=]852

p101.3

x=小黑"孙靖

X=—=L08xl04=i（）8xi（）-4

1-x1-1.08x1O-4

4.在压力为505kPa,温度25℃下，含COzZO%（体积分率）空气一CO2混合气，通入盛

有你3水的2n?密闭贮槽，当混合气通入量为1n?时停止进气。经长时间后，将全部水

溶液移至膨胀床中，并减压至20kPa,设CO2大部分放出，求能最多获得CO?多少kg?。

解：

设操作温度为25°C,C02在水中的平衡关系服从亨利定律，亨利系数£为1.66X105kPao

解：

p；=Ex（1）

〃；=1.66xl05x

气相失去的C02摩尔数=液相获得的COz摩尔数

（PA-P；M=W

RT1

(0.2x505-月)x1_1000

xlxx

8.314x298-

-4

0.0408-4.04xlO=55.56%(2)

(1)与(2)解得:x=3.33xl0-4

,_E1.66x105

咸压后：m=—=---------=8300

p20

1

%=工==1.2x10-4

m8300

W/44

稀溶液:x~X

1000/18

W=2444x

W=2444x3.33xl0-4=0.81kg

叱=2444X1.2X10-4=0.29kg

AW=0.81-0.29=0.52kg

5.用清水逆流吸收混合气中的氨，进入常压吸收塔的气体含氨6%（体积），氨的吸收率为

93.3%,溶液出口浓度为0.012（摩尔比），操作条件下相平衡关系为V*=2.52X。试用气

相摩尔比表示塔顶和塔底处吸收的推动力。

解：

y==006=0.064Y；=2.52X,=2.52x0.012=0.03024

11-y,1-0.061'

%=Y］（1一0）=0.064（1-0.933）=0.00429K=2.52X2=2.52x0=0

塔顶：A%=睇一丫；=0.00429=0.00429

塔底：八工=X-X*=0.064-0.03024=0.034

6.在总压101.3kPa,温度30℃的条件下,SO2摩尔分率为0.3的混合气体与SCh摩尔分率为

0.01的水溶液相接触，试问：

（1）从液相分析SO?的传质方向；

（2）从气相分析，其他条件不变，温度降到0℃时SO2的传质方向；

（3）其他条件不变，从气相分析，总压提高到202.6kPa时SO?的传质方向，并计算以液

相摩尔分率差及气相摩尔率差表示的传质推动力。

解：（1）查得在总压101.3kPa,温度300c条件下SO2在水中的亨利系数E=4850kPa

E4850

所以m=—=------47.88

p101.3

从液相分析

*v03

x=上=-^―=0.00627<x=0.01

m47.88

故SO?必然从液相转移到气相，进行解吸过程。

(2)查得在总压101.3kPa,温度0℃的条件下，SO2在水中的亨利系数E=1670kPa

根=£=殁=1649

p101.3

从气相分析

y=mx=16.49X0.01=0.16勺=0.3

故SO2必然从气相转移到液相，进行吸收过程。

(3)在总压202.6kPa,温度30℃条件下，SC>2在水中的亨利系数E=4850kPa

E4850

m=—=--------=23.94

p202.6

从气相分析

y*=ntr=23.94X0.01=0.24勺=0.3

故SO?必然从气相转移到液相，进行吸收过程。

v03

x*=2=^—=0.0125

m23.94

以液相摩尔分数表示的吸收推动力为:

Ax=x*—x=0.0125-0.01=0.0025

以气相摩尔分数表示的吸收推动力为：

Ay=y—y*=0.3—0.24=0.06

扩散与单相传质

7.在温度为20℃、总压为101.3kPa的条件下，SO?与空气混合气缓慢地沿着某碱溶液的液

面流过，空气不溶于该溶液。SO?透过1mm厚的静止空气层扩散到溶液中，混合气体中SO2

的摩尔分率为0.2,SO2到达溶液液面上立即被吸收，故相界面上SO2的浓度可忽略不计。

已知温度20℃时，SO2在空气中的扩散系数为018cm2/s。试求SO2的传质速率为多少？

解：SO2通过静止空气层扩散到溶液液面属单向扩散，已知：SO2在空气中的扩散系数

D=0.18cm2/s=1.8X105m2/s

扩散距离z=lmm=0.001m,气相总压p=101.3kPa

气相主体中溶质SO2的分压PAI=P,VAI=101.3X0.2=20.26kPa

气液界面上SO2的分压PA2=0

所以，气相主体中空气（惰性组分）的分压PB尸〃一〃AI=10L3—20.26=81.04kPa

气液界面上的空气（惰性组分）的分压PB2二p—PA2=10L3—0=101.3kPa

空气在气相主体和界面上分压的对数平均值为：

PB2—PB1I0I.3-81.04

=90.8kPa

।101.3

In维In

81.04

PBI

Dp(、

NA--------(〃A「PA2)

RTZPBm

1.8x10—5101,3

(20.26-0)

8.314x293x0.001,90.8

=1.67X104kmol/(m2•s)

8.在总压为lOOkPa、温度为30℃时，用清水吸收混合气体中的氨，气相传质系数七二3.84

X10-6kmol/（m2•s•kPa）,液相传质系数匕=1.83X10-4m/s,假设此操作条件下的平衡关

系服从亨利定律，测得液相溶质摩尔分率为0.05,其气相平衡分压为6.7kPa。求当塔内某截

面上气、液组成分别为产0.05,x=0.01时

（1）以（PA-〃；）、（C；一）表示的传质总推动力及相应的传质速率、总传质系数；

（2）分析该过程的控制因素。

解：（1）根据亨利定律E=Z&=^=134kPa

x0.05

F134

相平衡常数加=巴=上士=L34

p100

溶解度常数H=/一=■-1000-=0.4146

EM,134x18

以气相分压差（PA一口：）表示总推动力时：

PA-p；=100X0.05-134X0.01=3.66kPa

11111

—=-------+—=------------------------+-------------=13180+260417=273597

-4-6

2GHk、kG0.4146xl.83xl03.86xl0

62

KG=3.66X10~kmol/(m•s•kPa)

NA=勺5人-0；)=3.66X1O-6X3.66=1.34XIO_5kmol/(m2,s)

以（C；-CA）表示的传质总推动力时:

0.01

=0.56kmol/m3

0.99x18/1000

3

C；-CA=0.4146X100X0.05-0.56=1.513kmol/m

-6

KG3.66X10

KL=8.8x1(厂6m/s

0.4146

652

NA=%(£•：-CA)=8.8X1O-X1.513=1.3314X1O-kmol/(m•s)

（2）与（）表示的传质总推动力相应的传质阻力为273597（m2・s»kPa）/kmol；

其中气相阻力为」-=13180m2•s•kPa/kmol；

绘

液相阻力一!—=260417m2•s,kPa/kmol；

小

气相阻力占总阻力的百分数为至"UxI00%=95.2%。

273597

故该传质过程为气膜控制过程。

9.若吸收系统服从亨利定律或平衡关系在计算范围为直线，界面上气液两相平衡，推导出

KL与h、kG的关系。

解：因吸收系统服从亨利定律或平衡关系在计算范围为直线

c*A=HPA

界面上气液两相平衡cAi=HpAi的关系式

由NA=KL（C；—CA）得

(1)

由NA=&G(PA-PAJ得

NA=&G

皑ri-等ri)

H

(2)

由NA=&L（CA「CA）得

=(cAj-cA)(3)

（2）式+（3）式，并与（1）式比较得

11H

------=--------1------

KL⑥kG

吸收过程设计型计算

10.用20℃的清水逆流吸收氨一空气混合气中的氨，已知混合气体总压为101.3kPa,其中

氨的分压为1.0133kPa,要求混合气体处理量为773m?h,水吸收混合气中氨的吸收率为99%。

在操作条件下物系的平衡关系为V=0.757X,若吸收剂用量为最小用的2倍，试求（1）

塔内每小时所需清水的量为多少kg?（1）塔底液相浓度（用摩尔分率表示）。

解:

(1)

4

Y2=y,(1-77)=0.01(1-0.99)=1X10"

..773x273“cc,、,,...

V=----------(1-0.01)=31.8O1kmol/h

293x22.4

,匕一匕31.8(0.01-0.0001)e。，，人

L.=TVZ-4~=——^―---------=23.8kmol/h

nun

X,-X2o.oi_0

0.757-

实际吸收剂用量l=2Lmin=2X23.8=47.6kmol/h

=856.8kg/h

/八/、31.8（0.01-0.0001），

（2）X=X2+V（H-力）/A=0+——--------------=0.0066

47.6

11.在一填料吸收塔内，用清水逆流吸收混合气体中的有害组分A,已知进塔混合气体中组

分A的浓度为0.04（摩尔分率，下同），出塔尾气中A的浓度为0.005,出塔水溶液中组分

A的浓度为0.012,操作条件下气液平衡关系为『=2.5X0试求操作液气比是最小液气比

的倍数？

解:

O.(M

=0.0417

If1-O.(M

%_0.005

-=0.005

l-y21-0.005

0.012

X[=_A_=0.0121

if1-0.012

-20.005

田=.9.=2.5(1-

⑺minX；-X20.0417

=2.2

L_Yt-Y2_0.0417-0.005

V~Xt-X2~0.0121-0

乌/（巳］=^2^=1.38

v“人皿2.2

12.用SCh含量为1.1义10-3（摩尔分率）的水溶液吸收含502为0.09（摩尔分率）的混合气中

的SO2。已知进塔吸收剂流量为37800kg/h,混合气流量为100kmol/h,要求SO2的吸收率

为80%。在吸收操作条件下，系统的平衡关系为Y*=17.8X,求气相总传质单元数。

解：吸收剂流量L=卫”=2100kmol/h

18

-=X(1一〃)=0.099(1-0.8)=0.0198

惰性气体流量V=100(1—x)=100(1-0.09)=91kn»l/h

yQi

3

X_=x2+_(y|_^)=i.ixl0，+___(0.099-0.0198)=4.53x10

△X=工一匕=0.099-17.8x4.53x10-3=0.0184

3

△X=Y2-Y*=0.0198-17.8xl.lxl0=2.2x10

纯一轨_0.0184-2.2x10^

=4.1x10-

,AK-；~0.0184

In-LIn-

△K2.2x10-4

_r,-r_0.099-0.0198

N2=19.3

OG―△)―_4.1x10-3

12.空气中含丙酮2%(体积百分数)的混合气以0.024kmol/m2-s的流速进入一填料塔,

今用流速为0.065kmol/m2-s的清水逆流吸收混合气中的丙酮，要求丙酮的回收率为98.8%。

已知操作压力为100kPa,操作温度下的亨利系数为177kPa,气相总体积吸收系数为0.0231

kmol/m3•s,试用解吸因数法求填料层高度。

解

2“a

已知%=-------=0.0204

1100-2

Y2=(1-77)=0.0208(1-0.988)=0.000250

X2=0

E177

m--=---=1.77

p100

V

因此时为低浓度吸收，故-«0.024kmol/m2-s

C

mV1.77x0.024

S0.654

~L0.065

_1

Y2-/MX2一百一1-0.988

1s+s

1-ST^

1ln[(l-0.654)x83.3+0.654]

1-0.654

=11.0

Y_

L

N()G也可由S=0.654和------=83.3,查图5-25得至UNOG=9.78

Y2-mX2

〃V0.024,一

H=------=-------=1,04m

OnGr

KYaQ0.0231

所以Z=N6G,HOG=9.78X1.04=10.17m

14.在逆流吸收的填料吸收塔中，用清水吸收空气〜氨混合气中的氨，气相流率为

0.65kg/(m2-S)«操作液气比为最小液气比的1.6倍，平衡关系为力=0.92x,气相总传

质系数Ka为0.043kmol/(m3•S)。试求:

(1)吸收率由95%提高到99%,填料层高度的变化。

(2)吸收率由95%提高到99%,吸收剂用量之比为多少？

解：(1)吸收率为95%时:

r=0.65/29=0.0224kmol/(m2•S)

„_V_0.0224_,、e

//oG=77=-6^=()-521m

X—"=mn=0.92x0.95=0.874

包x；-XYJm

2

=1.6x0.874=1.398

I1”闱min

Z=0.0224X1.398=0.0313kmol/(m2•S)

vo92

S="m==0.658

L1.398

1

1-S

11

In(1-0.658)+0.658=5.89

1-0.6581-0.95

Z=N<OUzH(nJcI，=5.89X0.521=3.1m

吸收率为99%时:

J嗯=0.521m

HOG=H

oa0.043

x—y

mr/=0.92x0.99=0.911

X；-X2Y'i!m

1.6x0.911=1.457

L=0.0224X1.457=0.0326kmol/(m2•S)

S=-=-^-=0.631

L1.457

1

NOG

1-S

NOG=­1—

In(1-0.631)------+0.6319.82

1-0.6311-0.99

Z=NOG-H0r=9.82X0.521=5.1m

—=—=1.65

Z3.1

⑵Z=0.0224X1.398=0.0313kmol/(m2•S)

L=0.0224X1.457=0.0326kmol/(m2•S)

L0.0326…

—=------=1.04

L0.0313

15.用纯溶剂在填料塔内逆流吸收混合气体中的某溶质组分，已知吸收操作液气比为最小液

气比的倍数为£,溶质A的吸收率为〃，气液相平衡常数/。试推导出:

吸收操作液气比人与〃、£及力之间的关系;

(1)

V

(2)当传质单元高度/及吸收因数A一定时，填料层高度Z与吸收率7之间的关系?

解:(1)

X,-X2Y2/m

L_

/3r)m

V

*1min

(2)Z=NOG，H0c=H0a

(Yl-mXJ-(Y2-mX2)

Y.-mX,

In——

Y2-mX2

vVnY

x=x2+z(…2rdM

7=wKTH℃1nX-〃氏

00

Yt-mX,-Y2x_mVY2

,Y「mX\~L

In-------

口1

7I7T"1Ar1

OG1n_____A"_0G山__A

mV乂(1-〃)j_mV1一〃

LL

吸收过程的操作型计算

16.在一填料塔中用清水吸收氨一空气中的低浓氨气，若清水量适量加大，其余操作条件不

变，则丫2、X1如何变化？（已知体积传质系数随气量变化关系为的。0C丫°苗）

解：用水吸收混合气中的氨为气膜控制过程，故KyOB女8V08

因气体流量1不变，所以⑥a、K"近似不变，HOG不变。

因塔高不变，故根据Z=N0G,%可知N°G不变。

当清水量加大时，因S=—匕，故S降低，由图5-25可以看出乜二四会增大，

Y2-mX

故为将下降。

根据物料衡算L（X1-X2）=V（X-打卜吨可近似推出天将下降。

17.某填料吸收塔在101.3kPa,293K下用清水逆流吸收丙酮一空气混合气中的丙酮，操作

液气比为2.0,丙酮的回收率为95%。已知该吸收为低浓度吸收，操作条件下气液平衡关系

为Y=1.18X,吸收过程为气膜控制，气相总体积吸收系数K4与气体流率的0.8次方成

正比。（塔截面积为In?）

（1）若气体流量增加15%,而液体流量及气、液进口组成不变，试求丙酮的回收率有何变

化？

（2）若丙酮回收率由95%提高到98%,而气体流量，气、液进口组成，吸收塔的操作温度

和压力皆不变，试求吸收剂用量提高到原来的多少倍。

解：

（1）设操作条件变化前为原工况

N°G+s

1-S

1ln[(l-0.59)x20+0.59]

1-0.59

=5.301

设气量增加15%时为新工况

oc08

因H°G—KYaV-

KYaQ

V”，

所以"OG8F=V

UUVV.O

//1.1502=L028"OG

故新工况下%=%kJOG

因塔高未变，故NOG・"OG=NOG・"OG

NOG.HOGNOG,H°G5.301

-------------------------------=515/

%1.028HOG1.028

mVmV

-----,3=-------

LL

V

:.S=—5=1.15x0.59=0.679

V

新工况下:

1n

NOG占

5.157=——iIn(1-0.679)工+0.679

1-0.679Y2

5.157=?——In(1-0.679)」一+0.679

1-0.6791-7

解得丙酮吸收率〃变为92.95%

(2)当气体流量不变时，对于气膜控制的吸收过程，HOG不变，故吸收塔塔高不变时，气

也不变化，即将丙酮回收率由95%提高到98%,提高吸收剂用量时，新工况下N'OG=%

=5.301

mV

rj'=0.98

占M(l-S")-l+S"

NOG

7

—Ljn

5.301+S

1-S1-0.98

用试差法解得S"=0.338

S[0.59

=1.746

FZ-0338

所以吸收剂用量应提高到原来的1.746倍。

18.在一逆流操作的吸收塔中，如果脱吸因数为0.75,气液相平衡关系为Y*=2.0X,吸

收剂进塔浓度为0.001（摩尔比，下同），入塔混合气体中溶质的浓度为0.05时，溶质的

吸收率为90机试求入塔气体中溶质浓度为0.04时，其吸收率为多少？若吸收剂进口浓度

为零，其他条件不变，则其吸收率又如何？此结果说明了什么？

解：X?=0.001时:

原工况S=0.75匕=工(1一〃)=0.05(1-0.9)=0.005

Yt-mX2

(/U(1-5)+S

1-SY2-mX2

1,八…、005—2x0.001…

N°GIn(1-0.75)----------------------+0.75=6.233

1-0.750.005-2x0.001

新工况HOG=HQGz=z

1n

NOG占+s

,八0.04-2x0.001…

NOG—NOG—-I-n--(--1---0.75)—：------------+0.756.233

1-0.75匕-2x0.001

解得耳=4.375x10-3

X-X0.04-4.375x10^0j8906

7=89.06%

0.04

X?=0时:

原工况S=0.75E=X(1_〃)=0.05(1-0.9)=0.005

1

N°G

1-S

1In(1-0.75)-^-+0.75=4.715

1-0.750.005

新工况HOG=HOGz=z

NOG=」In(1-S三+S

1-S

iIn(1-0.75)%+0.75

NOG=NOG4.715

1-0.75

解得匕=4.00x103

匕丫2_0.04—4.00x10"

=0.9=90%

匕O.(M

从计算结果看，塔高一定，当用纯溶剂吸收混合气体中的溶质时，入塔气体组成变化,

其他条件不变，其吸收率不变。

19.在一逆流操作的填料塔中，用纯溶剂吸收混合气体中溶质组分，当液气比为1.5时，溶

质的吸收率为90%,在操作条件下气液平衡关系为F=0.75X。如果改换新的填料时，在

相同的条件下，溶质的吸收率提高到98%,求新填料的气相总体积吸收系数为原填料的多

少倍?

mV0.75

解：原工况:S—----=-----=().5

L1.5

1

N,-In(1-S)

OG1-S1-S士+s

1

In(1-0.5)--------+0.53.41

1-0.51-0.90

新工况：5=S

1_In(1-0.5)―?—+0.5

NOG6.477

1-0.51-0.98

VzVz

HOG

HOG

K/QN°GKYadNOG

=6477=19Go

KviaCNzvnr3.41

20.在一填料吸收塔内用洗油逆流吸收煤气中含苯蒸汽。进塔煤气中苯的初始浓度为0.02

（摩尔比，下同），操作条件下气液平衡关系为『=O.125X,操作液气比为0.18,进塔

洗油中苯的浓度为0.003,出塔煤气中苯浓度降至0.002。因脱吸不良造成进塔洗油中苯的

浓度为0.006,试求此情况下（1）出塔气体中苯的浓度;

（2）吸收推动力降低的百分数?

解：原工况:

S=—=^^=0.6944

L0.18

X-咽is

N°G——In(1-S)

l-SY2-mX2

1,八，、/〜,、002-0/25x0.003八“，”

In(1-0.6944)--------------------+0.69444.837

1-0.69440.002-0.125x0.003

〜=些3=0.00372]

^Ym

%4.837

新工况：HOG=H°GZ=Z5-5

1,“…”八0.02—0.125x0.006…「

N=心In(1-0.6944)-------------------+0.6944=4.837

0G1-0.6944匕-0.125x0.006

解得y2=0.002344

A",=』=gg=0.00365

4.837

Ay„,-Ay„1=0.003721-0.00365=a019Q8=k91%

0.003721

21.在一塔径为880m的常压填料吸收塔内用清水吸收混合气体中的丙酮，已知填料层高度

为6m,在操作温度为25℃时，混合气体处理量为2000m3/h,其中含丙酮5%。若出塔混合物

气体中丙酮含量达到0.263%,每1kg出塔吸收液中含61.2kg丙酮。操作条件下气液平衡

关系为Y*=2.0X,试求：（1）气相总体积传质系数及每小时回收丙酮的kg数;

（2）若将填料层加高3m,可多回收多少kg丙酮？

解:0=0.785x0.882=0.6Im2

2000x273

V(1-0.05)=77.7lkmol/h

22.4x298

0.05X612/58=

工0.0526X?=0=00202

1-0.05'938.8/18

△x=x—X'=0.0526-2x0.0202=0.0122

△x=x—x*=0.0526-2x0.0202=0.0122

轨=匕―匕=0.00263

-AK,_0.0122-0.00263

△工0.00624

h1s

然0.00263

工―K0.0526-0.00263。…

-------=--------------------=o.(X)o

AXtn0.00624

Z

H°G

KyClQNg

77.7

x3

KYa万。。8.008=170kmoV(m-h)

6x0.61

W=V(K-K)=77.7x(0.0526-0.00263)=3.883kiwl/h=225.19kg/h

VZ

⑵—=0.7493m

K/。%8.008

赢MO

NOG-

Ly-K0.0526-0.00263

—=—)——=----------------------=2.474

VX,-X20.0202-0

S=5=2/2.474=0.8084

分+0.8084

NOG=——-——In(1-0.8084)12.01

1-0.8084

解得％=0.001096

w=V(X-y;)=77.7x(0.0526-0.001096)=4.002knx)l/h=232.1Ikg/h

△W=W-W=225.19-232.11=6.918kg/h

22.用纯溶剂在一填料吸收塔内，逆流吸收某混合气体中的可溶组分。混合气体处理量为

1.25Nm7s,要求溶质的回收率为99回收操作液气比为1.71,吸收过程为气膜控制。已知

10℃下，相平衡关系K=0.5X,气相总传质单元高度为0.8m。试求：

(1)吸收温度升为30C时，溶质的吸收率降低到多少？(30C时，相平衡关系『=1.2X)

(2)若维持原吸收率，应采取什么措施(定量计算其中的2个措施)。

解:

mV0.5

(1)原工况：S0.292

L1.71

1=—!—In(l-S)

1n+S

1-S\-S

_AL

——!——In(1-0.292)1

+0.2926.34

1-0.2921-0.992

Z=-H”=6.34X0.8=5.072m

N(K.

新工况：HOG=HOGZ=Z

177|2

S=—S=—x0.292=0.7008

m0.5

iIn(1-0.7008)—^—+0.7008

NOG=NOG6.3