化工原理习题答案(08)第八章气体吸收

第八章气体吸收

1.在温度为40℃、压力为101.3kPa的条件下，测得溶液上方氨的平衡分压为15.0kPa时，氨在水中的溶解度

为76.6g(NH0/l000以氏0)。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”。

解：水溶液中氨的摩尔分数为

76.6

m匹产运二°切5

17+18

由/?*=Ex

亨利系数为

n*IS0

E=J=——kPa=200.0kPa

x0.075

相平衡常数为

E200.0

in=-=--------1.974

P,101.3

由于氨水的浓度较低，溶液的密度可按纯水的密度计算。40C时水的密度为

p=992.2kg/m3

溶解度系数为

9922

H=-^n―=kmol/(m3•kPa)=0.276kmol/(m3-kPa)

EMS200.0x18

2.在温度为25C及总压为101.3kPa的条件下，使含二氧化碳为3.0%(体积分数)的混合空气与含二氧化

碳为350g/nP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，亨利系数E=L66xl()5kPa,水溶液的密度为997.8kg/m3。

解：水溶液中CCh的浓度为

350/1000...③....

c=---------------kmol/m=0n.0n0n8Qkmol/m

44

对于稀水溶液，总浓度为

9978

c=.......-kmol/m'=55.43kmol/m3

118

水溶液中CO2的摩尔分数为

c0.008...._

x=—=--------=1.443xlOin4

£55.43

由p*=Ex=1.66xl05xl,443xlO1kPa=23.954kPa

气相中CCh的分压为

p=Piy=101.3x0.03kPa=3.039kPa<p*

故CCh必由液相传递到气相，进行解吸。

以CO2的分压表示的总传质推动力为

Ap=p*-p=(23.954-3.039)kPa=20.915kPa

3.在总压为U0.5kPa的条件下，采用填料塔用清水逆流吸收混于空气中的氮气。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.OGkoml/n?。气膜吸收系数AG=5.2X106kmol/(m2skPa),液膜吸收系数h=1.55

X10-4m；So假设操作条件下平衡关系服从亨利定律，溶解度系数”=0.725kmol/(m3.kPa)。

(1)试计算以W、Ac表示的总推动力和相应的总吸收系数；

(2)试分析该过程的控制因素。

解：(1)以气相分压差表示的总推动力为

^p=p-p*=p,y--=(110.5x0.032-^L)kPa=2.074kPa

H0.725

其对应的总吸收系数为

—=—+—=(----------!---------+----!——-)(m2-s•kPa)/kmol

叫4

KGcLGkc0.725x1.55xlO-5.2x10"

=(8.899xlO3+1.923x105)(m2-s•Pa)/kmol=2.012xl05(m2•s-Pa)/kmol

勺=4.97xIO-6kmol/(m2-s-kPa)

以液相组成差表示的总推动力为

Ac=(?*-(?=pH-c=(\\0,5x0.032x0.725-1.06)kmol/m3=1.504kmol/m3

其对应的总吸收系数为

1

人=.„=----;-------n79Sm/s=6.855xlO^m/s

1nIU./ZD

1.55xIO-4+5.2xl0-6

(2)吸收过程的控制因素

气膜阻力占总阻力的百分数为

6

1/&GKG=4.97XIQ-

工x100%=95.58%

I/KG―5.2x10-6

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醉蒸汽。操作压力为105.0kPa,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2.126

kmol/(m-kPa)o测得塔内某截面处甲醇的气相分压为7.5kPa,液相组成为2.85kmol/m3,液膜吸收系数h=2.12

X10-5m；s,气相总吸收系数&=1.206XlO5kmol/(m2.s・kPa)。求该截面处(1)膜吸收系数h、履及即;(2)

总吸收系数A.、KX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，25C时水的密度为

p=997.0kg/m3

溶液的总浓度为

9970

c=-----kmol/m3=55.39kmol/m3

t'18

k==c人=55.39x2.12xl0-5kmol/(m2s)=1.174xl0'3kmol/(m2•s)

—=--------=(-----!----------------!---------)(m2•s•kPa)/kmol

5

kcKcHk、1.206x10-2.126x2.12xl0

=6.073x104(m2•s-kPa)/kmol

2

kG=1.647x10"kmol/(m•s-kPa)

-52-2

&=ptkG=105.0x1.647x10kmol/(m-s)=1.729x10'kmol/(m-s)

⑵由nVs=5.673xlOYm/s

LH2.126

P997.0c

m=--------=-----------------=0.248

Hp总Ms2.126x105.0x18

222

—=—+—=(------!------+—°~48__)(m.s)/kmol=7.896x10(m-s)/kmol

3

K、kyk、1.729xl(ri.i74xl0

32

Ky=1.266x10kmol/(ms)

?242

Kx=mKy=0.248x1.266x10kinol/(m•s)=3.140x10kmol/(m-s)

因溶质组成很低，故有

Kxp4KL=55.39x5.673x106kmol/(m2s)=3.142x10^kmoV(m2s)

Ky~=105.0x].206xl0-5kmol/(m2s)=1.266xlO-3kmol/(m2s)

(3)吸收速率为

62-52

^A=/CL(c*-c)=5.673x10x(2.126x7.5-2.85)kmol/(ms)=1.310x10kmol/(ms)

5.在10l.3kPa及25c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）『0.04、”=0.002。假设操作条件下平衡关系服从亨利定律，亨利系数为4.13X103kPa,吸收剂

用量为最小用量的1.45倍。

（1）试计算吸收液的组成：

（2）若操作压力提高到1013kPa而其他条件不变，再求吸收液的组成。

0.04

解:(1)=0.0417

-1-0.04

%0.002

«0.002

l-y2-1-0.002

E4.13x103

tn=—=--------=40.77

P,101.3

吸收剂为清水，所以X2=0

⑷二0.0417-0.002

K-K----------------=3o.8O1

0.0417/40.77-0

所以操作时的液气比为

1.45x38.81=56.27

min

吸收液的组成为

X=^（x-x）+X2-----X(0.0417-0.002)+0=7.054x1(T*

56.27

4.13x10'

(2)m,=—==4.077

P\1013

f=0.0417-0.002

X/m'—X,0.0417

11-------u

4.077

3

q.\q.\

=1.45=1.45x3.881=5.627

4n.V4n.v

x：=(K-K)+X,=——-x(0.0417-0.002)+0=7.055x103

"5.627

6.在一直径为0.8m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45

kmoVh,二氧化硫的体积分数为0.032。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0.0562

kmoV（m<s）o若吸收液中二氧化硫的摩尔比为饱和摩尔比的76%,要求回收率为98%。求水的用量（kg/h）

及所需的填料层高度。

0.032

解：=0.0331

If1-0.032

L_gJ=0.0331x(1-0.98)=0.000662

X=0.0331

=9.594x10

m34.5

X,=0.76X*=0.76x9.594x104=7.29lx104

惰性气体的流量为

q*v=45x(1-0.032)kmol/h=43.56kmol/h

水的用量为

母产6；黑器产

4mL=1.938xio3xl8kg/h=3.488xlO4kg/h

求填料层高度

q_43.56/3600

nNm=0.429m

%2

Kya£l~0.0562x0.785x0.8

△X=X—X*=0.0331-34.5x7.291x10^=0.00795

AK=K-K*=0.000662-34.5x0=0.000662

Av,Al；-AK_0.00795-0.000662_

000293

”一10,00795~

In——LIn---------

\Y20.000662

、Y.-Y0.0331-0.0006621,―

%=———2-=-----------------=11.07

0G0.00293

Z=N0GH0G=11.07x0.429m=4.749m

7.某填料吸收塔内装有5m高，比表面积为221m2/n?的金属阶梯环境料，在该填料塔中，用清水逆流吸收某

混合气体中的溶质组分。己知混合气的流量为50kmol/h,溶质的含量为5%（体枳分数％）；进塔清水流量为200kmol/h,

其用量为最小用量的1.6倍；操作条件下的气液平衡关系为丫=2.75X；气相总吸收系数为3x10“kmoWm?-s）；

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）填料塔的吸收率；（2）填料塔的直径。

解：（1）惰性气体的流量为

(ynV=50x(1-0.05)kmol/h=47.5kmol/h

对于纯溶剂吸收

=m(p*

Y}/m-X2

依题意

/、

200

2.632

47.5x1.6

(4mL/4n.v)min2.632

然=-----------=95.71%

m-2.75

(2)X==005=0.0526

1-y,1-0.05

X=X(1_内”0.0526x(l-0.9571)=0.00226

Xi=跄化一匕)+X,=—x(0.0526-0.00226)+0=0.0120

i~200

△X=X-Y*=0.0526-2.75x0.0120=0.0196

=^-^*=000226-2.75x0=0.00226

△x-AX_0.0196—0.00226

AK=0.00803

mIn3

嚼0.00226

Y.-Y0.0526-0.00226「一

N”------2=----------------=6.269

△%0.00803

75

%——=-----m=0.798m

N0r6.269

4n,V

ill

47.5/3600

Q=-^—m2=0.277m

3xl0~4x221x0.9x0.798

3团0G

填料塔的直径为

8.在101.3kPa及20℃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600kg/（ri?.h）,气相进、出塔的摩尔分数分别为0.05、0.,水的质量流速W为8OOkg/（m2.h）,填料层高度为

3m。已知操作条件下平衡关系为y=0.9X,此〃正比于GQ8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

0.05

X=0.0526

1-0.05

5

操作条件下，混合气的平均摩尔质量为

MM=[0.05X17+(1-0.05)X29]kg/kmol=28.4kg/kmol

管=黑x(I-°05)kmol/(m2h)=20.07kmol/(m2h)

x(l-0)kmol/(m2h)=44.44kmol/(m2h)S=七="注1=0.406

44.44

Y*=niXl=m-^(Y1-Y2)=0.406x(0.0526-0.000526)=0.0211

0.0526-0.0211=0.0315

AY2=Y2-K*=0.000526-0=0.000526

-Lln^_^00315

=ln=6.890

(XI1-SAF,1-0.4060.000526

Z3

"oG----m=0.435m

NK0-GAJ6.890

⑴P：=2A

E

in=—

Pi

P：2

心7="竺=0.203

S=

22

若气相出塔组成不变，则液相出塔组成也不变。所以

\Y；=X一年"=0.0526-1x0.0211=0.0421

△匕=匕一/*=0.000526-0=0.000526

町=^—仙坐=-5—In00421=5.499

0Gl—S'AK'1-0.2030.000526

4n.V

%OCJ

K、,aCKcap^Cl

qHg0.435八

%——nV——一22-----m-0.218m

凡即q22

Z，=H£N羡=0.218x5.499m=1.199m

△Z=Z,-Z=(1.199-3)m=-1.801m

即所需填料层高度比原来减少1.801m。

⑵4,v=2%,v

S'=迫M=25=2x0.406=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

X；=2X,

故

△nrx-咽=—(D

=0.0526-0.812x(0.0526-0.000526)=0.0103

0.000526-0=0.000526

J坐=—°。1°3=15.82

1-S'△%'1-0.8120.000526

----------%-,-v---X-^-

H=

C0XrJ

KyQ。KcaPClqnV'

=202x0.435m=0.500m

Z，==0.500x15.82m=7.910m

AZ=Zr-Z=(7.910-3)m=4.910m

即所需填料层高度要比原来增加4.910m。

⑶q：L=2q-

£=吧73=。.2。3

22

町=1>[(F然+$

0.0526-0

-------In(1-0.203)+0.203=5.497

1-0.2030.000526-0

W对KG。无影响，即%.L对无影响，所以传质单元岛度不变，即

H'=H0G=0.435m

Z'=//最町=0.435x5.497m=2.391m

AZ=Zz-Z=(2.391-3)m=-0.609m

即所需填料层高度比原来减少0.609mo

9.某制药厂现有一直径为1.2m,填料层高度为3m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40kmol/h,溶质的含量为0.06(摩尔分数)；要求溶质的回收率不低于95%；操作条件下气

7

液平衡关系为y=2.2X；溶剂用量为最小用量的1.5倍；气相总吸收系数为0.35kmol/(m2.h)。填料的有效比

表面积近似取为填料比表面积的90%。试干算(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)y==006=0.0638

11-y,1-0.06

4=%(1-%)=0.0638x(l-0.95)=0.00319

惰性气体的流量为

%V=40x(1-0.06)kmol/h=37.6kmol/h

4nx

~2.2x0.95=2.09

min

(办J*=2.09x37.6kmol/h=78.58kmol/h

=1.5x75.58kmol/h=117.9kmol/h

%=%gX-yQ+X2=包，(0.0638-0.00319)+0=0.0193

4n.L"7.9

(2)AX=%-%*=0.0638-2.2x0.0193=0.0213

△X=X—X*=000319—2.2x0=0.00319

△X-AX0.0213-0.00319

△%0.00954

0in00213

△匕0.00319

K-K,0.0638-0.(X)319

AYm0.00954

3

-=Z^=^—m=0.472m

H0G

N0G6.353

由"oG

KyaQ.

填料的有效比表面积为

4n,V37.6

a----____________________m2/m3=201.35m2/m3

-_0.472x0.35x0.785xl.22

填料的总比表面积为

23

=201.35m2/m3=223.72m/m

0.9

由N0G=InS

心S-l

s=^1=2.2x37.6=0,702

q-U7.9

z_6.353x(0.702-1)____.

TIn0.702

由Z=HETPxNr

填料的等板高度为

3

HETP=-----m=0.561m

5.351

10.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0.085,操作条件下

物系的相平衡常数为26.7,载气的流量为250kmol/h。若吸收剂用量为最小用量的1.55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。

0.085

解：Y=』_=0.0929

i-x1-0.085

匕=%(1-%)=0.0929x(1-0.92)=0.00743

用清水吸收，x2=o

=frupA=26.7x0.92=24.564

操作液气比为

—=1.55x24.564=38.074

%,v

水的用量为

335

qnL=38.074x250kmol/h=9.519xl0kmol/hqn^L=9.519xl0xl8kg/h=1.713xl0kg/h

A二J出叫“426

mqnN26.7

用清水吸收.>=外=0.92

由NT='J

TInA

,1.426-0.92

In

N=-----J。％——1=4.198

,In1.426

11.某制药厂现有一直径为0.6m,填料层高度为6m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=500m3/h,妨=0.02、匕=0.004、X）=0.004<>己知操作条件下的气液平衡关系为Y=1.5

X。现因环保要求的提高，要求出塔气体组成低于0.002（摩尔比）。该制药厂拟采用以下改造方案：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=HQGN0G

改造后填料层高度为

Z'H羡心

ZHOGMJG

由于气体处理量、操作液气比及操作条件不变，故

H£=H0c

S'=S

对于纯溶剂吸收尤=0，X*=0

由N=—lnf（l-S]

0G61-S3-匕*

9

iy

故NOG=-\n[(\-S)^-^S]

]—J12

町=」加[(1-5总+5]

因此，有

Z，ln[(l—S卓+S]

—=।L

Zln[(l-S)J+S]

操作液气比为

^n.L_0.02-0.004

~q~^~Xl-X2~0.004-0

s=^kv=l^=0375

%」.4

0.02

7ln[(l-0.375)+0.375]

0.002-----------=1.509

Z0.02

ln[(l-0.375)+0.375]

0.004

Z'=1.509x6m=9.054m

填料层增加的高度为

AZ=Zf-Z=(9.054-6)m=3.054m

12.若吸收过程为低组成气体吸收，试推导H0G="G+'"L。

A

解:

HL

SJ二Fv

A

H+_!_//二9n.V|'叼n.V4n.L_4n.V(1[一)=口川1

GL

AkyadkKaO.aQ.kyk*aQ.KN

由HOG=J£Q

故

A

13.在装填有25mm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20c及101.3kPa,气相

的质量速度为0.525kg/(m~s),液相的质量速度为2.850kg/(n『.s)。已知20℃及101.3kPa时氨在空气中的扩

散系数为1.89x10-5m2/s,20C时氨在水中的扩散系数为lIGxlO-mZ/s。试估算传质单元高度质、HL。

解：查得20c下，空气的有关物性数据如下：

53

juG=1.81xlO_Pa-spG=1.205kg/m

5

由HG=aG^W\ScGf

-5

4G1.8lxIO

=0.795

PGDAB1.205X1.89X10':

ic

查表8-6,a-0.557,p=0,32»/=-0.51

HG=0.557G°32W*SCG)8

=0.557x0.525032x2.850~(,51xO.79505m=0.237m

查得20C下，水的有关物性数据如下：

53

//L=100.5x10PaspL=998,2kg/m

5_100.5x10-5

Sc,=-----------------------=572.1

L

2以B998.2x1.76x10)

查表8-7,a=236x1()3,夕=0.22

\0.22

%=2.36x10w

ML)

=2.36xl0-3xf-2,850.1x（572.1）05m=0.325m

1100.5x10-51'f

14.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0.0085和0.001

6（均为摩尔比）。解吸所用载气为含二氧化碳0.0005（摩尔分数）的空气，解吸的操作条件为35℃>101.3kPa,

此时平衡关系为Y=106.03X。操作气液比为最小气液比的1.45倍。若取〃0L=0.82m,求所需填料层的高度。

解：进塔载气中二氧化碳的摩尔比为

X*乂=0.0005

最小气液比为

f/v）X「X10.0085-0.0016nnn7,A

1%,L儿mX「X106.03x0.0085-0.0005

操作气液比为

如=1.45x0.00766=0.0111

%.L

吸收因数为

A=-^=-------------=0.850

，咻v106.03x0.0111

液相总传质单元数为

1Y_V*

N.In(l-A)21

VnL.\-A_7X,-X,*

0.0085-^295

=3.334

(L)0M6歌385。

°106.03

填料层高度为

Z=HOLNOL=0.82x3.334m=2.734m

15.某操作中的填料塔，其直径为0.8m,液相负荷为&2m3/h,操作液气比（质量比）为6.25。塔内装有DN50

金属阶梯环填料，其比表面积为109m2/m\操作条件下，液相的平均密度为995.6kg/m\气