化工原理下册第六章吸收习题的答案

6-1在101.3kPa(绝对压力下)，100g水中含氨1g的溶液上方的平衡氨气分压为

987Pao试求：

(1)溶解度系数H(kmol・m-3・P『)；

(2)亨利系数E(Pa)；

(3)相平衡常数m；

(4)总压提高到200kPa(表压)时的H,E,m值。

(假设：在上述范围内气液平衡关系服从亨利定律，氨水密度均为1000火g/加3)

解：(1)根据条件

定义

(2)根据条件可知

根据定义式

可得

(3)根据条件可知

于是得到

(4)由于4和E仅是温度的函数，故/网和耳切〃不变；而

m=y*/x=—=—=—,与「和p相关，故加丽=—x0.928=0.309«

pxpxp33

分析(1)注意一些近似处理并分析其误差。

(2)注意E,H和加的影响因素，这是此题练习的主要内容之一。

6-2在25c下，CO2分压为50kPa的混合气分别与下述溶液接触：

⑴含C6为0.01mol/L的水溶液；

(2)含CO2为0.05mol/L的水溶液。

试求这两种情况下CO2的传质方向与推动力。

解：由亨利定律得到

根据《化工原理》教材中表8-1查出

所以可以得到

又因为

所以得

于是：(1)为吸收过程，Ac=0.0067kmol/m3o

(2)为解吸过程，Ac=0.0333•病。

分析(1)推动力的表示方法可以有很多种，比方，用压力差表示时:

(f)n*-“2____°。1___-29QkPa

°'9一3.347x10一4一299伊。

推动力Ap=20.MP〃(吸收)

c

co2_0.05

②哈%：-3.347、1()-4=i49AkPa

推动力Ap=99.4ZPa(解吸)

或者，用摩尔分数差表示时

①由飞、=黑=L8X10T，判断出将发生吸收过程，推动力

-1UUU

18

—=1.201x10、

②由Xg=9x10：判断出将发生解吸过程，推动力Ax=5.99xlOT

(2)推动力均用正值表示。

6-3指出以下过程是吸收过程还是解吸过程，推动力是多少，并在x-y图上表示。

⑴含S02为0.001(摩尔分数)的水溶液与含S02为0.03(摩尔分数)的混合气接触,

总压为101.3kPa,t=35℃；

(2)气液组成及总压同(1),t=15℃；

(3)气液组成及温度同⑴，总压为300kPa(绝对压力)。

解⑴根据《化工原理》教材中表8-1知T=35c时，SO2的

E=0.567x104kPa,故

根据相平衡关系，得

由于乃，所以将发生解吸过程。传质推动力为

(2)7=15℃时,SO2的£=0.294x10廉Pa,故

根据相平衡关系，得

由于"＜力，所以将发生吸收过程。传质推动力为

F

⑶同理可知，当丁=35℃”=3001^^时，七=0.567xl04ZPa,故根=一=18.9

P

由于6＜力，所以将发生吸收过程。推动力为

不意图见题6-3图。

题6-3图

分析体会通过改变温度和总压来实现气液之间传质方向的改变，即吸收和解

吸。

6・4氨-空气混合气中含氨0.12(摩尔分数)，在常压和25℃下用水吸收，过程中

不断移走热量以使吸收在等温下进展。进气量为1000n?,出口气体中含氨

0.01(摩尔分数)。试求被吸收的氨量(kg)和出口气体的体积(n?)。

解惰性气体量V=1000x0.88=880加，进口中N%之量为120町3,出口中NH3

之量为=963,于是总出气量=880+9=8890被吸收的N%量为

0.12/0.88

1000xl01325,889xl01325

0J2xaQlx=4544小。/,为77.3kg。

8.314x2988.314x298

分析(1)进展物料衡算时应以摩尔数或者质量为基准，一般不以体积为基准。此

处由于温度和压力均不变,故摩尔数的变化正比于体积的变化，所以以体积作为衡

算的基准。

(2)此题是并流还是逆流?有区别吗？

(3)若何才能不断移走热量？该用填料塔还是板式塔？

(4)不移走热量对吸收有什么影响？

6-5一浅盘内存有2mm厚的水层，在20C的恒定温度下靠分子扩散逐渐蒸发到

大气中。假定扩散始终是通过一层厚度为5mm的静止空气膜层，此空气膜层以

外的水蒸气分压为零。扩散系数为2.6xlO-5m2/s,大气压强为i.0i3xl05pa。求蒸

干水层所需时间。

解：此题中水层Z的变化是时间。的函数，且与扩散速率有关。

查教材附录水的物理性质得，20℃时水的蒸汽压为2.3346kPa。条件为：

代入上式得：

水的摩尔质量M=18口/上机由，设垂直管截面积为A,在d。时间内汽化的水量

应等于水扩散出管口的最，即

中的/这则那等.变铲—8办

在e=o,z=o至ije=o,z=2xi(y3，”之间积分，得

6-6含组分A为0.1的混合气，用含A为0.01(均为摩尔分数)的液体吸收其

中的A。A在气、液两相中的平衡关系为丁=大，液气比为0.8,求：

A=।5

(1)逆流操作时，吸收液出口最高组成是多少此时的吸收率是多少假设G,

各量又是多少分别在y-x图上表示；

(2)假设改为并流操作，液体出口最高组成是多少此时的吸收率又是多少

解⑴逆流操作(题6-6图⑶)时，

题6-6图

0.01«0.01,Y.=-5^_=0.1

x?-

1-0.0111-0.1

①当〃丫=0.8＜机=1,以及塔高无穷高时,在塔底到达两相平衡(题8-9图(b)),

X|max=X；=K/w=0.U。根据物料衡算可知

此时，吸收率为

②当〃V=1.5＞机=1,以及塔高无穷高时，在塔顶到达吸收平衡(题8-9图(b)),

—=石=叫=001。仍可以根据物料衡算L(X「X2)=V化一Kmin)，求出

(2)并流操作且〃V=0.8时(题8-9图(c)),因为“=oo,所以有

根据操作线关系，有

式①，②联立，求得：

于是

分析逆流吸收操作中，操作线斜率比平衡线斜率大时，气液可能在塔顶呈平衡；

此时吸收率最大，但吸收液浓度不是最高。

操作线斜率小于平衡线斜率时，气液在塔底呈平衡；吸收液浓度是最高的,

但吸收率不是最高。

6-7用水吸收气体中的SO2,气体中SCh的平均组成为0.02(摩尔分数)，水中

SO2的平均浓度为lg/1000g。塔中操作压力为10.13kPa俵压)，现气相传质分系

2

数k=0.3xl0-2kmol/(mhkPa),液相传质分系数的=0.4m/h。操作条件下平

衡关系y=50x。求总传质系数Ky(kmol/(m2*h))。

解根据

'八；＜i-.vi-.v*J-Kr(i-.yXi-/)~P(i-vXi-/)"P

和

得

现〃=111.427%,y=0.02,=50x——四——=2.81xIO-4,因此要先

产A1/64+1000/18

根据下式求出KG才能求出储：

因此还要求出H：

于是便可求出

和

分析此题主要练习各种传质系数之间的转换关系，第二目的是了解各系数的量

级。

6-8在l.O13xl()5pa、27℃下用水吸收混于空气中的甲醇蒸气。甲醇在气、液两相

中的浓度很低，平衡关系服从亨利定律。H=0.511kPam3/kmol,气膜吸收分系

525

数fc=l.55x10kmol/(m-s-kPa।,液膜吸收分系数A：L=2.08X10(m/s)o试求吸收总

系数KG并算出气膜阻力在总阻力中所占的百分数。

解根据定义式刈=七(〃­；)=勺或-。)和〃；=今，可知

所以只要求出KG即可。又

所以

因为《为气相阻力，；为总阻力，故

必G卜仃

分析此题应和题6・9一起综合考虑。

6-9在吸收塔内用水吸收混于空气中的低浓度甲醇，操作温度为27℃,压强为

5

1.013xl0Pao稳定操作状况下塔内某截面上的气相中甲醇分压为37.5mmHg,液

相中甲醇浓度为Zllkmol/n?。试根据题6-8中有关数据计算出该截面的吸收速

率。

解吸收速率可以用公式N小儿仿-炉)求出。其中

于是可得

分析(1)此时，根据N.=KG(P-2)=1.55x10-5(5.07)=568x10-5,还可以计

算出气液界面气相侧中的甲醇分压(p,=1.405^)以及液相侧中的甲醇浓度

(c,-=Hpi=2.748ktnol!,此值远高于主体溶液中的甲醇浓度。

(2)是不是题目有些问题含5%甲醇的空气似乎应是入口气体，因此2mH/加应

是出塔液体的浓度，而此液体的浓度也太低了(质量分数仅为0.0064%),这些水

又有何用呢

⑶假设将题目中甲醇浓度改为2切加〃则质量分数为6.4%,便可以用精储

法回收其中的甲醇。

6-10附图为几种双塔吸收流程，试在y-x图上定性画出每种吸收流程中A、B

两塔的操作线和平衡线，并标出两塔对应的气、液相进出口摩尔分数。

题6-10附图

(c)

(d)

6・11在某逆流吸收塔内，于101.3kPa、24℃下用清水吸收混合气体中的H2S,将

其浓度由2%降至0.1%(体积分数)。系统符合亨利定律，E=545xl01.3kPao假

设吸收剂用量为最小用量的1.2倍，试计算操作液气比及出口液相组成。

4

解：y1=0.02y2=0.001E=5.52xlOKPaP=101.33KPa

贝ijY1==0.0204Y2=0001=0.001

1-0.021-0.001

又据全塔物料衡算「

L（X,-X2）=V（YY2）

即操作液气比上为776.25出口液相组成X,为2.5x10-5

V

6・12用纯水逆流吸收气体混合物中的SO2,SCh的初始浓度为5%1体积分数），

操作条件下的相平衡关系为y=5.0xt分别计算液气比为4和6时气体的极限出

口浓度。

解：当填料塔为无限高，气体出口浓度达极限值，此时操作线与平衡线相交。对

于逆流操作，操作线与平衡线交点位置取决于液气比与相平衡常数m的相对大

小。

当〃G=4,〃G<m=5O时，操作线与与平衡线交于塔底，由相平衡关系可以

计算液体出口的最大浓度为

由物料衡算关系可以求得气体的极限出口浓度为：

当〃G=6,UG>m=5.0,操作线与平衡线交于塔顶，由平衡关系可以计算气

体极限出口浓度为：

由物料衡算关系可求得液体出口浓度为：

从以上计算结果可知，当〃G<相时，气体的极限剩余浓度随L/G增大而减

小；当〃G>加时，气体的极限浓度只取决于吸收剂初始浓度，而与吸收剂的用

量无关。

6-13在某填料吸收塔中，用清水处理含SO2的混合气体。逆流操作，进塔气体

中含S02为0.08(摩尔分数)，其余为惰性气体。混合气的平均相对分子质量取28o

水的用量比最小用量大65%,要求每小时从混合气中吸收2000kg的SO2。操作

条件下气、液平衡关系为丫=26.7上。计算每小时用水量为多少立方米。

解：根据题意得

根据吸收的SO2质量求得混合气中惰性气体的流量

根据物料衡算

解得=4.35x10-5

又化］=i=0.087-4.35xl(T5=2667

Xk-X20.087/26.7

贝ijL=1.65LmiB=1.65x26.7x359.375=1.58xiNkmol/h

则每小时的用水量为

6-14用纯溶剂对低浓度气体作逆流吸收，可溶组分的回收率为少采用的液气

比是最小液气比的。倍。物系平衡关系服从亨利定律。试以〃、s两个参数列出

计算NOG的表达式。

解：令进塔气体浓度为yl,则出塔气体浓度为y2=y1(l-〃)x2=0

In"L

由上题证明的结果：N。G=二^

1-m

L

△%=凹一小=y，

又

6-15在一填料吸收塔内，用含溶质为0.0099的吸收剂逆流吸收混合气体中溶质

的85%,进塔气体中溶质浓度为0.091,操作液气比为0.9,操作条件下系统的平

衡关系为y=0.86x,假设总体积传质系数与流动方式无关。试求：(1)逆流操

作改为并流操作后所得吸收液的浓度；(2)逆流操作与并流操作平均吸收推动

力之比。

解：逆流吸收时，y尸0.091,x2=0.0099

所以y2=y1(1-〃)=0.091(1-0.85)=0.01365

改为并流吸收后，设出塔气、液相组成为Y；、X；,进塔气。

物料衡算：

将物料衡算式代入g中整理得：

逆流改为并流后，因降不变，即传质单元高度h不变，故网不变

所以

由物料衡算式得：

将此两式联立得：

由计算结果可以看出，在逆流与并流的气、液两相进口组成相等及操作条件一样

的

情况下，逆流操作可获得较高的吸收液浓度及较大的吸收推动力。

6-16今有逆流操作的填料吸收塔，用清水吸收原料气中的甲醇。处理气量为

1000m3/h(标准状况)，原料气中含甲醇lOOg/m3,吸收后的水中含甲醇量等于

与进料气体相平衡时组成的67%o设在标准状况下操作，吸收平衡关系为

2

y=1.15x,甲醇的回收率为98%,Ky=0.5kmol/(m-h),塔内填料的有效比外

表积为190m2/nP,塔内气体的空塔流速为0.5m/s。试求：

(1)水的用量；

(2)塔径;

（3）填料层高度。

解下面计算中下标1表示塔底，2表示塔顶。根据操作条件，有

%)=67%%；=0.0408,X,=^^=0.0425

1一%

（1）根据全塔的甲醇物料衡算式乂％-X2）=丫化-^）可以得出用水量

（2）塔径6=呼=产黑翌=0.8l4m

可圆整到0.84mo

（3）由于是低浓度吸收，故可以将y=1.15x近似为Y=L15X,并存在长产曷，

则可进展以下计算：

填料层高度

先计算气相总传质单元数：

再计算气和总传质单元高度

最终解得H=6.7m

分析（1）这是一个典型的设计型问题，即工艺要求，希望设计出用水量、塔径和

塔高。

（2）假设不进展以上近似，则可按下述方法求解：

式中：V：气体总流量。

于是

对上式进展积分得

（当然此时Kv也会随着流量变化而变化，求解时还需要做另外的近似）

(3)或者做以下近似处理

得

其中，丫可取X和丫2的平均值；片可取丫；和丫；的平均值。

取

则

以上两种方法的计算结果具有可比性。

6-17在一填料吸收塔内，用清水逆流吸收空气中的NH3,入塔混合气中NH3的

含量为0.011摩尔分率，下同)，吸收在常压、温度为10℃的条件下进展，吸

收率达95%,吸收液中NH3含量为0.01。操作条件下的平衡关系为y=0.5x,试

计算清水流量增加1倍时，吸收率、吸收推动力和阻力若何变化，并定性画出吸

收操作线的变化。

解：吸收率增加，吸收推动力增加

2是清水增加一倍时的操作线，斜率增加，推动力增大。

6-18某吸收塔用25mmx25mm的瓷环作填料，充填高度5m,塔径1m,用清水

逆流吸收流量为2250m3/h的混合气。混合其中含有丙酮体积分数为5%,塔顶逸

出废气含丙酮体积分数将为0.26%,塔底液体中每千克水带有60g丙酮。操作在

101.3kPa.25c下进展，物系的平衡关系为y=2x。试求(1)该塔的传质单元高

数HOG及体积吸收系数K5，a；(2)每小时回收的丙酮量，kg/ho

解：(1)M丙酬二58

60/58

=0.01828

60/58+1000/18

Ly1一y,0.05—0.0026

由全塔物料衡算：G0.01828-0

/0.695=0.046%〃?。“"•J

-xl2x3600

4

(2)每小时回收的丙酮量为：

6-19在一填料层高度为5m的填料塔内，用纯溶剂吸收混合气中的溶质组分。

当液气比为1.0时，溶质回收率可达90%。在操作条件下气液平衡关系为产0.5汽

现改用另一种性能较好的填料，在一样的操作条件下,溶质回收率可提高到95%,

试问此填料的体积吸收总系数为原填料的多少倍

解：此题为操作型计算，N0G宜用脱吸因数法求算。

原工况下：

因X2=0,则:

新工况(即新型填料)下：

KH1.466

Ya-OG.-

YaHOG1.063

即新型填料的体积传质系数为原填料的1.38倍。

讨论：对一定高度的填料塔。在其他条件不变下，采用新型填料，即可提高K心,

减小传质阻力，从而提高别离效果

6-20某填料吸收塔高2.7m,在常压下用清水逆流吸收混合句中的氮。混合气入

2

塔的摩尔流率为0.03kmol/(m2.s),清水的喷淋密度0.018kmol/ims)o进口气体中

含氮体积分数为2%,气相总体积吸收系数Kya=0.1kmol/(m%),操作条件下亨利

系数为60kPa。试求排出气体中氮的浓度。

解：w=E/p=60/101.3=0.6L/G=0.018/0.03=0.6=w

即操作线与平衡线平行，此时

故NOG=至=9.0N°G=上”=/&所以9.0=%工

当

03y,“y2

解得必=。・政

6-21某填料吸收塔用含溶质X2=0.0002的溶剂逆流吸收混合气中的可溶组分，采

用液气比是3,气体入口摩尔分数州=0.001,回收率可达90%.物系的平衡关系为

y=2xo

今因解吸不良使吸收剂入口摩尔分数X2升至0.00035,试求：（1）可溶组

分的回收率下降至多少（2）液相出塔摩尔分数升高至多少

解：（D%=y（i-川）=0。1砥1-O.9）=o.ooi

当々上升时，由于H不变，HOG不变

・・・NOG=〃/H°G也不变，即

（3）物料衡算

6-22用一填料塔逆流吸收空气中的氨。单位塔截面上的混合气体流率为0.036

kmol/m2.s,含氨2%（摩尔分率，下同），新鲜吸收剂为含氨0.0003的水溶液，

从塔顶参加。要求氨的回收率不低于91%,设计采用液气比为最小液气比的1.3

倍。氨-水■空气物系的相平衡关系为y=L2x。气相总传系数Kya为0.0483kmol/

m3-s,过程为气膜控制。试求：

（1）所需塔高.

(2)假设采用局部吸收剂再循环从塔顶参加，新鲜吸收剂用量不变，循环量与

新鲜吸收剂量之比为1：10,为到达同样的回收率，所需塔高为多少？

解：(1)对吸收塔作物粒衡算

吸收塔内液气比为

全塔物料衡算

其中

...%=必一%+091X0.02+00Go3=0.01289

L/G-1.446

全塔的传质单元数

所需塔高为

(2)当有局部吸收剂再循环后，吸收剂的入塔含量为

X\L+XL_0.-L+x2L_0.lx；+0.0003

x?—2①

L+L0.1L+L1.1

吸收塔内液气比

全塔物料衡算

，y,-y.0.91x0.02,小

X.=——#2十%=--------+右②

1%G21.59

联立①、②两式可解得

全塔的传质单元数

所需塔高

6-23为测定填料层的体积吸收系数Kya,在填料塔内以清水为溶剂，吸收空气中

低浓度的溶质组分A。试画出流程示意图，指出需要知道哪些条件和测取哪些参

数；写出计算K），a的步骤；在液体流量和入塔气体中组分A浓度不变的情况下,

加大气体流量，试问尾气中组分A的浓度是增大还是减小

题6-23图

解流程如图（a）所示，由于

所以，为了测出K〃，需要知道物系的平衡关系，因而需要测定温度，以便于从

手册中查找有关数据，还需测量进、出口的气、液流量及组成、塔径和填料层的

高度。

求K"的步骤如下：

（1）在稳定操作条件下测出L,V,Xi，X2（=0）,看/2以及温度；

（2）依据平衡关系求出平均推动力AY叫

（3）量出塔径外［。=烟］及填料层高度H；

（4）将以上各量代入式，及求得小巴

假设参加大气体流量，尾气中组分A的浓度将增高。其分析如图b所示。

分析（1）实验时要多测一些L和V条件下的数据以便总结出规律。

（2）试分析增大气体流量后XI会若何改变？

（3）测水流量L有何用途？

6-24某逆流操作的填料吸收塔，塔截面积In?,用清水吸收混合气中的氨气，

混合气量为0.06kmol/s,其中氨的浓度为0.01（摩尔分率），要求氨的回收率至

少为95%。吸收剂用量为最小用量的1.5倍，气相总体积吸收系数为

0.06kmol/（m3.s）,且操作压力101.33kPa,操作温度30℃,在此条件

下，气液平衡关系为y=1.2%,试求：

（1）填料层高度（m）；

(2)假设混合气体量增大，则按比例增大吸收剂的流量，能否保证溶质吸收率

不下降简述其原因；

(3)假设混合气体量增大，且保证溶质吸收率不下降，可采取哪些措施

解：(1)根据题意得

全塔的传质单元数

全塔的传质单元高度

(2)假设能保证吸收率不下降，则有〃=0.95

又因为L与V按比例增大，所以闱=存则卜*0.702

••Y2=Y21则N°G不变

er.VVV°'2

又因为人=77二=77~

2

^HOG/HOG=iy/vy>l：.H>H则假设不成立，不能满足要求

(3)在H不变时，则N°G1，又因为〃'与m均不变，，需要LT或者换

用更加高效的填料

思考题

6-1吸收的目的和基本依据是什么吸收的主要操作费用花费在哪里

答