新版化工原理习题答案第八章气体吸收

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 2。)。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HH解：水溶液中氨的摩尔分数为76.6x 76.67F17 0.0751000由 p* Ex亨利系数为E 二 x 相平衡常数为15.0kPa 200.0kPa0.075E m 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 kmol/(m3 kPa) 0.

2、276kmol/(m3 kPa)EMS 200.0 182.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,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 1.66 105 kPa,水溶液白密度为997.8 kg/m 3。解：水溶液中CO的浓度为350/100033c kmol/m 0.008kmol/m44对于稀水溶液，总浓度为Ct水溶液中997.83, 3kmol/m 55.43 kmol/m18CO的摩尔分数为c 0.00841.443 10Ct55.43由 p*Ex 1.

3、66 105 1.443 10 4 kPa 23.954 kPa气相中CO的分压为p pty 101.3 0.03kPa 3.039kPa < p*故CO必由液相传递到气相，进行解吸。 以CO的分压表示的总传质推动力为p p* p (23.954 3.039)kPa 20.915kPa3.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=x10-6 kmol/(m 2 s kPa),液膜吸收系数kL=x10-4m/s。假设操作条件下平衡关系服从亨利定律，溶解度系数H=

4、kmol/(m 3 kPa)。(1)试计算以P、c表示的总推动力和相应的总吸收系数;(2) 解：PPP*Ptyc(110.5 0.0321.06 )kPa 0.7252.074 kPa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Kg11Hk? kG一 一一一 一 3(8.899 101(0.725 1.55 10_ _ _ 521.923 10 )(m一一 6 一 .24.97 10 6 kmol/(m s kPa)以液相组成差表示的总推动力为126)(m 5.2 10 6s kPa)/kmol_ _ 52Pa)/kmol 2.012 10 (ms Pa)/k

5、mol一一_一_一_3c c* c pH c (110.5 0.032 0.725 1.06)kmol/m其对应的总吸收系数为 _31.504kmol/mKl11 _HkL kG1, c c “ 6,m/s 6.855 10 6 m/s10.7251.55 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卫幺生 4.97 10100% 95.58%1/KgkG5.2 10 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

6、系数为kmol/(m 3 kPa) o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=x10-5m/s,气相总吸收系数 Kg= x 10-5 kmol/(m 2s kPa)。求该截面处(1)膜吸收系数 及KY; (3)吸收速率。kG、kx及ky；(2)总吸收系数 Kl、Kx解：(1)以纯水的密度代替稀甲醇水溶液的密度,3997.0kg/m溶液的总浓度为997.033C kmol/m 55.39 kmol/m25 C时水的密度为kx18ctkL=55.39 2.12 10 5kmol/(m2 s)1.174 10 3kmol/(m2s)1kG11Kg H

7、L(5 1.206 105 2.126 2.12 102-)(m s kPa)/ kmolkG_ _ 426.073 10 (m s kPa)/ kmol1.647 10 5 kmol. (m2 s kPa)523PtkG 105.0 1.647 10 kmol/(m s) 1.729 10 kmol/(m2 s)由KlKg1.206 10 56- m/s 5.673 10 m/s2.126997.0Hp总MS 2.126 105.0 180.2481K?kykx/1(1.729 100.248 w 23)(m1.174 10s)/kmol_ 227.896 10 (m s)/kmolKy 1

8、.266 10 3 kmol (m2s)3242KxmKy0.2481.26610 3kmol/(m 2 s)3.14010 4kmol/(m 2s)因溶质组成很低，故有KxKl55.395.67310 6kmol/(m 2 s) 3.14210 4 kmol/(m2 s)KYptKG105.01.20610 5kmol/(m2 s)1.26610 3kmol/(m 2s)(3)吸收速率为NaKl c* c 5.673 1062.126 7.5 2.85 kmol/(m2 s) 1.310 105kmol/(m2 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

9、硫。已知混合气进塔和出塔的组成分别为y=、y2=o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)若操作压力提高到1013 kPa而其他条件不变，再求吸收液的组成。解:0.041 0.040.0417V21 V20.0021 0.0020.002_3E4.13 10m pt101.340.77吸收剂为清水，所以 X2 0qn,Lqn,V minY1 丫2Y/m X20.0417 0.0020.0417/40.77 038.81所以操作时的液气比为qnLqnL匕 1.45 叱 1.45 38.81 56.27qn，V4口&

10、quot; min吸收液的组成为X1 它 丫 丫2X2 - 0.0417 0.002qn，L56.27(2) m巨空加4.077pt10130 7.054 104丫 丫2丫/m X20.0417 0.0020.0417 0 4.0773.881，V1.45 至，Vmin1.45 3.881 5.627qn,L5.6270.0417 0.0020 7.055 10 3456 .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 3 s

11、） 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U率为98%求水的用量（kg/h ）及所需的填料层高度。Y2a 0.0331 1 0.980.000662再急0.033100331 9.594 10 434.5X1 0.76X1*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 (YY2)43.56 0.0331 0.000662X1 X27.291 10 4 03 kmol/h 1.938 10 kmol/hqm,L1.938 10318kg/h 3.488 104kg/h求填料层高度

12、H OGqn,VKyH43.56/36002 m 0.429m0.0562 0.785 0.8Y1丫 Y* _ _ 40.0331 34.5 7.291 100.00795YmNogY2丫2*Y 工 ln5Y丫2Ym0.000662 34.5 0 0.0006620.00795 0.000662 0.00293 0.00795ln0.0006620.0331 0.000662 11 070.00293.ZNog H og 11.07 0.429m 4.749m7.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

13、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/（m2 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qn,v 50(1 0.05)kmol/h 47.5kmol/h对于纯溶剂吸收qn,Lqn,VminY/m X2依题意qn,L200min47.5 1.62.632(2) 丫丫1丫2YmNogHog由Hog0-')min学 95.71%2.75y_1

14、¥1qn,Vqn,LYi丫 Y*0.050.05260.05Y2 Y2*InYmN OGqn,VKa0.0526Y2X20.0526Y2Y-YT1 0.95710.0022647 5_一47£0.0526 0.00226 0 0.01202002.75 0.0120 0.01960.00226 2.75 0 0.00226°.0196 0.00226 0.00803 ,0.0196 In0.00226°.0526 0.00226 6.269 0.00803m 0.798m6.269qn,VKyHHog447.5/3600m2 0.277m23 10 4

15、221 0.9 0.798填料塔的直径为c ，4Q 4 0.277 cue，D im 0.594m、n 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 2 h),气相进、出塔的摩尔分数分别为、，水的质量流速W为800 kg/(m 2 h),填料层高度为3 m。已知操作条件下平衡关系为 Y= X, Ko正比于G而于W氏关。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1¥

16、10.050.05261 0.050.000526y20.0005261 y21 0.000526操作条件下，混合气的平均摩尔质量为MxiMi0.05 17 1 0.05 29 kg/kmol 28.4kg/kmolqn,V6002841 0.05 kmol/(m2 h) 20.07kmol/(m2 h)qn,L80018， ,， 2,、,，2,、1 0 kmol/(m h) 44.44 kmol/(m h)mqn,V 0.9 20.07qn,L44.440.406Y* mXmq,V Y Y20.406 0.0526 0.0005260.0211qn,LY Y Y* 0.0526 0.0211

17、 0.0315Y2 Y2 Y2* 0.000526 0 0.000526NoglnY丫2ln331 0.406 0.0005266.890H OGNog3 m 6.8900.435 m(1) ptm2ptEPtPt mPtm qn,vqn,L0.4060.203若气相出塔组成不变，则液相出塔组成也不变。所以*1Y Y Y 0.0526 0.0211 0.04212*Y2 Y2 Y20.000526 0 0.000526NOG七1nY1Y21,0.04211n1 0.203 0.0005265.499H OGqn,vKYaqn,v“p总Hogqn,vLap总HOG2°fm 0.218m

18、Z HogN0G 0.218 5.499m 1.199mZ Z Z (1.199 3)m1.801 m即所需填料层高度比原来减少1.801m。(2)qn,V 2qn,VS mqiv 2SL若保持气相出塔组成不变,2 0.406 0.812则液相出塔组成要加倍，即Xi2Xi故* _Y Y Y Y mX1 Y S Y Y20.0526 0.812 0.0526 0.0005260.0103*Y2 丫2 丫20.000526 0 0.000526NOG丫1丫2-ln 口01031 0.8120.00052615.82qn,Vqn,VKYaKGaPqn,V08 qn,V0.2 qn,v0.2qn,V0

19、2HogHog 20.435m 0.500 mqn,VHogNog 0.500 15.82m7.910mZ Z Z (7.910 3)m 4.910m即所需填料层高度要比原来增加4.910 m 。(3) qn,L 2qn,L0.40620.203mqn,vqn,L*Nog11nls 丫1丫2SIn 1 S*-S1 S丫2 丫210.0526 0In 1 0.203 0.2035.497 1 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Hog Hog 0.435 mZHogNog0.435 5.497m 2.391mZ Z Z （2.391 3

20、）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kmol/ （m 2 h） o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）Y0.060.06381 、11 0.06Y2 Y 1 a 0.0638 1 0.95 0.00319惰性气体的流量

21、为qnV 40 (1 0.06)kmol/h 37.6kmol/hqnL上 m a 2.2 0.95 2.09qn,V minqn,L min 2.09 37.6kmol/h 78.58kmol/hqn,L1.5 75.58kmol/h 117.9 kmol/hqn,V37.6Xi Yi 丫2X20.0638 0.003190 0.0193qn,L117.9(2)丫 丫 丫* 0.0638 2.2 0.0193 0.0213Y2 Y2 Y2* 0.00319 2.2 0 0.00319YmlnY sr0.0213 0.00319 0.00954,0.0213ln 一 0.00319NOGYY2

22、Ym0.0638 0.00319 6.3530.00954HOGN OG3 一 一 m 0.472 m6.353H OGqn,VKYa用清水吸收，X2 0填料的有效比表面积为qn,V a HOG KY填料的总比表面积为37.620.472 0.35 0.785 1.222323m2/m3 201.35m2/m30.9NOG ln Smqn,v2.2 37.6 0.702NTqn,L117.96.353(00 5.351ln 0.702201.352323at m /m 223.72m /mNtHETP NT填料的等板高度为HETP 3m 0.561m5.35110.用清水在塔中逆流吸收混于空气

23、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 0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：Y y0.0850.09291 V11 0.085Y2 Y 1 A 0.0929 1 0.92 0.00743%,L26.7 0.92 24.564qn,Vmin操作液气比为qnL吐 1.55 24.564 38.074qn,V水的用量为335.qn,L 38.074 250kmol/h 9.519 10 kmol/h qm,L 9.519 10 18kg/h 1.713 10

24、kg/hA工mqn,V38.074 1.42626.7用清水吸收,A 0.92Ntln ANt1.426 0.921 0.92ln1.4264.19811.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=、=、X1=。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 Hog Nog改造后填料层高度为Z Hog Nog故有Z H OG

25、 NOGZHog 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, Y2*0Nog1一 ln(11 SS)Sln(1 S)Y1SNogS)Y1 SNog ln(1 S)X S1 SY2因此，有ln(1 S)Y1 SY2操作液气比为qn,Lqn,VYi丫2X1 X 20.02 0.004 40.004 0mqn,V1.5qn,L40.375ln(1 0.375)ln(1 0.375)蟹 0.3750002 1.509-02- 0.3750.0041.509 6m 9.054m填料层增加的高度为Z Z Z (9.054 6)m3.054m12.若

26、吸收过程为低组成气体吸收,试推导H OG1HG MM解:HgHlqn,V kya qn,L kxac 1mqn,VS -HgHOGA qn,L工Hl.Akyaqn,Vmqn,Vqn,Lqn,V / 1qn,V 1H OG&a1Hg HlAqn,LkxaaKy_ 5 2.1.89 10 5m/s解：查得5 .1.81 10 Pa s3G 1.205 kg/m由HgR 丫0.5G'w 丫 SCGSCG1.81 10 5gDab1.20551.89 100.795查表8-60.557 ,0.32 ，0.51Hg0.557G0.32W 0.510.5SCg_ 0 320.557 0.5

27、252.850 0.51_ 0 5_ _ _0.795 m 0.237m查彳导20C下，水的有关物性数据如下:100.55 .10 Pa s3l 998.2 kg/m由Hl0.5Sd13.在装填有25 mmi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 2 s),液相的质量速度为2.850 kg/(m 2 s) o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 9m2/s。试估算传质单元高度 上HL o20 c下，空气的有关物性数据如下：100.5 10LDAB998.2 1.76

28、10572.1查表 8-7 ,2.36 10 3,0.22Hl2.36 100.22W0.5SCL32.36 1032.8505100.5 10 50.220.5572.1 m 0.325m0.785 0.85和6 （均为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=o操作气液比为最小气液比的倍。若取 Hol 0.82 m,求所需填料层的高度。解：进塔载气中二氧化碳的摩尔比为Y1y10.0005最小气液比为qn,VX2 Xi0.0085 0.0016

29、* minmX2 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 dmqn,V0.850106.03 0.0111液相总传质单元数为Nol -ln1 AX2X*A*11 0.850ln0.00850.850 0.00160.0005106.030.00050.8503.334106.03填料层高度为Z HolNol 0.823.334m 2.734m15.某操作中的填料塔，其直径为 0.8 m液相负荷为8.2吊/h ,操作液气比（质量比）为。塔内装有 DN50金属阶梯环填料，其比表面积为109 m/m3。操作条件下，液相的平均密度为995.6 kg/m3,气相的平均密度为1.5623kg/m 。（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8.2 995.633qw m /h 836