气体吸收习题

1、第九章 气体吸收一、本章学习的目的、应掌握的内容和学习注意事项1. 本章学习的目的 通过本章的学习，掌握气体吸收与解吸的基本概念和气体吸收过程的基本计算方法。 2. 本章重点掌握的内容 （1）气体吸收过程的平衡关系 （2）气体吸收过程的速率关系 （3）低浓度气体吸收过程的计算 本章应掌握的内容 （1）费克定律和分子传质问题的求解方法 （2）双膜模型 本章一般了解的内容 （1）溶质渗透模型和表面更新模型 （2）吸收系数 3. 本章学习应注意的问题 （1）表示吸收过程的平衡关系为亨利定律，亨利定律有不同的表达形式，学习中应注意把握它们之间的联系。 （2）表示吸收过程的速率关系为吸收速率方程，吸收速

2、率方程有不同的表达形式，学习中应注意把握它们之间的联系。 （3）学习分子传质，不要机械地记忆各过程的求解结果，应注意把握求解的思路和应用背景。（4）学习中应注意把握传质机理和吸收过程机理之间的联系，注意体会讲述传质机理和吸收过程机理的目的和意义。 二、例题解析9-1 惰性气与CO2的混合气中CO2体积分数为30，在表压1MPa下用水吸收。设吸收塔底水中溶解的CO2达到饱和，此吸收液在膨胀槽中减压至表压20kPa，放出大部分CO2，然后再在解吸塔中吹气解吸。 设全部操作范围内水与CO2的平衡关系服从亨利定律，操作温度为25。求1kg水在膨胀槽中最多能放出多少千克CO2气体。解：依题意，在全部操作

3、范围内水与CO2的平衡关系服从亨利定律，查附录二得25下CO2溶于水时的亨力系数为方法一：对膨胀槽作CO2物料平衡(以1kg水为衡算基准)入膨胀槽吸收液中CO2的组成设此液1kg水中溶解CO2的kg数为W1，则有：出膨胀槽吸收液中CO2的组成设此液1kg水中溶解CO2的kg数为W2，则有：故1kg水在膨胀槽中最多能释放出CO2的kg数为方法二：不考虑气流夹带走的水量，则膨胀槽内水的量恒定不变，于是1kg水在膨胀槽中最多能放出CO2气体的的千克数为9-2 某水杯中初始水面离杯上缘1cm，水温30，水汽扩散进入大气。杯上缘处的空气中水汽分压可设为零，总压101.3kPa。求水面下降4cm需要多少天

4、?解：本题因水温、大气温度和大气压力恒定，故分子扩散的推动力恒定，但因停滞空气层厚度随杯中水面的下降而增厚，分子扩散阻力逐渐增大，传质速率逐渐下降，故此题为一维拟定态单向分子扩散问题，其传质速率仍可表示为式中：D为水气在空气中的扩散系数，查教材P11中表8-1得（25），需将其换算至30下的值为又查附录二、3.得30时水的饱和蒸汽压为4242Pa4.242kPa。于是设水杯的截面积为A，在任意时刻时，杯中水面距杯口的高度为z，经过时段d后水面高度下降了dz，作时段d内的微分物料衡算有： 积分得： 9-3 采用图9-3所示的双塔流程以清水吸收混合气中的SO2，气体经两塔后SO2总的回收率为0.9

5、1，两塔的用水量相等，且均为最小用水量的1.43倍，两塔的传质单元高度HOG均为1.2m。在操作范围内物系的平衡关系服从亨利定律。试求两塔的塔高。解：因是低浓度气体吸收，故两塔气相摩尔流率相可视为近似相等，又二塔液相摩尔流率也相等，故两塔操作的液气比相等，于是有 因，即，又。于是即A、B二塔的操作线与平衡线平行，于是有（可参考图示），故有说明：关于操作线与平衡线平行的问题对吸收而言，当时，无论采用何种方法计算，都会出现一个型的不定式，此时应牢记，因为此时在塔的任何截面上，传质的对数平均推动力都相等，现证明如下：不妨设，当时，则有。而此结论不仅适用于传质，同样也适用于传热的计算。9-4 一逆流操

6、作吸收塔如图所示混合气体由塔底引入，其中可溶组分的浓度（摩尔分率，下同），单位塔截面上的气相流率，吸收剂分两处加入。由塔顶加入的为纯溶剂，单位塔截面上的流率。从塔顶往下，经2米填料层高度后，又加入一股的吸收剂，单位塔截面上的流率，再经6m填料层高度后，液体由塔底引出。全塔各处的均为，物系平衡关系为，试求：（1）第二股吸收剂L2加入后，塔内该截面上的液相浓度（2）塔底排出的液相浓度（3）为使出塔气相浓度降低，第二股吸收剂的加入口是向上移还是向下移？为什么？ 解：依题意，塔上下两段的传质单元高度相同，且有：全塔物料衡算：（1） 设第二股吸收液与上塔段流下来的液相流混合后的浓度为，与之对应的气相组成

7、为，对上下两塔段作物料衡算有：上塔：（2） 下塔：（3） 两塔段的传质单元数因上塔段的操作线与平衡线平行（），故有塔上段： （4）塔下段： （5）式中 （1）联立求解方程组，将式（4）代入式（2）可得：，由式（1）得，再利用式（5），将均表示成的等式，即可求解出，所得结果如下：，即本题中的（2）前已解出：（3）为使出塔气体的浓度降低，第二股物流应在塔内液相浓度处所处的截面加入，这样才不致因第二股物流的进入产生返混，使塔的吸收效率发挥到最大。现对上塔段作计算，考察经过2m填料层高度后的液相组成显然，尚未达到0.01，故第二个加入口应下移。其物理解释如下：若第二股物流在原加入口加入，在第二股液流进

8、塔之前，因塔内液相浓度为，与第二股液流浓度不等，当第二股液流进塔后便会与塔上段下来的液流相混合，其混合后的浓度为三、概念题、思考题与练习题（一）概念题9-1 常压下用水吸收二氧化碳的低浓度系统，如在水中加碱，此系统( )。 (A)kG和KG都明显增大 (B)kG减小，KG增大 (C)kG基本不变，KG增大 (D)kG和KG都基本不变9-2 对一定的气体和稀溶液物系，相平衡常数m取决于 ( ) (A)温度和浓度 (B)温度和压强 (C)压强和浓度 (D)流速和浓度9-3 只要组分在气相中的分压_液相中该组分的平衡分压，解吸就会继续进行，直至达到一个新的平衡为止。 (A)大于 (B)小于 (C)等

9、于 (D)不等于9-4 低浓度难溶气体吸收，其他操作条件不变,入塔气量增加，气相总传质单元高度HOG、出塔气体浓度ya、出塔液体浓度xb将会有( )变化。 (A)HOG，ya，xb (B)HOG，ya，xb (C)HOG，ya，xb (D)HOG，ya，xb9-5 在逆流吸收塔内，入塔条件不变，填料层高度h0趋向无穷大，当吸收因数A<1时，气液相在( )处达到平衡。 (A)塔顶 (B)塔底 (C)塔中部 (D)塔中某一位置9-6 用纯溶剂逆流吸收混合气中的溶质，符合亨利定律。当入塔气体浓度上升属低浓度范围其他入塔条件不变，则气体出塔浓度ya和吸收率( )。 (A)ya， (B)ya， (

10、C)ya， (D)ya，9-7 正常操作的逆流吸收塔，因故吸收剂入塔量减少，以致使液气比小于原定的最小液气比，将会发生( )。(A)出塔液xb，吸收率 (B)出塔气ya，出塔液xb不变(C)出塔气ya，出塔液xb (D)在塔下部发生解吸现象9-8 温度_，将有利于解吸的进行。 (A) 降低 (B) 升高 (C)变化 (D)9-9 在解吸操作中，总压P和温度T( )，将有利于解吸的进行。 (A)P，T (B)P，T (C)P，T (D)P，T9-10 在 y-x 图上，操作线若在平衡线下方，则表明传质过程是( )。 (A)吸收 (B)解吸 (C)相平衡 (D)不确定（三）思考题 9-1 吸收的目

11、的和基本依据是什么？吸收的主要操作费用花费在哪里？ 9-2 选择吸收溶剂的主要依据是什么？什么是溶剂的选择性？ 9-3 E、m、H三者各自与温度、总压有何关系? 9-4 工业吸收过程气液接触的方式有哪两种? 9·5 扩散流JA，净物流N，传递速率NA相互之间有什么联系和区别？ 9-6 漂流因子有什么含义？等分子反向扩散时有无漂流因子？为什么？ 9-7 气体分子扩散系数与温度、压力有何关系？液体分子扩散系数与温度、黏度有何关系? 9-8 修伍德数、施密特数的物理含义是什么？ 9-9 传质理论中，有效膜理论与表面更新理论有何主要区别？ 9-10 传质过程中，何种情况是气相阻力控制?何种情

12、况是液相阻力控制？ 9-11 低含量气体吸收有哪些特点? 9-12 吸收塔高度计算中，将NOG与HOG分开，有什么优点？ 9-13 建立操作线方程的依据是什么? 9-14 什么是返混? 9-15 何谓最小液气比？操作型计算中有无此类问题？9-16 x2max与(L/G)min。是如何受到技术上的限制的？技术上的限制主要是指哪两个制约条件？ 9-17 有哪几种Nca的计算方法？用对数平均推动力法和吸收因数法求Not；的条件各是什么？9-18 Hca的物理含义是什么？常用吸收设备的HOG约为多少？9-19 吸收剂的进塔条件有哪三个要素？操作中调节这三要素，分别对吸收结果有何影响?9-20 吸收过程

13、的数学描述与传热过程的数学描述有什么类似与区别？9-21 高含量气体吸收的主要特点有哪些？9-22 化学吸收与物理吸收的本质区别是什么?化学吸收有何特点？9-23 化学吸收过程中，何时成为容积过程?何时成为表面过程？（三）练习题气液相平衡 9-1 在盛水的鼓泡吸收器中通人纯CO2气，经长期接触后测得水中CO2的平衡浓度为2.857×10 -2mol/L 溶液。鼓泡器中的总压为101.3kPa，水温30，溶液的密度 = 996kg/m3。求亨利系数，并将此实验值与文献值E = 188.5MPa作比较。答：E188.1MPa，偏差0.21 9-2 惰性气与CO2的混合气中CO2体积分数为

14、30，在表压1MPa下用水吸收。设吸收塔底水中溶解的CO2达到饱和，此吸收液在膨胀槽中减压至表压20kPa，放出大部分CO2，然后再在解吸塔中吹气解吸。 设全部操作范围内水与CO2的平衡关系服从亨利定律，操作温度为25。求1kg水在膨胀槽中最多能放出多少千克CO2气体。答：3.07×10-3kg CO2 9-3 20的水与N2气逆流接触以脱除水中溶解的O2气。塔底人口的N2气中含氧体积分数为0.1，设气液两相在塔底达到平衡，平衡关系服从亨利定律。求下列两种情况下，水离开塔底时的最低含氧量，以mg/m3水表示。 (1)操作压力(绝对)为101.3kPa。(2)操作压力(绝对)为40kP

15、a。答：(1)44.16mg/m3水；(2)17.51mg/m3水 9-4 气液逆流接触的吸收塔，在总压为101.3kPa下用水吸收Cl2气，进入塔底的气体混合物中含氯体积分数为1，塔底出口的水中含氯摩尔分数x0.8×10-5。试求两种不同温度下塔底的吸收推动力，分别以()及()表示。 (1)塔底温度为20；(2)塔底温度为40。 答： (1)1.09×10-5，5.76×10-3；(2)4.7×10-6，3.68×10-3 9-5 某逆流吸收塔塔底排出液中含溶质摩尔分数x2×10-4，进口气体中含溶质体积分数为2.5。操作压力为10

16、1kPa，气液平衡关系为y50x。 现将操作压力由101kPa增至202kPa，问塔底推动力()及()各增加至原有的多少倍。答：1.33，2.67 扩散与相际传质速率 9-6 柏油马路上积水2mm，水温20。水面上方有一层0.2mm厚的静止空气层，水通过此气层扩散进入大气。大气中的水汽分压为1.33kPa。问多少时间后路面上的积水可被吹干。答：0.58hr 9-7 某水杯中初始水面离杯上缘1cm，水温30，水汽扩散进入大气。杯上缘处的空气中水汽分压可设为零，总压101.3kPa。求水面下降4cm需要多少天?答：1.44×106s 9-8 某填料塔用水吸收混合气中的丙酮蒸气。混合气流率

17、为16kmol/(m2·h)，操作压力101.3kPa。已知容积传质系数kya64.6kmol/(m3·h)，kLa16.6kmol/(m3·h)(kmol/m3)，相平衡关系为pA4.62cA。式中气相分压pA的单位是kPa，平衡浓度单位是kmol/m3。求(1)容积总传质系数及传质单元高度HOG。(2)液相阻力占总传质阻力的百分数。答：(1)54.9kmol/(m3·h)，0.291m；(2)15.1 9-9 在设计某降膜吸收器时，规定塔底气相中溶质的摩尔分数y0.05，液相中溶质的摩尔分数x0.01。两相的传质系数分别为是kx8×10-4

18、kmol/(m2·s)，ky5×10-4kmol/(m2·s)。操作压力为101.3kPa时相平衡关系为y2x。试求：(1)该处的传质速率NA，单位为kmol/(m2·s)；(2)如果总压改为162kPa，塔径及气、液两相的摩尔流率均不变，不计压强变化对流体黏度的影响，此时的传质速率有何变化?讨论总压对ky、Ky，及()的影响。答：(1)6.66×10-6；(2)1.05×10-5，ky不变，Ky增加，()增加 吸收过程数学描述 9-10 对低含量气体吸收或解吸，由出发，试证。 9-11 低含量气体逆流吸收，试证：式中 为塔底的吸收推

19、动力；为塔顶的吸收推动力。9-12 用纯溶剂对低浓度气体作逆流吸收，可溶组分的回收率为，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、两个参数列出计算的表达式。答： 9-13 附图为两种双塔吸收流程，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、液相进口和出口摩尔分数。答略9-14 含量较高的溶液进入图示解吸塔塔顶，塔底吹气解吸，塔中部某处抽出一半液体，另一半液体由塔底排出，试在y-x图上画出平衡线与操作线，并标出各股流体的含量坐标。答略 吸收过程的设计型计算 9-15 流率为0.014kmol/(m2·s)的空气混合气中含氨体积

20、分数为2，拟用逆流吸收以回收其中95的氨。塔顶淋入摩尔分数为0.0004的稀氨水溶液，设计采用的液气比为最小液气比的1.5倍，操作范围内物系服从亨利定律y1.2x，所用填料的总传质系数Kya0.052kmol/(m3·s)。试求：(1)液体在塔底的摩尔分数x1；(2)全塔的平均推动力；(3)所需塔高。答：(1) 0.0113；(2) 2.35×10-3；(3) 2.18m 9-16 用纯溶剂对低含量混合气作逆流吸收以回收其中的可溶组分，物系的相平衡关系服从亨利定律，吸收剂用量是最小用量的13倍，试求下列两种情况下所需的塔高，已知传质单元高度Hoc；0.8m。(1)回收率90

21、。 (2)回收率99。(3)两种情况下的吸收剂用量有何差别?答：(1) 4.61m；(2) 11.3m；(3) L/L1.1 9-17 含H2S摩尔分数2.5×10-5的水与空气逆流接触以使水中的H2S脱除，操作在101.3kPa、25下进行，物系的平衡关系为y545x，水的流率为5000kg/(m2·h)。 试求：(1)为使水中H2S的摩尔分数降至x0.1×10-5所需的最少空气用量。(2)当空气用量为G = 0.40kmol/( m2·h)，设计时塔高不受限制，可以规定离解吸塔的水中含H2S最低摩尔分数是多少?示意画出该种情况下的解吸操作线。答：(1

22、) 0.489kmol/(m2·h)；(2) 5.43×10-6 9-18 采用图示的双塔流程以清水吸收混合气中的SO2，气体经两塔后SO2总的回收率为0.91，两塔的用水量相等，且均为最小用水量的1.43倍，两塔的传质单元高度HOG均为1.2m。在操作范围内物系的平衡关系服从亨利定律。试求两塔的塔高。答：2.8m，2.8m 9-19 某填料吸收塔用过热水蒸气吹出洗油中的苯，人塔液体中苯的摩尔分率为0.05，要求解吸率97，该物系相平衡关系为y2.8x，采用的过热蒸汽用量为最小气体用量的1.3倍，该填料的传质单元高度HOG = 0.3m，试求该塔的填料层高度。吸收过程的操作型计算 9-20 某吸收塔用25mm×25mm的瓷环作填料，充填高