化工原理第五章吸收课后习题及答案

化工原理第五章吸收课后习题及答案

第五章吸收相组成的换算【5-1】空气和CO2的混合气体中，CO2的体积分数为20%，求其摩尔分数y和摩尔比Y各为多少？解因摩尔分数=体积分数，.02y=摩尔分数摩尔比..020251102yYy===--．【5-2】20℃的l00g水中溶解lgNH3,NH3在溶液中的组成用摩尔分数x、浓度c及摩尔比X表示时，各为多少？解摩尔分数//117=0．010*******／18x=+浓度c的计算20℃，溶液的密度用水的密度./39982skgmρ=代替。溶液中NH3的量为/311017nkmol-=?溶液的体积/.33101109982Vm-=?溶液中NH3的浓度//.33311017==0．581／101109982nckmolmV--?=?或.3998200105058218sscxkmolmMρ==?=．．／NH3与水的摩尔比的计算或..00105001061100105xXx===--．【5-3】进入吸收器的混合气体中，NH3的体积分数为10%，吸收率为90%，求离开吸收器时NH3的组成，以摩尔比Y和摩尔分数y表示。吸收率的定义为解原料气中NH3的摩尔分数0.1y=摩尔比(11101)01111101yYy===--吸收器出口混合气中NH3的摩尔比为摩尔分数(22200111)=0010981100111YyY==++气液相平衡【5-4】l00g水中溶解lg3NH，查得20℃时溶液上方3NH的平衡分压为798Pa。此稀溶液的气液相平衡关系服从亨利定律，试求亨利系数E(单位为kPa)、溶解度系数H[单位为/()3kmolmkPa?]和相平衡常数m。总压为100kPa。解液相中3NH的摩尔分数/.//1170010511710018x==+气相中3NH的平衡分压*.0798PkPa＝亨利系数*./.0798*******Epx===／液相中3NH的浓度/./.333110170581101109982nckmolmV--?===?／溶解度系数/*./../(3058107980728HcpkmolmkPa===?液相中3NH的摩尔分数//1170010511710018x==+．／气相的平衡摩尔分数**.0798100ypp==／／相平衡常数*(079807610000105)ymx===?或//.76100076mEp===【5-5】空气中氧的体积分数为21%，试求总压为.101325kPa，温度为10℃时，31m水中最大可能溶解多少克氧？已知10℃时氧在水中的溶解度表达式为*.6331310px=?，式中*p为氧在气相中的平衡分压，单位为kPax；为溶液中氧的摩尔分数。解总压.101325pkPa=空气中2O的压力分数.021App==／体积分数空气中2O的分压*..021101325ApkPa=?亨利系数.6331310EkPa=?(1)利用亨利定律*ApEx=计算与气相分压..021101325ApkPa=?相平衡的液相组成为*...62602110132564210331310ApxkmolOkmolE?===??．／溶液此为1kmol水溶液中最大可能溶解.6264210kmolO-?因为溶液很稀，其中溶质很少1kmol水溶液≈1kmol水=18kg水10℃，水的密度.39997kgmρ=／故1kmol水溶液≈.3189997m／水即.3189997m水中最大可能溶解.664210kmol-?氧故31m水中最大可能溶解的氧量为(2)利用亨利定律*AAcpH=计算31m水中最大可能溶解的氧量为*(..)(.).543202110132516761035710AAcpHkmolOm--==??=?／溶液【5-6】含NH3体积分数1.5%的空气-NH3混合气，在20℃下用水吸收其中的NH3总压为203kPa。NH3在水中的溶解度服从亨利定律。在操作温度下的亨利系数80EkPa=。试求氨水溶液的最大浓度，33NH／kmolm溶液。解气相中3NH的摩尔分数.0015y=总压203pkPa=，气相中3NH的分压*.2030015AppykPa==?(1)利用亨利定律*pEx=计算与气相分压p相平衡的液相中NH3的摩尔分数为3NH水溶液的总浓度./3998218ssckmolmMρ≈=水溶液中3NH的最大浓度.99820038118Accx==?．./33211kmolNHm=溶液(2)利用亨利定律*AAcpH=计算()*(.)..3320300150693211kmolNH/mAAcpH==?=溶液【5-7】温度为20℃，总压为0.1MPa时，CO2水溶液的相平衡常数为m=1660。若总压为1MPa时，相平衡常数m为多少？温度为20℃时的亨利系数E为多少MPa?解相平衡常数m与总压p成反比，.'01时1660，1pMPampMPa===时亨利系数''166EmpmpMPa===【5-8】用清水吸收混合气中的NH3，进入吸收塔的混合气中，含NH3体积分数为6%，吸收后混合气中含NH3的体积分数为0.4%，出口溶液的摩尔比为30012kmolNHkmol．／水。此物系的平衡关系为*.076YX=。气液逆流流动，试求塔顶、塔底的气相传质推动力各为多少？解已知.1006y=，则()/./..111100609400638Yyy=-==已知.20004y=，则()./..32000410004=40210Y=-?已知10.012X=，则*10.760.0120.00912Y=?=已知20X=，则*20Y=塔顶气相推动力*32224.0210=YYY-?=-?塔底气相推动力*1110.06380.009120.0547YYY?=-=-=【5-9】CO2分压力为50kPa的混合气体，分别与CO2浓度为./3001kmolm的水溶液和CO2浓度为.3005kmolm／的水溶液接触。物系温度均为25℃，气液相平衡关系*.5166210pxkPa=?。试求上述两种情况下两相的推动力（分别以气相分压力差和液相浓度差表示），并说明CO2在两种情况下属于吸收还是解吸。解温度25℃t=，水的密度为/3s997kgmρ=混合气中CO2的分压为50pkPa=水溶液的总浓度/39718ssckmolmMρ≈=水溶液(1)以气相分压差表示的吸收推动力①液相中CO2的浓度.32001AckmolCOm=／水溶液液相中CO2的摩尔分数././4001=180********Axcc-==?与液相平衡的气相平衡分压为气相分压差表示的推动力*503020pppkPa?=-=-=（吸收）②液相中CO2的浓度30.05kmolm／Ac=水溶液液相中CO2的摩尔分数40.05/9.02710997/18Axcc-===?与液相平衡的气相平衡分压为气相分压差表示的推动力*15050100pppkPa?=-=-=（解吸）(2)以液相浓度差表示的吸收推动力与气相250COpkPa=分压平衡的液相组成为平衡的液相浓度①液相中CO2的浓度./32001AckmolCOm=水溶液液相浓度差表示的推动力为*...3001666001000666kmol／mAAccc?=-=-=（吸收）②液相中CO2的浓度320.05CO/Ackmolm=水溶液液相浓度差表示的推动力为*.../300500166600333AAccckmolm?=-=-=（解吸）吸收过程的速率【5-10】如习题5-10附图所示，在一细金属管中的水保持25℃，在管的上口有大量干空气(温度25℃，总压101.325kPa)流过，管中的水汽化后在管中的空气中扩散，扩散距离为l00mm。试计算在稳定状态下的汽化速率，习题5-10附图()2kmolms?／。解25℃时水的饱和蒸气压为.32895kPa从教材表5-2中查得，25℃，.101325kPa条件下，H2O在空气中的分子扩散系数././2420256025610Dcmsms-==?。扩散距离.m10001Zmm==，总压101.325pkPa=水表面处的水汽分压.132895ApkPa=空气分压..1110132532895BAppp=-=-管上口处有大量干空气流过，水汽分压20Ap=空气分压.2101325BpkPa=空气分压的对数平均值为水的汽化速率【5-11】用教材图5-10（例5-4附图）所示的装置，在温度为48℃、总压力为.101325kPa条件下，测定CCl4蒸气在空气中的分子扩散系数。48℃时，CCl4的饱和蒸气压为37.6kPa，液体密度为/31540kgm。垂直管中液面到上端管口的距离，实验开始为2cm，终了为3cm，CCl4的蒸发时间为.4155610s?。试求48℃时，CCl4蒸气在空气中的分子扩散系数。解计算48℃时CCl4蒸气在空气中的分子扩散系数，计算式为已知CCl4液体密度/31540kgmρ=48℃时CCl4的饱和蒸气压.376ApkPa=总压.10132527348321pkPaTK==+=，开始02Zcm=，终了3Zcm=CCl4的蒸发时间.4155610sθ=?CCl4的摩尔质量/154Mkgkmol=摩尔气体常数.()8314RkJkmolK=?／已知数据代入计算式，得扩散系数./200912Dcms=【5-12】用清水在吸收塔中吸收混合气中的溶质A，吸收塔某截面上，气相主体中溶质A的分压为5kPa，液相中溶质A的摩尔分数为0.015。气膜传质系数./()522510Ykkmolms-=??，液膜传质系数./()323510Xkkmolms-=??。气液平衡关系可用亨利定律表示，相平衡常数0.7m=。总压为.101325kPa。试求：(1)气相总传质系数YK，并分析吸收过程是气膜控制还是液膜控制；(2)试求吸收塔该截面上溶质A的传质速率AN。解(1)气相总传质系数YK气膜阻力/()/421410Ykmskmol=??，液膜阻为22210()/／xmkmskmol=??。气膜阻力与总阻力的比值为441/4100.9951/4.0210YYkK?==?，为气膜控制。(2)传质速率AN【5-13】根据，Aiippyppy==及，Aiiccxccx==，试将传质速率方程()()AGAiLiANkppkcc=-=-变换成()()AyixiNkyykxx=-=-的形式。yGxLkkkk与、与有何关系。解()()()()=AGAiGiGiyiNkppkpypypkyykyy=-=--=-式中yGkpk=式中xLkck=吸收塔的计算【5-14】从矿石焙烧炉送出的气体含体积分数为9%的2SO，其余视为惰性气体。冷却后送入吸收塔，用水吸收其中所含2SO的95%。吸收塔的操作温度为30℃，压力为100kPa，每小时处理的炉气量为31000m30100kPa（℃、时的体积流量），所用液-气比为最小值的1.2倍。求每小时的用水量和出塔时水溶液组成。平衡关系数据为解①最小液一-比*min1212GXX??=?-??的计算吸收剂为水，20X=，总压100pkPa=原料气中2SO分压211000099SOPpykPa==?=．从平衡数据内插，得液相平衡溶解度220868100kgSOkgHO．换算为摩尔比*././310868642441010018X-==?最小液-气比*min(1212)00989000495385000244YYLGXX--??===?-??②用水量计算已知炉气流量/()3100030100mhkPa，℃标准状态下理想气体的摩尔体积为3.m/kmol(..)22427315101325KkPa，炉气的摩尔流量为惰性气体流量G..kmol/3971009361=-=（．）吸收用水量L..kmol/h4623611668=?=③出塔水溶液的组成【5-15】在一吸收塔中，用清水在总压.01MPa、温度20℃条件下吸收混合气体中的CO2，将其组成从2%降至0.1%（摩尔分数）。20℃时CO2水溶液的亨利系数144EMPa=。吸收剂用量为最小用量的1.2倍。试求：(1)液-气比L/G及溶液出口组成1X。(2)试求总压改为1MPa时的L/G及1X。解(1)总压./101pMPaLGX=时及(2)总压1pMPa=时的/1LGX及从上述计算结果可知，总压从0.1MPa增大到1MPa，溶液出口组成从.511810-?增加到.411810-?。【5-16】用煤油从苯蒸气与空气的混合物中回收苯，要求回收99%。入塔的混合气中含苯2%（摩尔分数）；入塔的煤油中含苯0.02%（摩尔分数）。溶剂用量为最小用量的1.5倍，操作温度为50℃，压力为100kPa，相平衡关系为*.036YX=，气相总传质系数.()30015／YKakmolms=?。入塔混合气单位塔截面上的摩尔流量为.()20015kmolms?／。试求填料塔的填料层高度，气相总传质单元数用对数平均推动力法及吸收因数法的计算式计算。解(1)气相总传质单元高度OGH计算入塔混合气的流量G'.kmol(ms)20015Ω=?=／惰性气体流量()()GG'y.kmol(ms)2110015100200147ΩΩ=-=?-=?．．／(2)气相总传质单元数OGH计算..111002002041098yYy===-．，回收率099η=．①吸收因数法计算OGN②对数平均推动力法计算OGN(3)填料层高度Z计算【5-17】混合气含CO2体积分数为10%，其余为空气。在30℃、2MPa下用水吸收，使CO2的体积分数降到0.5%，水溶液出口组成41610X-=?（摩尔比）。混合气体处理量为/32240mh（按标准状态，.,27315101325KPa），塔径为1.5m。亨利系数188EMPa=，液相体积总传质系数(/)3350LKakmolmhkmolm?=??，。试求每小时用水量及填料塔的填料层高度。解(1)用水量计算....,...31122010005010111000550310090995yYYY-======?，，．，41610X-=?，20X=混合气流量2240'10022.4Gkmolh==／惰性气体流量()()GG'y.kmolh1110010190=-=-=／用水量G(YY)(..)L.kmol/hXX41241290011100050315910610----===?-?(2)填料层高度Z计算水溶液的总浓度/././3995718553sscMkmolmρ≈==体积传质系数./()3553502765XLKacKakmolmh==?=?液相总传质单元高度.(.)42159102765154OLXLHKaΩπ?==??①对数平均推动力法计算OLN气液相平衡常数188942Emp===液相总传质单元数②吸收因数法计算OLN填料层高度...32627389OLOLZHNm=?=?=【5-18】气体混合物中溶质的组成.1002Y=（摩尔比），要在吸收塔中用吸收剂回收。气液相平衡关系为*.10YX=。(1)试求下列3种情况下的液相出口组成1X与气相总传质单元数OGN(利用教材中图5-23)，并迸行比较，用推动力分析OGN的改变。3种情况的溶质回收率均为99%。①入塔液体为纯吸收剂，液-气比/.20LG=；②入塔液体为纯吸收剂，液-气比.12LG=／；③入塔液体中含溶质的组成.200001X=（摩尔比），液-气比.12LG=／。(2)入塔液体为纯吸收剂，最小液-气比min().／08LG=，溶质的回收率最大可达多少？解(1)求1OGXN与回收率..1099002Yη==，，相平衡常数m=1①2022XLGLmG===，／，／(2212000020)0010020YmXYmX--==--查图5-23，得.78OGN=②,.,.201212XLGLmG===／／.2212001YmXYmX-=-查图5-23，得17OGN=③.,.,.2000011212XLGLmG===／／查图5-23，得21OGN=计算结果比较：②与①比较，2X相同，/LG减小时，操作线斜率减小，向平衡线靠近，推动力减小。为达到一定的溶质回收率要求（即达到一定的2Y要求），OGN需要增大，同时1X也增大了。③与②比较，/LG相同，使2X增大，即操作线斜率相同，操作线向平衡线平行靠近，使推动力减小，OGN增大，同时1X也增大了。(2)minmin(/),/).20(08，0．8LGXLGm===当液体出口组成1X与气体进口组成达平衡时，溶质的回收率为最大，即*11XYm=／由物料衡算得min*()12121211122YYYYYYLYYGXXXmm---===--回收率()min/..1210808LGYYLYmGmη-=====溶质的回收率最大可达80%。【5-19】某厂有一填料塔，直径880mm，填料层高6m，所用填料为50mm瓷拉西环，乱堆。每小时处理32000m混合气（体积按25101.33与kPa℃计），其中含丙酮摩尔分数为5%。用清水作吸收剂。塔顶送出的废气含丙酮摩尔分数为0.263%。塔底送出来的溶液，lkg含丙酮61.2g。根据上述测试数据计算气相体积总传质系数YKa。操作条件下的平衡关系为*2.0YX=。上述情况下，每小时可回收多少千克丙酮？若把填料层加高3m，可以多回收多少丙酮？解(1)计算体积总传质系数YKa先从已知数据求OGN相平衡常数2m=塔底排出的水溶液，每l000g含丙酮61.2g丙酮的摩尔质量为/58kgkmol传质单元数()()****ln121211221122OGmYYYYNYYYYYYYYY--==?---??-?-??OGN也可用吸收因数法计算从教材图5-23查得8OGN=或用计算式求出OGN..2081247mGL===8.03已知填料层高度6Zm=，计算.60758OGOGZHN===再从式OGYGHKaΩ=计算YKa惰性气体流量(.).(.)32000100520000952010133GmhkPa=?-=?／℃，理想气体在.273101325KkPa、时的摩尔体积为./3224mkmol在.298101325KkPa、下的摩尔体积为塔截面积().2220880．60844TΩDmππ==?=体积总传质系数(2)每小时丙酮回收量为(3)填料层加高.3，Z639，075OGmmH=+==则,..912124075OGOGZLNHmG====从教材图5-23查得'210023YY=．填料层9Zm=时，丙酮的回收量为多回收丙酮.../399388011kmolh-=也可以如下计算【5-20】有一填料吸收塔，用清水吸收混合气中的溶质A，以逆流方式操作。进入塔底混合气中溶质A的摩尔分数为1%，溶质A的吸收率为90%。此时，水的流量为最小流量的1.5倍。平衡线的斜率m=l。试求：(1)气相总传质单元数OGN；(2)若想使混合气中溶质A的吸收率为95%，仍用原塔操作，且假设不存在液泛，气相总传质单元高度OGH不受液体流量变化的影响。此时，可调节什么变量，简便而有效地完成任务？试计算该变量改变的百分数。解已知.120010810ymXη====，．，，(1)计算气相总传质单元数OGN(2)要想使吸收率从90%提高到95%，可增大吸收剂用量填料层高度OGOGZHN=对于已有的填料塔，其填料层高度已定，吸收剂用量改变不会改变OGH。因此，OGN不会改变，仍为.464OGN=。新工况下，()()'.421110950010150510YYη-=-=-?=?．．用.464OGN=与'2212005YmXYmX-=-．，从图5—23查得为了使吸收率从90%提高到95%，L／G需要从1.35增加到2.1，增加的百分数为【5-21】某填料吸收塔的填料层高度已定，用清水吸收烟道气中的CO2，CO2的组成为0.1（摩尔比），余下气体为惰性气体，液一气比为180，吸收率为95%。操作温度为30℃，总压为2MPa。CO2水溶液的亨利系数由教材中表5-1查取。试计算下列3种情况的溶质吸收率η、吸收液（塔底排出液体）组成1X、塔内平均传质推动力mY?，并与原有情况进行比较：(1)吸收剂由清水改为组成为0.0001（摩尔比）的CO2水溶液；(2)吸收剂仍为清水，操作温度从30℃改为20℃；(3)吸收剂为清水，温度为30℃