化工原理(下册)第六章吸收习题答案.docx

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987Pa。试求：(1)溶解度系数H(kmolm-3Pa);(2)亨利系数E(Pa);(3)相平衡常数m；(4)总压提高到200kPa(表压州寸的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100(Ugm3)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”和E仅是温度的函数，故"必和与必不变；而n*FXP1m=yx=一,与7和P相关，故6AH=X0.928=0.309。pxpxp33分析(1)注意一些近似处理并分析其误差。12)注意E,”和切的影响因素，这是此题练习的主要内容之一。6-2在25下，CO2分压为50kPa的混合气分别与下述溶液接触：含CO2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，=0.0067的血/根3。(2)为解吸过程，c=0.0333kmolm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:3.347 ×10-4=299kPc推动力M = 20kPa （吸收） Pco2 Hcy 3.347 × W4= 149.4APa推动力Ap = 99AkPa （解吸）或者，用摩尔分数差表示时由%。2=蹴=L8xlO-4，判断出将发生吸收过程，推动力x=1.201×10-4;由Xg=9x10：判断出将发生解吸过程，推动力Ar=5.99l(T4(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。(1)含SO2为0.001(摩尔分数)的水溶液与含SO2为0.03(摩尔分数)的混合气接触，总压为101.3kPa,t=35°C;(2)气液组成及总压同(1),t=15°C;(3)气液组成及温度同(1),总压为30OkPa(绝对压力)。解根据化工原理教材中表8-1知丁=35时，SO2的E=0.567×104,故根据相平衡关系，得由于£力，所以将发生解吸过程。传质推动力为（2）T=15°C时，SCh的E=0.294×104,故根据相平衡关系，得由于y；%，所以将发生吸收过程。传质推动力为同理可知，当7=35,p=300kPa时，E=0.567l0鼠尸小故m=三=瓜9P由于y；%，所以将发生吸收过程。推动力为示意图见题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。64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1000it?,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(11P)。0.12/0.88IOOOXIOI325 八 889×1013250.12×0.01×8.314x2988.314× 298= 4544"zo/,为 77.3kgo解惰性气体量V=1000×0.88=880m3,进口中NH3之量为120加,出口中NH3之量为1202%=9加3,于是总出气量=880÷9=8893被吸收的NE量为分析(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)假设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2.6xl0-5rn2s,大气压强为1.013xl()5pa。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2.3346kPa0条件为：代入上式得：水的摩尔质量M=I8Zg匕o/,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量，即NAAde=AdZ则金色M=a=9,054xl0%/SAMdp100O½6>=o,Z=O到e=O,z=2x1o-m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y="，液气比为0.8,求：415(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；液体出口最高组成是多少此时的吸收率又是多少图(a)时，题6-6图0.01V 0.1 I I 11 1 _ Y - 111(2)假设改为并流操作，解逆流操作(题6-6X2一一，L一一21-0.011-0.1当V=0.8<m=l,以及塔高无穷高时,在塔底到达两相平衡(题8-9图(b),XlmaX=Xi"=Kzn=°ll。根据物料衡算可知此时，吸收率为当V=1.5>m=l,以及塔高无穷高时,在塔顶到达吸收平衡(题8-9图(b),匕min=石=m2=00。仍可以根据物料衡算"X/X2)=V(K-%miJ，求出(2)并流操作且V=0.8时(题8-9图(C),因为"=00,所以有根据操作线关系,有式，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，但吸收率不是最局。6-7用水吸收气体中的SCh,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lg1000go塔中操作压力为10.13kPa(表压)，现气相传质分系kG=0.3×10'2kmol/(m2hkPa),液相传质分系数的=0.4mho操作条件下平衡关系y=50x。求总传质系数Ky(kmol(m2h)。解根据N=二LKN二”Apby)、=KyPA二屋A丫V-y-JrO-yX1-)p(1-yX1-/)p(-yX-/)和得P=XWAkPa,y=0.02,y=mx.=50×-l1/64,-=2.81×1()4,因此要先1a1/64+1000/18根据下式求出KG才能求出Ky：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。68在1.013xl05pa、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=0.511kPam3kmol,气膜吸收分系数ZG=I.55xl5kmol(m2skPa),液膜吸收分系数h=2.08xl()5(ms)°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NA=KG(PA-p：)=M(c；-CA)和p；=g,可知Ll所以只要求出KG即可。又所以因为;为气相阻力，J为总阻力，故GKG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1.013×105Pao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2.1IkmoI11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NA=KG(-/)求出。其中于是可得分析此时，根据NA=KG(P-PJ=I.55l0-5(5.07p,)=5.68l0-5,还可以计算出气液界面气相侧中的甲醇分压(Pi=I.405kPa)以及液相侧中的甲醇浓度(G=HPi=2.74SkmoI/病)，此值远高于主体溶液中的甲醛浓度。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2加。病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(3)假设将题目中甲醇浓度改为2公加利3,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)611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=545xlO1.3kPa。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。解：yl=0.02y2=0.001E=5.52×104KPaP=101.33KPa则Yl=0.0204Y2=0001=0.0011-0.021-0.001又据全塔物料衡算L(XI-X2)=V(Yl-Y2)即操作液气比上为776.25出口液相组成X1为2.5X105V612用纯水逆流吸收气体混合物中的SO2,SO2的初始浓度为5%(体积分数),操作条件下的相平衡关系为y=5.0x,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,LG<m=5.0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,LG>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<加时，气体的极限剩余浓度随G增大而减小；当G>m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SCh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SO2o操作条件下气、液平衡关系为y=26.73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S02质量求得混合气中惰性气体的流量根据物料衡算解得U=4.35x10-51._X_0.087-4.35x10-5Vjrnin=Xle-X2=0.087/26.7则L=1.65Lmin=1.65×26.7×359.375=1.58×104kmoUh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，采用的液气比是最小液气比的P倍。物系平衡关系服从亨利定律。试以小用两个参数列出计算NOG的表达式。解：令进塔气体浓度为yl,则出塔气体浓度为j½=Yi(1-)2=In也由上题证明的结果：NoG=31-my1=y1-三1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.=0.091,x2=0.0099所以Y2=YlO-7)=。09W-085)=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N*中整理得：逆流改为并流后，因KYa不变，即传质单元高度HW不变，故NOG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100Om3Zh(标准状况)，原料气中含甲醇100gm3,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y=1.15x,甲醇的回收率为98%,Ky=0.5kmol(m2h),塔内填料的有效比外表积为190m2r113,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x1=67%X：=0.0408,X1=-=0.04251-玉(1)根据全塔的甲醇物料衡算式L(Xl-X2)=V(X-")可以得出用水量(2)塔径DT=、但=/X1000/3包二0§,可圆整到0.84m。V7uVrx.5(3)由于是低浓度吸收，故可以将y=1.15x近似为y=1.15X,并存在KYaK八则可进展以下计算：填料层高度先计算气相总传质单元数:再计算气相总传质单元高度最终解得H=6.7"i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K,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，丫可取匕和丫2的平均值；-可取R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0.01（摩尔分率，下同）,吸收在常压、温度为IOe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、吸收推动力和阻力假设何变化，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2250m3h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10L3kPa.25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Kya；(2)每小时回收的丙酮量，kg/ho解：(1)M硼=58x =60/5860/58+1000/18= 0.01828405-0.0026=2.59由全塔物料衡算:Gxx20.018280HSHCC=0.695N°。7.19CiOr：.Ka=:/0.695=0.M69kmol(m3s)HoG-×12×36004(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，NOG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：贝UA=2=L1竺=1.38KYaHOG1.063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.减小传质阻力，从而提高别离效果620某填料吸收塔高2.7m,在常压下用清水逆流吸收混合气中的氮。混合气入塔的摩尔流率为0.03kmol(m2s),清水的喷淋密度0.018kmol(m2s)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60kPa0试求排出气体中氮的浓度。解：w=Ep=60/101.3=0.6G=0.018/0.03=0.6=相即操作线与平衡线平行，此时故NoG=纪=9.0NOG=2LZ2i=2所以9.()=°.02-%03%J2解得%=0.0026-21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)，尸0.001,回收率可达90%.物系的平衡关系为y=2x<>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：(1)=y0-)=×(i-0.9)=0.001当马上升时，由于H不变，”0G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0.036kmolm2.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=1.2x<>气相总传系数Kya为0.0483kmolm3s,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)对吸收塔作物料衡算吸收塔内液气比为全塔物料衡算其中X=÷=002÷.=001289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X2x1-£+x2L_O.Ix1L+x2L_0.1xl+0.00031.+L-0.1L+L-TT吸收塔内液气比全塔物料衡算y1-V20.91×0.02.r.7172+X7=+/,1.JG-1.59联立、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Kya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，以便于从乏册中查找有关数据，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KyQ的步骤如下：（1）在稳定操作条件下测出L,V,H,X2（=0），匕匕以及温度;（2）依据平衡关系求出平均推动力Ay四（3）量出塔径DTm=烟及填料层高度H；（4）将以上各量代入式，及求得Ky。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Xl会假设何改变？(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InA用清水吸收混合气中的氨气，混合气量为0.06kmols,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(m3s),且KyaoCGO/操作压力10L33kPa,操作温度30,在此条件下，气液平衡关系为y=L2x,试求：(I)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，所以则L=叱=0.702:.Y2=Y2,则NoG不变又因为V y V10-2 Cr V° HoGlHOG=WyTH >H 则假设不成立，不能满足要求(3)在H不变时，Hog.则NoG1，又因为'与m均不变，J需要LT或者换用更加高效的填料思考题6-1吸收的目的和根本依据是什么吸收的主要操作费用花费在哪里答：目的是别离气体混合物,依据是气体混合物中各组分在溶剂中的溶解度不同；操作费用主要花费在溶剂再生，溶剂损失。6-2选择吸收剂的主要依据是什么什么是溶剂的选择性答：溶解度大，选择性高，再生方便，蒸气压低，损失小。溶剂对溶质溶解度大,对其他组分溶解度小。63E、m、H三者各自与温度、总压有何关系答：m、E、H均随温度上升而增大，E、H根本上与总压无关，m反比于总压。6-4扩散流JA,净物流N,传质速率NA相互之间有什么联系和区别答：N=NM+Ja+Jb，NA=JA+NmCCm。(，乙浓度梯度引起，NM微压力差引起，NA溶质传递。6-5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答：表示了主体流动对传质的奉献无漂流因子，因为没有主体流动6-6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、黏度有何关系答：气体分子扩散系数与温度的1.5次方成正比，总压力成反比；液体扩散系数与温度成正比，与粘度成反比。6-7传质过程中，何种情况是气相阻力控制何种情况是液相阻力控制答:当lKy>>旬Kr时，此时传质阻力主要集中于气相，称为气相阻力控制过程；当1/(ZKJ<<1E时，此时传质阻力主要集中于液相，称为液相阻力控制过程。6-8低含量气体吸收有哪些特点答：G、L为常量，等温过程，传质系数沿塔高不变6-9吸收塔高度计算中，将NOG与HOG分开有什么优点答：别离任务难易与设备效能上下相对分开，便于分析。6-10建设操作线方程的依据是什么答：塔段的物料衡算。6-11什么是返混返混对塔的别离结果有什么影响答：在有降液管的塔板上，液体横流过塔板与气体呈错流状态，液体中易挥发组分的浓度将沿着流动的方向逐渐下降，但是当上升气体在塔板上使液体形成涡流时，浓度高的液体和浓度低的液体就混在一起，破坏了液体沿流动方向的浓度变化，这种现象叫返混现象。6-12何谓最小液气比答：操作先于平衡线相交或者相切时对应的L/V称为最小液气比。6-13X2max与(L/G)min是假设何受到技术上的限制的答：通常，工2WX=%/m，(G)mM=(y-%)/(刈-)。因此，技术上的限制主要是指相平衡和物料衡算。6-14有哪几种Nog的计算方法用对数平均推动力法和吸收因数求NOG的条件各是什么答：对数平均推动力法，吸收因数法，数值积分法。相平衡分别为直线和过原点直线。6-15Hog的物理含义是什么常用吸收设备的HOG约为多少答：气体流经这一单元高度塔段的浓度变化等于该单元内的平均推动力。0.151.5m。6.16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答：t、X2、Lotj,X21，LT均有利于吸收。