化工原理下冊第二章

1、第二章吸收 1.從手冊中查得KPa、25 C時(shí)，若100 g水中含氨1 g，則此溶液上方的 氨氣平衡分壓為KPa。已知在此組成范圍內(nèi)溶液服從亨利定律，試求溶解度系 數(shù)H (kmol/ (m 3 kPa)及相平衡常數(shù)m。 解：(1)求H 由 FNh3 CNHa H .求算. 已知：PNH3 0.987kFa.相應(yīng)的溶液濃度Cnh3可用如下方法算出: 以100g水為基準(zhǔn)，因?yàn)槿芤汉芟?故可近似認(rèn)為其密度與水相同.并取其值為 1000kg/m3.則: 1/17 CNH 0.582kmol/m3 100 1 1000 . 2. cnh3 / FnH3 yNH yNH 求m.由 XNH kpa 、 10

2、 027隔阮如3 mNH3XNH3 Pnh30.987 0.00974 P 101.33 1170.0105 1/17 100/18 .0.00974 cccc yNH3 / XNH30.928 330.0105 C時(shí)，氧氣在水中的溶解度可用po=X106x表示。式中：PO2 為氧在氣相中的分壓，kPa、x為氧在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)。試求在此溫度及壓強(qiáng) 下與空氣充分接觸后的水中，每立方米溶有多少克氧。 解：氧在空氣中的摩爾分?jǐn)?shù)為0.21.故: FO2 Py101.33 0.21 21.28kF f 懸6 於 6.43 106 因Xo2值甚小，故可以認(rèn)為X X 即：X。 XO2 6.43 10 g(

3、O2) 3 m (H2O) 所以：溶解度 6.43 108.314 293 5 10 3101.33 2.3346 1.14 105kg(O2)/kg(H2O) 11.4 1 18 )及相平衡常數(shù)m并計(jì)算每100克與該氣體相平 3.某混合氣體中含有2%(體積)CO,其余為空氣?；旌蠚怏w的溫度為30 C, 總壓強(qiáng)為kPa。從手冊中查得30 C時(shí)CO在水中的亨利系數(shù)E=KFa試求溶解 度系數(shù) H(kmol/ (m kPa 衡的水中溶有多少克CO。 (2). (1) 解：(1).求H由H EMh2o求算. EM H2O 1000 105 18 2.955 10 4kmol/(m3 kFa) 1.88

4、 506.6 105 371 0.02時(shí).100g水溶解的CO2 506.6 0.0210.13kFa fco2 巴210.135 x 255.39 10 E 1.88 105 因x很小，故可近似認(rèn)為X x X 5.39 10 5匹空d5.39 10 5岸)坦理 kmol(H2O) 18 kg(H2。) 1.318 104 kgd) kg(H2O) 故100克水中溶有CO20.01318gCO2 4在kPa、0 C下的Q與CO昆合氣體中發(fā)生穩(wěn)定的分子擴(kuò)散過程。已知相 距cm的兩截面上Q的分壓分別為kPa和kPa ,又知擴(kuò)散系數(shù)為cm2/s ,試計(jì)算 下列兩種情況下 Q的傳遞速率，kmol/(m

5、 2 s): (1) O2與CO兩種氣體作等分子反向擴(kuò)散。 (2) CO氣體為停滯組分。 解：(1)等分子反向擴(kuò)散時(shí)O2的傳遞速率： Na -(Pai Pa2) RTZ 252 D 0.185cm /s 1.85 10 m /s. T 273K P 101.325kFa.Z 0.2cm2 10 3m PA1 13.33kFa.FA2 6.67kPa Na 1.85 10 5 8.314 273 2 10 (13.33 6.67) 52 2.71 10 (kmol/m s) (2) O2通過停滯CO的擴(kuò)散速率 Na DP RTZ&m (Pa1 PA2) 1.85 10 5 101.33 8.31

6、4 273 2 10 in101*33 詢 101.33 13.33 3.01 10 5kmol /m2 s 5. 一淺盤內(nèi)存有2 mm厚的水層，在20 C的恒定溫度下逐漸蒸發(fā)并擴(kuò)散 到大氣中。假定擴(kuò)散始終是通過一層厚度為5 mm的靜止空氣膜層，此空氣膜層 以外的水蒸氣分壓為零。擴(kuò)散系數(shù)為x10-5 m/s，大氣壓強(qiáng)為KPa。求蒸干水層 所需的時(shí)間。 解: 這是屬于組分(A)通過停滯組分的擴(kuò)散。 已知擴(kuò)散距離(靜止空氣膜厚度)為Z 5 10 3m.水層表面的水蒸氣分壓(20：C) 的飽和水蒸氣壓力為PA1 2.3346kPa. 靜止空氣膜層以外；水蒸氣分壓為Pa20 52 D 2.6 10 m

7、 /s.P 101.33kPa.T 273 20293K 單位面積上單位時(shí)間的水分蒸發(fā)量為 DPDPPB2 Na(Pa1 Pa2)in 衛(wèi) RTZPBmRTZPb1 5.03 10 6kmol /(m2 s) 故液面下降速度： 2.6 10 5 101.33101.33 n * Na Ma L 5.03 10 6 18 998.2 9.07 10 8m/s 水層蒸干的時(shí)間: h djd 5 10 9.07 10 2.205 104s 6.125h 6.試根據(jù)馬克斯韋爾-吉利蘭公式分別估算0 C、kPa時(shí)氨和氯化氫在空 氣中的擴(kuò)散系數(shù)D (m2/s)，并將計(jì)算結(jié)果與表2-2中的數(shù)據(jù)相比較。 解：

8、(1).氨在空氣中的擴(kuò)散系數(shù) 查表2.4知道，空氣的分子體積： VB 29.9cm3/mol 氨的分子體積： VA 25.8cm3 / mol 又知 Mb 29g /mol.M A 17g/ mol 則0：C.101.33kFa時(shí)，氨在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)可由 Maxwea Gilliland式計(jì)算. DNH3 4.36 10 5 (273)3/2 101.33(25.8)1/3(29.9)1/3 10614 105m2/s (2)同理求得 52 Dhci 1.323 10 m /s 7.在kPa、27 C下用水吸收混于空氣中的甲醇蒸氣。甲醇在氣、液兩相中 的組成都很低，平衡關(guān)系服從亨利定律。已知

9、溶解度系數(shù)H= kmol/(m 3 kPa), 氣膜吸收系數(shù)kG=x 10-5 kmol/(m2 s kPa)，液膜吸收系數(shù)kL=x 10-5 kmol/(m2 kmol/m3)。試求總吸收系數(shù)Kg，并算出氣膜阻力在總阻力中所占百分 數(shù)。 解：總吸收系數(shù) Kg kG Hkc 1 1 1 52 1.122 10 kmol /(m s kPa) 氣膜P助在點(diǎn)P助中所占百分?jǐn)?shù). 1/kG 1.122 1/ kG 1/ HkC 1.55 72.3； 穩(wěn)定操作狀況下塔內(nèi)某截面上的氣相甲醇分壓為 5 kPa ，液相中甲醇組成為 kmol/m3。試根據(jù)上題中的有關(guān)數(shù)據(jù)算出該截面上的吸收速率。 解： 吸收速率

10、 N A KG(PA PA ) 由上題已求出 kG 1.122 10 5kmol /(m2 s kPa) 又知： H 1.955kmol /(m3 kPa) 則該截面上氣相甲醇的平衡分壓為 PA C /H 2.11/1.955 1.08kPa .PA 5kPa. 5 5 2 則 Na 1.122 10 5 (5 1.08) 4.4 10 5kmol/(m2 s) 0.1583kmol/(m2 h) 9.在逆流操作的吸收塔中，于 kpa、25 C下用清水吸收混合氣中的 H2S, 將其組成由2%筆至(體積)。該系統(tǒng)符合亨利定律。亨利系數(shù)E=x 16 kPa。若 取 吸 收 劑用 量 為 理 論 最

11、 小 用 量的 12 倍 ， 試 計(jì)算 操 作 液 氣比 及 出 口 液 相 組 成 y1 1屮 5.52 104 101.33 0.02 1 0.02 545. 0.0204 X2 丫2 1 y2 0 0.001 1 0.001 0.001 最小液氣比 （丄）i V 丿 min m X2 0.0204 0.001 518. 0.0204/545 操作液氣比為vl 1.2 min 1.2 518 622. 出口液相濃度 X1 V X2 （丫 丫） L 1 5 （0.02040.001）3.12 10 5 622 （2） 求1013kE下的操作液氣比及出口液組成 4 5型 545. 1013 L

12、 （V）min 丄1.2 V 51.862.2 則: 0.0204 0.0001 51.8 0.0204/545 X1X2*（丫1 丫2） 出口液相組成: 0-（0.02040.001） 3.12 10 4 62.2 11.在kPa下用水吸收據(jù)于空氣中的氨。已知氨的摩爾分?jǐn)?shù)為，混合氣體 于40 C下進(jìn)入塔底，體積流量為 m3/s，空塔氣速為m/s。吸收劑用量為理論 最小用量的倍，氨的吸收率為95%,且已估算出塔內(nèi)氣相體積吸收總系數(shù) 在操作條件下的氣液平衡關(guān)系為 ，試求塔徑及填料層高度 解: 0.1 X20. 0.1111 0.005555 0.1111 2.6 Y,0.1111 1 0.1 Y

13、2 Y(1) 0.1111 (1 0.95)0.005555. -1.1 2.472.72. V V1 X1 (Y Y2) X2(0.11110.005555)00.0388. L2.72 mV 2.6 S0.956. L 2.72 1YY10 1111 n：g rln(1 S)tt S Pln(1 0.956) 0 0.956 13.8 塔截面積: 0.556/1.20.463m2. 塔徑: KYa 0.0195 0.1112 0.463 0.38m. 又知： V 05560.9 0.0195kmol/s. 22.4273 40 D 、40.4630.77m. 則: 塔上填料層高度: 12.

14、在吸收塔中用清水吸收混合氣中的 SQ,氣體流量為5000 m3(標(biāo)準(zhǔn))/h , 其中SQ占10%要求SQ回收率為95%氣、液逆流接觸，在塔的操作條件下 o試求: SQ在兩相間的平衡關(guān)系近似為 (1) 若取用水量為最小用量的15倍，用水量應(yīng)為多少 (2) 在上述條件下，用圖解法求所需理論塔板數(shù)； 如仍用 中求出的理論板數(shù)，而要求回收率從95%g高到98%用水量應(yīng) 增加到多少 解：(1)求用水量: 丫1 丫2 0.10 0.1111 1 0.10 0.1111 (1 0.95)0.00556 5000 (1 0.10) 201kmol /h. 22.4 V(Y1 Y2) Lmin X1 X2 20

15、1 (0.1110.00556) L 1.5Lmin 1.5 5100 0.1111小 0 26.7 7650kmol(水)/h. 5100kmol / h. (2)求理論板數(shù) (a)梯級圖解法 V 201 X1 l(Y Y2) X2(0.11110.00556)0.00277. 7650 在丫 X直角坐標(biāo)圖中給出平衡線oE.CY26.7 7及操作線BT 由圖中B點(diǎn)開始在操作線與平衡線之間畫梯級 得理論板層數(shù)Nt5.5 （b）用克列姆塞爾算圖 95；.X20 則相對回收率 丫1 丫2 Y mX2 0.1111 O.。0556 0.95 0.1111 在理論最小用水量下，nt ,J據(jù)此查圖2 2

16、1得: Amin0.95 L 而亠 0.95 mV L 1.5Lmin 1.5 0.95 1.5 0.95mV 26.7 201 7650kmol（水）/h 查圖2 21 （或由式2 77c計(jì)算）可知當(dāng): A 1.43.0.95 時(shí) mV Nt5.5 兩種方法解得的結(jié)果相同。 （3）求98 .：時(shí)所需增加的水量 用克列姆塞爾法估算，已知：0.98. Nt 5.5 據(jù)此查圖2 21得A1.75. 則：L1.75mV 1.75 26.7 2019390kmol/h. 故需要增加的用水量 L L 9390 7650 1740kmo（水）/h 3.13 104kg（水）/h. 13.在一個(gè)接觸效能相當(dāng)

17、于 8層理論塔板的篩板塔內(nèi)，用一種摩爾質(zhì)量為 250、密度為則900 kg/m3的不揮發(fā)油吸收捏于空氣中的丁燒。塔內(nèi)操作壓強(qiáng)為 kPa,溫度為15 C,進(jìn)塔氣體含丁烷5%（體積）,要求回收率為95% 丁烷在15 C 時(shí)的蒸氣壓強(qiáng)為kPa ,液相密度為58Okg/m3假定拉烏爾定律及道爾頓定律適用， 求： （1）回收每1 m3 丁烷需用溶劑油多少（m3） （2）若操作壓強(qiáng)改為kPa，而其他條件不變，則上述溶劑油耗量將是多少 （m3） Y 0.042 X1丄 1.92 0.042 1.92 0.022. 由此可知, 每回收 Ikmol 丁烷所需純?nèi)軇┯蛿?shù)量為 1 X1 X2 1 0.022 0 4

18、5.5kmol（油）/km。1（ 丁烷） 解： (1). 由拉烏爾定律. y Px 194.5 x 1.92x. P 101.33 由于為低組成吸收, 可以認(rèn)為 Y 1.92X 丫1 0.05 0.0526.X 20.丫，0 1 0.05 丫2 丫(1 )0.0526 (1 0.95)0.00263. 由克列姆塞爾方程得到: ln 丫 丫 ln 0.0526 N 丫2 丫2 8 in 0.0263 0 nt 丫2 8 ,0.0526 0.00263 ln 丫 丫2 0 解得: 丁烷的摩爾質(zhì)量為58.08.則回收每1m3液體丁烷所需溶劑油的體積為 45.5 250/9003, 3 58.08/5

19、80(油)(丁烷) (2). 若 p 304.0kPa.貝U： 194 5 y 碩 臨敢 丫 0.6398X. 因?yàn)閄20故丫20 Y10.042.（條件未變，仍用上法求得） Xi YL 駐 0.0656. m 0.6398 1 1 15.24kmol（油） /kmol（丁烷） X1 X20.0656 0 15.24 25019003,_3 42.28m （油）/ m （液體丁烷） 58.08/580 14.在一逆流吸收塔中用三乙醇膠水溶液吸收混于氣態(tài)烴中的 H2S,進(jìn)塔氣 相含H2S %(體積)，要求吸收率不低于 99%操作溫度300 K，壓強(qiáng)為kPa，平 衡關(guān)系為，進(jìn)塔液體為新鮮溶劑，出塔

20、 液體中H2S組成為kmol( H2S)/kmol(溶劑)。已知單位塔截面上單位時(shí)間流過的 惰性氣體量為kmol/(m 2 s)，氣相體積吸收總系數(shù)為kmol/(m 3 s kPa)，求 所需填料層高度。 解：Z H：g Ng 心* K Ya QVm 已知： 、/0.0291 門 cc Y10.03 1 0.0291 % Y(1) 0.03 (1 0.99) 0.0003 X1 0.013Y；mX1 2 0.013 0.026 X2 0Y20 則： ；mm 0.03 0.。26 0.0003 (0.03 0.026) 0.0003 0.00143. 2a dap 0.000395 101.33

21、 0.04kmol/(m2 S) 又知： 2 0.015kmol /(m s) 0.015 0.04 0.375m. .3 O.。003 20.8 0.00143 Z 0.375 20.8 7.8m. 15.有一吸收塔，填料層高度為 3 m,操作壓強(qiáng)為KPa，溫度為20 C，用 清水吸收棍于空氣中的氨。 混合氣質(zhì)量流速G=58O kg/(m2 h)，含氨6%(體積)，吸收率為99%水的質(zhì)量流 速W=770 kg/(m2 h) 0該塔在等溫下逆流操作，平衡關(guān)系為 。KGa與氣相質(zhì)量流速的次方成正比而 與液相質(zhì)量流速大體無關(guān)。試計(jì)算當(dāng)操作條件分別作下列改變時(shí)，填料層高度 應(yīng)如何改變才能保持原來的吸

22、收率(塔徑 不變):(1)操作壓強(qiáng)增大一倍；(2) 液體流量增大一倍；(3)氣體流量增大一倍。 解：已知 Z 3m, p 101.325kFa,T 293k. Y 0.06 -0.0638.X2 0. 1 0.06 丫2 丫（1 )0.0638 (1 0.99) 0.000638 混合氣體的平均摩爾質(zhì)量 29 0.9417 0.06 28.28kg / kml 42.78kmol /(m2 h) 0.9 19.28 0.4056 42.78 Nog in(i s)(YtS)s 5802 (1 0.06)19.28kmol /(m h) 28.28 770 18 mV - ln0.0638 0

23、(1 0.4056)0.4056 1 0.40560.000638 6.884 H OG Z nzg 3 6.884 0.4358m (1) 2p mp/ p 0.9 丄 0.45 2 由于 OG 陽)(1 S) S 0.2028 ln .0638 0(1 0.2028) 1 0.20280.000638 0 5.496 Kva dap 故: Hog P Hog P P1 Hog Hog0.4358 0.2179 m P2 Z Hog Nog0.2179 5.496 1.198m. 填料層高度比原來減少了 3 1.198 1.802m (2) L 2L mV mV 2L -0.40560.20

24、28 V Nog 5.496. （計(jì)算過程同（1） 液體流速的增加對KGa無顯著影響. Hog Hog0.4358 m. 則：ZNog Hog 5.496 0.4358 2.395m. 即所需填料層高度較原來減少了3 2.395 0.605m 2V mV L Nog m(2V)2 0.4056 0.8112 L 1 ln 100 (1 0.8112) 0.8112 15.8 1 0.8112 氣體質(zhì)量流速增大時(shí)，總吸收系數(shù) KGa相應(yīng)增大. Kg9V0.8 I KGa KGa(Vf8 J I V2V0 20 2 Hog ； 喬2 H og 2 .0.4358 KGa p2 KGa P z Ho

25、g Nog15.8 0.5017.92m. 0.501m. 即所需填料層高度較原來增加7.92 3 4.92m 16.要在一個(gè)板式塔中用清水吸收混于空氣中的丙醇蒸氣?；旌蠚怏w流量 為30 kmol/h，其中含丙醇1%體積）。要求吸收率達(dá)到90%用水量為90 kmol/h。 該塔在 KPa、27 C下等溫操作，丙醇在氣、液兩相中的平衡關(guān)系為 ,求所需理論板數(shù) 解: V 30 (1 0.01)29.7kmol/h. 丫1 0.0101 1 0.01 丫2 丫（1 A) 0.0101 (1 0.90)0.00101 L 90kmol /h X1 X2 V(Y1 Y2)0 29.7 (0.01010.

26、00101) eg 0.003 L 90 由題意知 m 2.53 則： L 90 A 1.1977 mV 2.53 29.7 又因?yàn)閄20.則: A 0.90 .1.19770.90 ln Nt ln A 1 0.90 15.05 ln 1.1977 AVV* 第二早 2.解：（1）塔徑兩種填料的值如下. 2051/ m 50mm 50mm 4.5mm陶瓷拉西環(huán)（亂堆）： 25mm 25mm 2.5mm 陶瓷拉西環(huán)（亂堆）：4501/m 故應(yīng)接小填料計(jì) 比較兩種填料的 值可知，小填料的泛點(diǎn)氣速應(yīng)比大填料的低, 算塔徑. 叫（）0.54000（!6）。.5 0.163 WvL 700 1.161050 由圖（3 18）中的亂堆填料泛點(diǎn)線查得 0.12 24 V 0.2 FL g L 1