化工原理學(xué)習(xí)指南

1、【例8-1】 亨利定律各系數(shù)的計(jì)算 在常壓及25下測(cè)得氨在水中平衡數(shù)據(jù)為:組成為1g的氨水上方的平衡分壓為520pa。在該組成范圍內(nèi)相平衡關(guān)系符合亨利定律。試求亨利系數(shù)e、溶解度系數(shù)h及相平衡常數(shù)m。稀氨水密度可近似取為1000kg/m。 解：由亨利定律其中 故亨利系數(shù)為由亨利定律其中 故亨利系數(shù)為由亨利定律其中 故溶解度系數(shù)為另解： 兩種計(jì)算結(jié)果基本一致。討論：亨利定律表示互成平衡的氣液兩相組成的關(guān)系，因組成可采用不同的表示方法，故亨利定律具有不同的表達(dá)形式，相應(yīng)的系數(shù)也不同。依據(jù)亨利定律，可由已知的平衡數(shù)據(jù)（或某亨利定律的系數(shù)）計(jì)算其他的亨利定律的系數(shù)。計(jì)算時(shí)應(yīng)注意單位的一致性，有時(shí)往往需

2、要加以轉(zhuǎn)換?！纠?-2】 溫度、壓力對(duì)亨利定律各系數(shù)的影響 見例8-1，若（1）氨水的溫度與組成不變，而氨水上方的總壓力升高到202.6kpa；（2）氨水的組成與總壓力不變，而氨水的溫度升高到40，此時(shí)氨水上方的平衡分壓為750pa。試求以上兩種情況的亨利系數(shù)e、溶解度系數(shù)h及相平衡常數(shù)m。解：（1）由于氨水的溫度與組成不變，故氨水上方的氨的平衡分壓不變，因此亨利系數(shù)e、溶解度系數(shù)h不變，由例8-1相平衡常數(shù)m與總壓力有關(guān)，由（2）氨水的溫度升高到40，此時(shí)氨水上方的平衡分壓為750pa，則討論：（1）亨利系數(shù)e、溶解度系數(shù)h僅與溫度有關(guān)，與總壓力無關(guān)；而相平衡常數(shù)m不僅與溫度有關(guān)，還與總壓力

3、有關(guān)； （2）總壓力愈高，相平衡常數(shù)m愈小，對(duì)吸收操作愈有利； （3）溫度愈低，亨利系數(shù)e、相平衡常數(shù)m愈??；溶解度系數(shù)h愈大，對(duì)吸收操作愈有利。【例8-3】根據(jù)相平衡關(guān)系判斷傳質(zhì)進(jìn)行的方向在總壓為101.3kpa、溫度為30的條件下，某含為0.098（摩爾分?jǐn)?shù)，下同）的混合空氣與含為0.0025的水溶液接觸，試判斷的傳遞方向。已知操作條件下氣液相平衡關(guān)系為=45.8x。解：先計(jì)算氣、液相摩爾比組成從氣相分析故必由液相傳遞到氣相，進(jìn)行解吸。從液相分析結(jié)論同上。討論：相平衡關(guān)系的應(yīng)用之一是判斷傳質(zhì)過程進(jìn)行的方向與極限。設(shè)氣、液相組成分別為y與x（摩爾比），與液相組成x成平衡的氣相組成為，與氣相組

4、成y成平衡的液相組成為，則過程方向?yàn)椋ɑ颍┪者^程（或）平衡過程（或）解吸過程【例8-4】根據(jù)相平衡關(guān)系計(jì)算吸收過程的推動(dòng)力在某填料塔中用清水逆流吸收混于空氣中的，空氣中的的體積分?jǐn)?shù)為8.5%，操作條件為15、405.3kpa，15時(shí)在水中的亨利系數(shù)為1.24kpa，吸收液中的組成為。試求塔底處吸收總推動(dòng)力、。解：相平衡常數(shù)為由亨利定律由道爾頓分壓定律由亨利定律 吸收液的密度可按純水計(jì)算，查手冊(cè)得，15水的密度為998.95則 吸收液的摩爾比為混合氣的摩爾比為塔底吸收總推動(dòng)力為= = 討論：吸收推動(dòng)力因溶質(zhì)組成表示方法的不同而具有多種形式，同時(shí)，在吸收塔的不同截面處，吸收總推動(dòng)力也不同。【例8

5、-5】吸收系數(shù)和吸收速率的計(jì)算 用填料塔在101.3kpa及20下，以清水吸收混于空氣中的甲醇蒸汽。若在操作條件下平衡關(guān)系符合亨利定律，甲醇在水中的亨利系數(shù)為27.8kpa。測(cè)得塔內(nèi)某截面處甲醇的氣相分壓為6.5kpa，液相組成為2.615,液膜吸收系數(shù)，氣相總吸收系數(shù)。求該截面處（1）膜吸收系數(shù)、及；（2）總吸收系數(shù)；（3）吸收速率。解：（1）因?yàn)槲找喝苜|(zhì)組成很低，以純水的密度代替吸收液的密度，總組成也以純水計(jì)。查手冊(cè)得，20水的密度為998.2。 （2）（3）或 兩種計(jì)算結(jié)果相差不大。討論：（1）吸收系數(shù)具有多種形式，只要掌握了個(gè)吸收系數(shù)間的關(guān)系，即可計(jì)算進(jìn)行；（2）吸收速率方程具有多種

6、表達(dá)形式，這些方程式等價(jià)的，用任何吸收速率方程均可計(jì)算吸收速率?！纠?-6】計(jì)算吸收阻力，分析吸收過程的控制因素 已知某低組成氣體溶質(zhì)被吸收時(shí)，平衡關(guān)系服從亨利定律，氣膜吸收系數(shù)為，液膜吸收系數(shù)為，溶解度系數(shù)為。試求氣膜阻力、液膜阻力和氣相總阻力，并分析該吸收過程的控制因素。 解：氣膜阻力為 液膜阻力為 氣相總阻力為氣膜阻力占總阻力的百分?jǐn)?shù)為由計(jì)算可知，氣膜阻力占總阻力的99.6%，故液膜阻力遠(yuǎn)小于氣膜阻力，故該吸收過程為氣膜控制。討論：（1）因?yàn)槲障禂?shù)具有多種形式，而吸收系數(shù)的倒數(shù)即為吸收阻力，故吸收阻力也具有多種形式。本例給出了氣膜吸收系數(shù)和液膜吸收系數(shù)，通過給出的吸收系數(shù)，通過給出的吸

7、收系數(shù)的單位可判定氣膜吸收系數(shù)是，而液膜吸收系數(shù)是；（2）根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，通常氣膜（或液膜）阻力占總阻力的百分?jǐn)?shù)10%，即可將該吸收過程視為液膜（或氣膜）控制?！纠?-7】吸收塔的物料衡算在101.3kpa、20下用清水在填料塔中逆流吸收某混合氣中的硫化氫。已知混合氣進(jìn)塔的組成0.055（摩爾分?jǐn)?shù)，下同），尾氣出塔的組成為0.001。操作條件下系統(tǒng)的平衡關(guān)系為，操作時(shí)吸收劑用量為最小用量的1.65倍。（1）計(jì)算吸收率和吸收液的組成；（2）若維持氣體進(jìn)出填料塔德組成不變，操作壓力提高到1013kpa，求吸收液組成。解：（1）吸收率為相平衡常數(shù)為吸收劑為清水，最小液氣比為操作液氣比為對(duì)全塔進(jìn)行物料衡

8、算可得吸收液的組成為（2）操作壓力提高到1013kpa，相平衡常數(shù)為最小液氣比為操作液氣比為吸收液的組成為討論：由本例可以看出，在維持氣體進(jìn)出填料塔的組成不變的前提下，操作壓力提高，相平衡常數(shù)m減小，有利于吸收過程的進(jìn)行，故操作液氣比減小，吸收液組成提高。【例8-8】氣液比對(duì)吸收操作的影響在逆流操作的填料吸收塔中，用清水吸收某混合氣中的有害溶質(zhì)。已知進(jìn)塔氣體組成為0.045（體積分?jǐn)?shù)），在操作條件下氣液平衡關(guān)系為y=2.8x，試分別計(jì)算液氣比為4和2時(shí)出塔氣體的極限組成和液體出口組成。解：當(dāng)填料層為無限高時(shí)，氣體出口組成將達(dá)到極限組成，此時(shí)操作線與平衡線相交。對(duì)流料操作，平衡線與操作線的交點(diǎn)位

9、置可能出現(xiàn)在塔頂或塔底，它取決于操作線的斜率和平衡線的斜率m的相對(duì)大小。當(dāng)=4（即m）時(shí)，操作線ab與平衡線交于塔頂（點(diǎn)a），如本題附圖所示。由平衡關(guān)系可求得出塔氣體的最低組成，即由物料衡算關(guān)系可求得液體出口組成，即 有圖其中故當(dāng)（即）時(shí)，操作線與平衡線交于塔底（點(diǎn)），如本例附圖所示。由平衡關(guān)系可求得出塔液體的最大組成，即由物料衡算關(guān)系可求得氣體出口組成為討論：由本例可以看出，當(dāng)m時(shí)，出塔氣體的極限組成決定于吸收劑進(jìn)塔組成；而當(dāng)m，故平衡線與操作線的交點(diǎn)在塔頂，由氣液平衡關(guān)系最大吸收率為吸收液組成為（2）并流操作 并流操作吸收塔示意圖如本例附圖所示。操作線和平衡線的交點(diǎn)在塔底，即出口氣相組成與

10、吸收液組成相平衡，平衡方程為 （1） 有圖操作線方程為 （2）聯(lián)立式（1）和式（2），解得 最大吸收率為討論：由本例可以看出，在相同的操作條件下，逆流操作較并流操作可獲得較高的吸收率，故工業(yè)生產(chǎn)中大多采用逆流操作?！纠?-10】吸收塔的設(shè)計(jì)型計(jì)算在101.3kpa、20下用清水在填料塔內(nèi)逆流吸收空氣中所含的二氧化硫氣體。已知混合氣摩爾流速為0.025,二氧化硫的組成為0.032（體積分?jǐn)?shù)）。操作條件下氣液平衡關(guān)系為y=34.6x，氣相總體積吸收系數(shù)為1.98，操作時(shí)吸收劑用量為最小用量的1.55倍，要求二氧化硫的回收率為98.2%。試求（1）吸收劑的摩爾流速（單位：）；（2）填料層高度。解：（

11、1）吸收劑的摩爾流速吸收劑為清水，最小液氣比為操作液氣比為吸收液的摩爾比為惰性氣體的摩爾流速為吸收劑的摩爾流速為（2）填料層高度填料層的高度為討論：本例為給定分離任務(wù)要求，計(jì)算所需的溶劑量和填料層高度，故屬于設(shè)計(jì)型計(jì)算問題。求解本例的關(guān)鍵，一是要理解混合氣（或吸收劑）摩爾流速的概念；另一是要明確氣相總體積吸收系數(shù)有不同的表達(dá)形式，通過給出的單位可以判斷氣相總體積吸收系數(shù)屬于何種形式?！纠}8-11】吸收塔的操作型計(jì)算某化工廠現(xiàn)有一直徑為1.2m、填料層高度為8m的吸收塔，用清水逆流吸收空氣中所含的有害氣-體。已知操作壓力為125kpa、溫度為25?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)得入塔和出塔混合氣體中溶質(zhì)的含量分別為5

12、.25%和0.055%（體積分?jǐn)?shù)），出塔吸收液的組成為0.0155（摩爾分?jǐn)?shù)）。操作條件下的氣液平衡關(guān)系為y=2.12x，氣相總體積吸收系數(shù)為65.5。試核算：（1）吸收劑用量是最少用量的多少倍；（2）該吸收塔的生產(chǎn)能力（單位：混合氣/年）。注：每年按7200h工作時(shí)間計(jì)。解：（1）吸收劑用量為最小用量的倍數(shù)吸收劑的用量為 （1）吸收劑的最小用量為 （2）吸收劑為清水，比較式（1）和式（2）得故 （2）吸收塔德生產(chǎn)能力由 由 混合氣體的處理量為討論：本例為再現(xiàn)有的填料塔中進(jìn)行吸收操作，測(cè)定出有關(guān)操作數(shù)據(jù)，然后核算吸收劑用量是最小用量的倍數(shù)以及該吸收塔的生產(chǎn)能力，故屬于操作型計(jì)算問題求解本例的關(guān)

13、鍵，是要理解混合氣年處理量的概念。【例8-12】吸收率對(duì)最小液氣比及填料層高度的影響在逆流操作的填料塔中，用純?nèi)軇┪漳硽怏w混合物中的溶質(zhì)組分。已知進(jìn)塔氣體組成為，在操作條件下氣液平衡關(guān)系為y=mx，試推導(dǎo)一下關(guān)系：（1）最小液氣比與吸收率間的關(guān)系：（2）填料層高度z與吸收率間的關(guān)系。解：（1）與的關(guān)系氣體出塔組成為由 純?nèi)軇┪?，?當(dāng)m一定時(shí)，隨增大而加大。（2）z與的關(guān)系由 出塔液相組成為所需填料層高度為 若及a一定，則z=f。討論：從本例推導(dǎo)結(jié)果可知，當(dāng)用純?nèi)軇┪栈旌衔镏腥苜|(zhì)時(shí)，最小液氣比及在一定液氣比下所需的填料層高度僅與溶質(zhì)的回收率有關(guān)，而與混合氣的初始組成無關(guān)?！纠?-13】吸

14、收過程工況的改變（提高溶質(zhì)的回收率）在一逆流操作的填料塔中，用純?nèi)軇┪漳硽怏w混合物中的溶質(zhì)組分。已知進(jìn)塔氣體組成為0.022（摩爾比），吸收劑用量為最小用量的1.25倍，操作條件下氣液平衡關(guān)系為y=1.2x，溶質(zhì)的回收率為98.2%?，F(xiàn)因工藝要求，需將溶質(zhì)的回收率提高到99.5%，試求溶劑用量應(yīng)為原溶劑用量的多少倍。設(shè)該吸收過程為氣膜控制。解：原工況純?nèi)軇┪眨?（1） （2）比較式（1）和式（2）得 新工況因吸收過程為氣膜控制，溶劑用量改變后，可視為不變，對(duì)一定高度的填料層，則也不變，即由 接觸 故 討論：從本例計(jì)算可看出，對(duì)特定的填料塔，為提高吸收效率，可采用提高溶劑用量的方法，但相應(yīng)的

15、操作費(fèi)用增加，若與解吸過程聯(lián)合，還應(yīng)考慮提高溶劑用量對(duì)解吸塔的影響?！纠?-14】吸收劑入塔組成對(duì)尾氣組成的影響在意逆流操作的填料塔中，用循環(huán)溶劑吸收某氣體混合物中的溶質(zhì)組分。已知進(jìn)塔氣組成為0.025（摩爾比，下同），操作液氣比為1.62，操作條件下氣液平衡關(guān)系為y=1.23x，循環(huán)溶劑組成為0.0012，出塔氣體組成為0.0023.現(xiàn)因解吸不良，循環(huán)溶劑組成變?yōu)?.0086，試求此時(shí)出塔氣體組成。解：原工況 新工況比較兩種工況，僅吸收劑初始組成不同，因填料層高度一定，且不變，故也不變。 （1）由 即 （2）聯(lián)立式（1）和式（2），解得此時(shí)的吸收平均推動(dòng)力為討論：從本例計(jì)算可看出，當(dāng)吸收-解

16、吸聯(lián)合操作時(shí)，解析塔操作不正常，使吸收劑初始組成升高導(dǎo)致吸收塔平均推動(dòng)力下降，分離效果變差，故出塔氣體組成升高?！纠?-15】填料性能對(duì)吸收塔操作的影響在一直徑為1m、填料層高度為8m的吸收塔中，用純?nèi)軇┪漳郴旌蠚怏w中的溶質(zhì)組分。已知入塔混合氣體的流量為40kmol/h，溶質(zhì)的含量為0.06（摩爾分?jǐn)?shù)），溶質(zhì)的吸收率為95%，操作條件下的氣液平衡關(guān)系為y=2.2x，溶劑用量為最小用量的1.5倍，塔內(nèi)裝有比表面積為153的金屬階梯環(huán)填料?，F(xiàn)因工藝要求，需將溶質(zhì)的吸收率提高到97%，若維持操作液氣比和填料層高度不變，擬換用一種比表面積200的新型金屬散裝填料，問能否達(dá)到要求。注：填料的有效比表面

17、積近似取為填料比表面積的90%；換用填料前后的氣相吸收系數(shù)不變。解：原工況38對(duì)于純?nèi)軇┪招鹿r解法1：比較兩種工況，因操作液氣比和氣體處理量不變，故脫吸因數(shù)s不變。 填料的比表面積為能達(dá)到要求。解法2：改新填料后解得 能達(dá)到要求。討論：從本列計(jì)算可看出，對(duì)于一定高度的填料塔，在其他條件不變下，采用比表面積大的填料，即可提高總體積吸收系數(shù)，從而提高分離效率，故溶質(zhì)的吸收率提高。求解本題的關(guān)鍵在于對(duì)填料比表面積與填料有效比表面積的區(qū)分和理解。【例8-16】操作溫度對(duì)吸收率的影響在總壓為101.3kpa、溫度為30的條件下，在逆流操作的填料塔中，用清水吸收焦?fàn)t氣中的氨，氨的組成為0.0155（摩

18、爾比），焦?fàn)t氣的處理量為5000標(biāo)準(zhǔn)，氨的回收率為96%，吸收劑用量為最小用量的1.55倍，操作的空塔氣速為1.2m/s。已知：101.3kpa、30條件下氣液平衡關(guān)系為y=1.2x；101.3kpa、10條件下氣液平衡關(guān)系為y=0.5x。（1）計(jì)算填料塔的直徑；（2）若操作溫度降為10，而其他條件不變，試求此時(shí)的回收率。解：（1）填料塔德直徑由 其中 （2）原工況對(duì)于純?nèi)軇┪?新工況因水吸收氨屬于氣膜控制，溫度t對(duì)的影響可忽略，溫度降低時(shí)可視為不變，又因填料層高度一定，故亦可視為不變。由 解出 則 討論：從本例計(jì)算可看出，對(duì)于一定高度的填料塔，在其他條件不變下，操作溫度降低，相平衡常數(shù)m減

19、小，平衡線位置下移，平均推動(dòng)力加大，故溶質(zhì)的吸收率提高?！纠?-17】吸收過程工況的改變（填料塔改為板式塔）在一逆流操作的填料塔中，用循環(huán)溶劑吸收某氣體混合物中的溶質(zhì)組分。已知進(jìn)塔氣體組成為0.023（摩爾比），溶質(zhì)的回收率為98%，惰性氣體的流量為40kmol/h，吸收劑用量為最小用量的1.58倍，氣相總傳質(zhì)單元高度為0.872m，操作條件下氣液平衡關(guān)系為y=0.18x?，F(xiàn)將該填料塔改為板式塔，分離要求不變，試求所需的理論板數(shù)和原使用填料的等半高度。解：原工況對(duì)于純?nèi)軇┪?填料塔的有效高度為新工況板式塔的有效高度為由克列姆塞爾方程求理論級(jí)數(shù)，即其中 則 原使用填料的等板高度為討論：由以下關(guān)

20、系式 整理可得當(dāng)。【例8-18】填料塔設(shè)計(jì)條件檢驗(yàn)在一逆流操作的填料塔中，裝有6m高金屬鮑爾環(huán)填料，該填料的比表面積為146，最小潤(rùn)濕速率為0.075。在該填料塔中，用純?nèi)軇┪漳硽怏w混合物中的溶質(zhì)組分。已知操作壓力為250kpa，溫度為28，進(jìn)塔混合氣體的流量為500，其組成為0.0526（摩爾比，下同），溶質(zhì)的回收率為95%，進(jìn)塔液體的流量為6.5出塔液相的組成為0.016，氣相總體積吸收系數(shù)為0.06，操作條件下氣液平衡關(guān)系為y=2.2x，允許的泛點(diǎn)氣速為0.85m/s。是檢驗(yàn)該填料塔的以下參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)條件：（1）泛點(diǎn)率；（2）液體噴淋密度。解（1）泛點(diǎn)率檢驗(yàn) 填料塔的操作空塔氣速為

21、填料塔的泛點(diǎn)率為（符合設(shè)計(jì)條件） （2）檢驗(yàn)液體噴淋密度 允許的最小噴淋密度為 填料塔液體噴淋密度為（符合條件）討論：本例為填料塔設(shè)計(jì)條件的經(jīng)驗(yàn)，求解本題的關(guān)鍵是掌握泛點(diǎn)率、最小液體噴淋密度及液體噴淋密度等概念。【例8-19】填料吸收塔改造方案的選定某化工廠現(xiàn)有一直徑為0.6m、填料層高度為2.6m的吸收塔，用純?nèi)軇┪漳郴旌蠚怏w中的有害組分?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的操作條件如下：已知操作條件下氣液平衡關(guān)系為y=1.5x。現(xiàn)因環(huán)保要求的提高，要求出塔氣體組成低于0.002（摩爾比），試通過計(jì)算選用幾種不同的改造方案。解：方案1：保持液氣比不變，將原塔填料層加高因改造前、后操作條件不變，故、s保持不變。改造前

22、 改造后 純?nèi)軇┪?，比較得 故 即原塔填料層需增高1.323m。方案2：保持液氣比不變，新建一個(gè)直徑相同的填料塔與原塔串聯(lián)。設(shè)原塔號(hào)為a，新塔號(hào)為b，因改造前、后操作條件不變，故、s保持不變。塔a 塔b 比較得 故 即新建填料塔的填料層高度需要1.009m。方案3：保持不變，維持原填料層高度不變，將原填料換為比表面積更大的新型填料。因改造前、后液氣比不變，且相平衡常數(shù)m可視為不變，故s保持不變。但因填料的比表面積改變，故改造前、后不等。改造前 改造后 比較得 即選用新型填料的有效比表面積應(yīng)為原填料的1.513倍以上。討論：（1）計(jì)算結(jié)果表明，采用方案2較方案1所需的總填料層高度低，但這增加溶劑的用量為代價(jià)的；（2）通過計(jì)算可知，采用以上三種方案均可達(dá)到降低出塔氣體組成的目的，除此之外還可以采