化工原理下冊(cè)第六章吸收習(xí)題答案

1、 6-1 已知在101.3 kPa(絕對(duì)壓力下)，100 g水中含氨1 g的溶液上方的平衡氨氣分壓為987 Pa。試求： (1) 溶解度系數(shù)H (kmol·m-3·Pa-1)； (2) 亨利系數(shù)E(Pa)； (3) 相平衡常數(shù)m； (4) 總壓提高到200 kPa(表壓)時(shí)的H，E，m值。 （假設(shè)：在上述范圍內(nèi)氣液平衡關(guān)系服從亨利定律，氨水密度均為1000）解：（1）根據(jù)已知條件定義（2）根據(jù)已知條件可知根據(jù)定義式可得 （3）根據(jù)已知條件可知于是得到 （4）由于和僅是溫度的函數(shù)，故和不變；而，與和相關(guān)，故。分析（1）注意一些近似處理并分析其誤差。 （2）注意，和的影響因素，

2、這是本題練習(xí)的主要內(nèi)容之一。6-2 在25下，CO2分壓為50 kPa的混合氣分別與下述溶液接觸：(1) 含CO2為0.01 mol/L的水溶液；(2) 含CO2為0.05 mol/L的水溶液。試求這兩種情況下CO2的傳質(zhì)方向與推動(dòng)力。解： 由亨利定律得到根據(jù) 化工原理 教材中表 8-1 查出所以可以得到又因?yàn)樗缘糜谑牵海?）為吸收過(guò)程，。 （2）為解吸過(guò)程，。分析 （1）推動(dòng)力的表示方法可以有很多種，比如，用壓力差表示時(shí)： 推動(dòng)力 （吸收） 推動(dòng)力 （解吸）或者 , 用摩爾分?jǐn)?shù)差表示時(shí) 由，判斷出將發(fā)生吸收過(guò)程，推動(dòng)力；由 ，判斷出將發(fā)生解吸過(guò)程，推動(dòng)力 （2）推動(dòng)力均用正值表示。6-3

3、指出下列過(guò)程是吸收過(guò)程還是解吸過(guò)程，推動(dòng)力是多少，并在x-y圖上表示。 (1) 含SO2為0.001(摩爾分?jǐn)?shù))的水溶液與含SO2為0.03(摩爾分?jǐn)?shù))的混合氣接觸，總壓為101.3 kPa，t=35； (2) 氣液組成及總壓同(1) ，t=15；(3) 氣液組成及溫度同(1) ，總壓為300 kPa(絕對(duì)壓力)。解 (1) 根據(jù)化工原理教材中表 8-1 知T = 35時(shí)，SO2 的 , 故根據(jù)相平衡關(guān)系 , 得由于，所以將發(fā)生解吸過(guò)程。傳質(zhì)推動(dòng)力為(2 ) T = 15時(shí) , SO2的 ，故根據(jù)相平衡關(guān)系 , 得由于，所以將發(fā)生吸收過(guò)程。 傳質(zhì)推動(dòng)力為(3)同理可知 , 當(dāng) T = 35，p

4、 = 300 kPa時(shí) ,，故由于，所以將發(fā)生吸收過(guò)程。推動(dòng)力為示意圖見(jiàn)題6-3 圖。題6-3 圖分析 體會(huì)通過(guò)改變溫度和總壓來(lái)實(shí)現(xiàn)氣液之間傳質(zhì)方向的改變 ,即吸收和解吸。6-4 氨-空氣混合氣中含氨0.12(摩爾分?jǐn)?shù))，在常壓和25下用水吸收，過(guò)程中不斷移走熱量以使吸收在等溫下進(jìn)行。進(jìn)氣量為1000 m3 ，出口氣體中含氨0.01(摩爾分?jǐn)?shù))。試求被吸收的氨量(kg)和出口氣體的體積(m3) 。解 惰性氣體量 ，進(jìn)口中 NH3 之量為,出口中NH3 之量為,于是總出氣量= 880 + 9 =,被吸收的NH3量為,為 77.3kg。分析 (1) 進(jìn)行物料衡算時(shí)應(yīng)以摩爾數(shù)或者質(zhì)量為基準(zhǔn),一般不以

5、體積為基準(zhǔn)。此處由于溫度和壓力均不變,故摩爾數(shù)的變化正比于體積的變化,所以以體積作為衡算的基準(zhǔn)。(2) 本題是并流還是逆流? 有區(qū)別嗎 ?(3) 如何才能不斷移走熱量? 該用填料塔還是板式塔 ?(4) 不移走熱量對(duì)吸收有什么影響 ?6-5 一淺盤內(nèi)存有2mm厚的水層，在20的恒定溫度下靠分子擴(kuò)散逐漸蒸發(fā)到大氣中。假定擴(kuò)散始終是通過(guò)一層厚度為5mm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2.6×10-5m2/s，大氣壓強(qiáng)為1.013×105Pa。求蒸干水層所需時(shí)間。解：本題中水層Z的變化是時(shí)間的函數(shù)，且與擴(kuò)散速率有關(guān)。查教材附錄水的物理性質(zhì)得，20時(shí)水的蒸汽

6、壓為2.3346kPa。已知條件為：代入上式得：水的摩爾質(zhì)量，設(shè)垂直管截面積為A，在時(shí)間內(nèi)汽化的水量應(yīng)等于水?dāng)U散出管口的量，即 則在，到，之間積分，得6-6 含組分A為0.1的混合氣，用含A為0.01（均為摩爾分?jǐn)?shù)）的液體吸收其中的A。已知A在氣、液兩相中的平衡關(guān)系為，液氣比為0.8，求：(1) 逆流操作時(shí)，吸收液出口最高組成是多少？此時(shí)的吸收率是多少？若，各量又是多少？分別在y-x圖上表示；(2) 若改為并流操作，液體出口最高組成是多少？此時(shí)的吸收率又是多少？解 (1) 逆流操作(題6-6 圖(a)時(shí)，已知題6-6 圖， 當(dāng)，以及塔高無(wú)窮高時(shí),在塔底達(dá)到兩相平衡(題8-9圖(b), 。根據(jù)物

7、料衡算可知此時(shí) , 吸收率為 當(dāng),以及塔高無(wú)窮高時(shí),在塔頂達(dá)到吸收平衡(題 8-9圖(b)，。仍可以根據(jù)物料衡算 ，求出(2) 并流操作且時(shí)(題8-9 圖(c)，因?yàn)?，所以有根?jù)操作線關(guān)系,有式，聯(lián)立，求得:于是分析 逆流吸收操作中，操作線斜率比平衡線斜率大時(shí)，氣液可能在塔頂呈平衡；此時(shí)吸收率最大，但吸收液濃度不是最高。操作線斜率小于平衡線斜率時(shí)，氣液在塔底呈平衡；吸收液濃度是最高的，但吸收率不是最高。6-7 用水吸收氣體中的SO2 ，氣體中SO2 的平均組成為0.02(摩爾分?jǐn)?shù))，水中SO2 的平均濃度為1g/1000g。塔中操作壓力為10.13kPa(表壓)，現(xiàn)已知?dú)庀鄠髻|(zhì)分系數(shù)=0.3&

8、#215;10-2kmol/（m2·h·kPa），液相傳質(zhì)分系數(shù)= 0.4 m/h。操作條件下平衡關(guān)系。求總傳質(zhì)系數(shù)KY（kmol/（m2·h）。解 根據(jù)和得現(xiàn)已知，因此要先根據(jù)下式求出才能求出:因此還要求出 ：于是便可求出和分析 此題主要練習(xí)各種傳質(zhì)系數(shù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，第二目的是了解各系數(shù)的量級(jí)。6-8 在1.013×105Pa、27下用水吸收混于空氣中的甲醇蒸氣。甲醇在氣、液兩相中的濃度很低，平衡關(guān)系服從亨利定律。已知H=0.511 kPa ·m3/kmol，氣膜吸收分系數(shù)kG=1.55×105kmol/(m2·s

9、83;kPa)，液膜吸收分系數(shù)kL=2.08×105 (m/s)。試求吸收總系數(shù)KG并算出氣膜阻力在總阻力中所占的百分?jǐn)?shù)。解 根據(jù)定義式和，可知所以只要求出即可。又所以因?yàn)闉闅庀嘧枇?，為總阻力，故分?此題應(yīng)和題6-9一起綜合考慮。6-9 在吸收塔內(nèi)用水吸收混于空氣中的低濃度甲醇，操作溫度為27，壓強(qiáng)為1.013×105Pa。穩(wěn)定操作狀況下塔內(nèi)某截面上的氣相中甲醇分壓為37.5mmHg，液相中甲醇濃度為2.11kmol/m3。試根據(jù)題6-8中有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算出該截面的吸收速率。解 吸收速率可以用公式 求出。其中于是可得分析 (1) 此時(shí)，根據(jù), 還可以計(jì)算出氣液界面氣相側(cè)中的甲

10、醇分壓（）以及液相側(cè)中的甲醇濃度 （），此值遠(yuǎn)高于主體溶液中的甲醇濃度 。(2) 是不是題目有些問(wèn)題？含5%甲醇的空氣似乎應(yīng)是入口氣 體，因此應(yīng)是出塔液體的濃度，而此液體的濃度也太低了 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.0064%)，這些水又有何用呢？(3) 若將題目中 甲醇濃度改為，則質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.4 %，便可以用精餾法回收其中的甲醇。6-10 附圖為幾種雙塔吸收流程，試在y-x圖上定性畫出每種吸收流程中A、B兩塔的操作線和平衡線，并標(biāo)出兩塔對(duì)應(yīng)的氣、液相進(jìn)出口摩爾分?jǐn)?shù)。題6-10附圖(c)（d）6-11 在某逆流吸收塔內(nèi)，于101.3kPa、24下用清水吸收混合氣體中的H2S，將其濃度由2%降至0.1%（

11、體積分?jǐn)?shù)）。系統(tǒng)符合亨利定律，E=545×101.3kPa。若吸收劑用量為最小用量的1.2倍，試計(jì)算操作液氣比及出口液相組成。 解：已知 y1=0.02 y2=0.001 P =101.33KPa 則 又據(jù)全塔物料衡算即操作液氣比為776.25 出口液相組成X1為6-12用純水逆流吸收氣體混合物中的SO2，SO2的初始濃度為5（體積分?jǐn)?shù)），操作條件下的相平衡關(guān)系為y5.0x，分別計(jì)算液氣比為4和6時(shí)氣體的極限出口濃度。解：當(dāng)填料塔為無(wú)限高，氣體出口濃度達(dá)極限值，此時(shí)操作線與平衡線相交。對(duì)于逆流操作，操作線與平衡線交點(diǎn)位置取決于液氣比與相平衡常數(shù)m的相對(duì)大小。當(dāng)，時(shí)，操作線與與平衡線交

12、于塔底，由相平衡關(guān)系可以計(jì)算液體出口的最大濃度為由物料衡算關(guān)系可以求得氣體的極限出口濃度為：當(dāng)，操作線與平衡線交于塔頂，由平衡關(guān)系可以計(jì)算氣體極限出口濃度為：由物料衡算關(guān)系可求得液體出口濃度為：從以上計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)時(shí)，氣體的極限殘余濃度隨增大而減??；當(dāng)時(shí)，氣體的極限濃度只取決于吸收劑初始濃度，而與吸收劑的用量無(wú)關(guān)。6-13 在某填料吸收塔中，用清水處理含SO2的混合氣體。逆流操作，進(jìn)塔氣體中含SO2為0.08(摩爾分?jǐn)?shù))，其余為惰性氣體?；旌蠚獾钠骄鄬?duì)分子質(zhì)量取28。水的用量比最小用量大65%，要求每小時(shí)從混合氣中吸收2000kg的SO2。已知操作條件下氣、液平衡關(guān)系為。計(jì)算每小時(shí)用水量為

13、多少立方米。解：根據(jù)題意得根據(jù)吸收的SO2質(zhì)量求得混合氣中惰性氣體的流量根據(jù)物料衡算解得又 則 則每小時(shí)的用水量為6-14 用純?nèi)軇?duì)低濃度氣體作逆流吸收，可溶組分的回收率為，采用的液氣比是最小液氣比的倍。物系平衡關(guān)系服從亨利定律。試以、兩個(gè)參數(shù)列出計(jì)算NOG的表達(dá)式。解：令進(jìn)塔氣體濃度為y1，則出塔氣體濃度為 x2=0由上題證明的結(jié)果： 又6-15 在一填料吸收塔內(nèi)，用含溶質(zhì)為0.0099的吸收劑逆流吸收混合氣體中溶質(zhì)的85%，進(jìn)塔氣體中溶質(zhì)濃度為0.091，操作液氣比為0.9，已知操作條件下系統(tǒng)的平衡關(guān)系為，假設(shè)總體積傳質(zhì)系數(shù)與流動(dòng)方式無(wú)關(guān)。試求：（1）逆流操作改為并流操作后所得吸收液的濃

14、度；（2）逆流操作與并流操作平均吸收推動(dòng)力之比。解：逆流吸收時(shí)，已知y1=0.091，x2=0.0099所以 改為并流吸收后，設(shè)出塔氣、液相組成為、，進(jìn)塔氣。物料衡算：將物料衡算式代入NOG中整理得：逆流改為并流后，因KYa不變，即傳質(zhì)單元高度HOG不變，故NOG不變所以由物料衡算式得：將此兩式聯(lián)立得： 由計(jì)算結(jié)果可以看出，在逆流與并流的氣、液兩相進(jìn)口組成相等及操作條件相同的情況下，逆流操作可獲得較高的吸收液濃度及較大的吸收推動(dòng)力。6-16 今有逆流操作的填料吸收塔，用清水吸收原料氣中的甲醇。已知處理氣量為1000m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀況），原料氣中含甲醇100g/m3，吸收后的水中含甲醇量等于與進(jìn)

15、料氣體相平衡時(shí)組成的67%。設(shè)在標(biāo)準(zhǔn)狀況下操作，吸收平衡關(guān)系為，甲醇的回收率為98%，Ky = 0.5 kmol/（m2·h），塔內(nèi)填料的有效比表面積為190 m2/m3，塔內(nèi)氣體的空塔流速為0.5 m/s。試求： (1) 水的用量；(2) 塔徑；(3) 填料層高度。解 下面計(jì)算中下標(biāo)1表示塔底，2表示塔頂。根據(jù)已知操作條件，有 ，（1） 根據(jù)全塔的甲醇物料衡算式 可以得出用水量（2） 塔徑，可圓整到0.84m。（3） 由于是低濃度吸收，故可以將近似為,并存在，則可進(jìn)行以下計(jì)算：填料層高度先計(jì)算氣相總傳質(zhì)單元數(shù)： 再計(jì)算氣相總傳質(zhì)單元高度最終解得分析 (1)這是一個(gè)典型的設(shè)計(jì)型問(wèn)題，

16、即已知工藝要求，希望設(shè)計(jì)出用水量、塔徑和塔高。(2) 若不進(jìn)行以上近似，則可按下述方法求解:式中：-氣體總流量。于是對(duì)上式進(jìn)行積分得（當(dāng)然此時(shí)也會(huì)隨著流量變化而變化，求解時(shí)還需要做另外的近似）（3） 或者做以下近似處理得其中，可取和的平均值；可取和的平均值。取則以上兩種方法的計(jì)算結(jié)果具有可比性。6-17 在一填料吸收塔內(nèi)，用清水逆流吸收空氣中的NH3，入塔混合氣中NH3的含量為0.01（摩爾分率，下同），吸收在常壓、溫度為10的條件下進(jìn)行，吸收率達(dá)95%，吸收液中NH3含量為0.01。操作條件下的平衡關(guān)系為，試計(jì)算清水流量增加1倍時(shí)，吸收率、吸收推動(dòng)力和阻力如何變化，并定性畫出吸收操作線的變化

17、。解：吸收率增加，吸收推動(dòng)力增加2是清水增加一倍時(shí)的操作線，斜率增加，推動(dòng)力增大。6-18 某吸收塔用25mm×25mm的瓷環(huán)作填料，充填高度5m，塔徑1m，用清水逆流吸收流量為2250m3/h的混合氣?；旌掀渲泻斜w積分?jǐn)?shù)為5%，塔頂逸出廢氣含丙酮體積分?jǐn)?shù)將為0.26%，塔底液體中每千克水帶有60g丙酮。操作在101.3kPa、25下進(jìn)行，物系的平衡關(guān)系為y=2x。試求（1）該塔的傳質(zhì)單元高數(shù)HOG及體積吸收系數(shù)Kya；（2）每小時(shí)回收的丙酮量，kg/h。解：（1）M丙酮=58 由全塔物料衡算： （2） 每小時(shí)回收的丙酮量為：6-19 在一填料層高度為5m的填料塔內(nèi)，用純?nèi)軇┪?/p>

18、收混合氣中的溶質(zhì)組分。當(dāng)液氣比為1.0時(shí)，溶質(zhì)回收率可達(dá)90%。在操作條件下氣液平衡關(guān)系為y=0.5x?，F(xiàn)改用另一種性能較好的填料，在相同的操作條件下，溶質(zhì)回收率可提高到95%，試問(wèn)此填料的體積吸收總系數(shù)為原填料的多少倍？解：本題為操作型計(jì)算，NOG宜用脫吸因數(shù)法求算。原工況下：因X2=0，則：新工況（即新型填料）下：則 即新型填料的體積傳質(zhì)系數(shù)為原填料的1.38倍。討論：對(duì)一定高度的填料塔。在其他條件不變下，采用新型填料，即可提高KYa，減小傳質(zhì)阻力，從而提高分離效果6-20某填料吸收塔高2.7m，在常壓下用清水逆流吸收混合氣中的氮?；旌蠚馊胨哪柫髀蕿?.03kmol/(m2·

19、s),清水的噴淋密度0.018 kmol/(m2·s)。進(jìn)口氣體中含氮體積分?jǐn)?shù)為2%，已知?dú)庀嗫傮w積吸收系數(shù)Kya=0.1 kmol/(m3·s),操作條件下亨利系數(shù)為60kPa。試求排出氣體中氮的濃度。解： 即操作線與平衡線平行，此時(shí) 故 所以解得6-21 某填料吸收塔用含溶質(zhì)x2=0.0002的溶劑逆流吸收混合氣中的可溶組分，采用液氣比是3，氣體入口摩爾分?jǐn)?shù)y1=0.001，回收率可達(dá)90%.已知物系的平衡關(guān)系為y=2x。 今因解吸不良使吸收劑入口摩爾分?jǐn)?shù)x2升至0.00035，試求：（1）可溶組分的回收率下降至多少？（2）液相出塔摩爾分?jǐn)?shù)升高至多少？解：（1）當(dāng)上升時(shí)

20、，由于H不變，不變 也不變，即（3） 物料衡算6-22用一填料塔逆流吸收空氣中的氨。單位塔截面上的混合氣體流率為0.036 kmol/m2·s，含氨2（摩爾分率，下同），新鮮吸收劑為含氨0.0003的水溶液，從塔頂加入。要求氨的回收率不低于91，設(shè)計(jì)采用液氣比為最小液氣比的1.3倍。氨-水-空氣物系的相平衡關(guān)系為y=1.2x。已知?dú)庀嗫倐飨禂?shù) Kya為0.0483 kmol/ m3·s ，過(guò)程為氣膜控制。 試求：(1)所需塔高.(2)若采用部分吸收劑再循環(huán)從塔頂加入，新鮮吸收劑用量不變，循環(huán)量與新鮮吸收劑量之比為1:10，為達(dá)到同樣的回收率，所需塔高為多少?解：（1）對(duì)吸收

21、塔作物料衡算吸收塔內(nèi)液氣比為全塔物料衡算其中 全塔的傳質(zhì)單元數(shù)所需塔高為（2） 當(dāng)有部分吸收劑再循環(huán)后，吸收劑的入塔含量為 吸收塔內(nèi)液氣比全塔物料衡算 聯(lián)立 、兩式可解得 全塔的傳質(zhì)單元數(shù)所需塔高6-23 為測(cè)定填料層的體積吸收系數(shù)Kya，在填料塔內(nèi)以清水為溶劑，吸收空氣中低濃度的溶質(zhì)組分A。試畫出流程示意圖，指出需要知道哪些條件和測(cè)取哪些參數(shù)；寫出計(jì)算Kya 的步驟；在液體流量和入塔氣體中組分A濃度不變的情況下，加大氣體流量，試問(wèn)尾氣中組分A的濃度是增大還是減??？題6-23圖解 流程如圖（a）所示，由于所以，為了測(cè)出，需要知道物系的平衡關(guān)系，因而需要測(cè)定溫度，以便于從手冊(cè)中查找有關(guān)數(shù)據(jù)，還需

22、測(cè)量進(jìn)、出口的氣、液流量及組成、塔徑和填料層的高度。求KYa的步驟如下：（1） 在穩(wěn)定操作條件下測(cè)出L，V，X1，X2=0，Y1,Y2 以及溫度；（2） 依據(jù)平衡關(guān)系求出平均推動(dòng)力Ym；（3） 量出塔徑DT =4DT2 及填料層高度H；（4） 將以上各量代入式，及求得Kya。若加入大氣體流量，尾氣中組分A的濃度將增高。其分析如圖b所示。分析（1）實(shí)驗(yàn)時(shí)要多測(cè)一些L和V條件下的數(shù)據(jù)以便總結(jié)出規(guī)律。（2）試分析增大氣體流量后 X1 會(huì)如何改變 ?（3）測(cè)水流量 L 有何用途 ?6-24 某逆流操作的填料吸收塔，塔截面積1m2，用清水吸收混合氣中的氨氣，混合氣量為0.06kmol/s，其中氨的濃度為

23、0.01（摩爾分率），要求氨的回收率至少為95%。已知吸收劑用量為最小用量的1.5倍，氣相總體積吸收系數(shù)為0.06kmol/(m3·s)，且G0.8。操作壓力101.33kPa，操作溫度30，在此條件下，氣液平衡關(guān)系為，試求：（1） 填料層高度（m）；（2）若混合氣體量增大，則按比例增大吸收劑的流量，能否保證溶質(zhì)吸收率不下降？簡(jiǎn)述其原因；（3）若混合氣體量增大，且保證溶質(zhì)吸收率不下降，可采取哪些措施？解：（1）根據(jù)題意得 全塔的傳質(zhì)單元數(shù)全塔的傳質(zhì)單元高度（2） 假設(shè)能保證吸收率不下降，則有又因?yàn)長(zhǎng)與V按比例增大，所以，則，則不變又因?yàn)?則假設(shè)不成立，不能滿足要求（3） 在H不變時(shí)，

24、則，又因?yàn)榕cm均不變，需要L或者換用更加高效的填料思考題6-1吸收的目的和基本依據(jù)是什么？吸收的主要操作費(fèi)用花費(fèi)在哪里？答：目的是分離氣體混合物，依據(jù)是氣體混合物中各組分在溶劑中的溶解度不同；操作費(fèi)用主要花費(fèi)在溶劑再生，溶劑損失。6-2 選擇吸收劑的主要依據(jù)是什么？什么是溶劑的選擇性？答：溶解度大，選擇性高，再生方便，蒸氣壓低，損失小。溶劑對(duì)溶質(zhì)溶解度大，對(duì)其他組分溶解度小。6-3 E、m、H三者各自與溫度、總壓有何關(guān)系？答：m、E、H均隨溫度上升而增大，E、H基本上與總壓無(wú)關(guān)，m反比于總壓。6-4 擴(kuò)散流JA，凈物流N，傳質(zhì)速率NA相互之間有什么聯(lián)系和區(qū)別？答：，。濃度梯度引起，微壓力差引起，溶質(zhì)傳遞。6-5 漂流因子有什么含義？等分子反向擴(kuò)散時(shí)有無(wú)漂流因子？為什么？答：表示了主體流動(dòng)對(duì)傳質(zhì)