化工原理第七章

1、第7 章 習題解答1.含量為0.02（摩爾分數(shù)）的稀氨水在20時氨平衡的分壓為1.66kPa，氨水上方的總壓強為常壓，在此含量下相平衡關系服從亨利定律，氨水的密度可近似取1000kg/m3，試求算亨利系數(shù)E、H和m的數(shù)值各是多少？解: (1)由 可得 (2) 取1kmol氨水為基準，其中含0.98kmol水與0.02kmol氨，總摩爾體積為 氨水的總摩爾濃度為氨的摩爾濃度 由 ,可得 (3)由 2. 在01.33kPa、20時，氧氣在水中的溶解度可用Po2=4.06×106x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數(shù)。試求在此溫度及壓強下與空氣充分接觸后的水

2、中，每立方米溶有多少克氧。解：氧在空氣中的摩爾分率為0.21,故 在本題濃度范圍內(nèi)亨利定律適用，由查附錄表1可知，20時氧在水中的亨利系數(shù)E=4.06×106kPa,因x值甚小,所以溶液密度可按純水計算,即取=1000kg/m3,所以單位體積溶液中的溶質的摩爾濃度為則每立方米溶解氧氣質量為3.一直徑為25mm的萘球懸掛于靜止空氣中，進行分子擴散。系統(tǒng)溫度為20，已知該溫度下萘的蒸汽壓為1.3×,萘在空氣中的擴散系數(shù)，距萘球足夠遠處萘的濃度為零。求萘球單位表面、單位時間的揮發(fā)量。解:萘球的揮發(fā)屬單向擴散，但因萘球的蒸汽壓很小，氣相濃度較低，故漂流因子可取為1。設萘的半徑為R，

3、距球心r處萘濃度為c（）。則萘球表面單位時間的揮發(fā)量為 單位時間通過半徑為r球面的擴散量可根據(jù)費克定律計算，即 因萘球揮發(fā)速度很慢，可作為擬定態(tài)處理，故 積分上式 式中C萘球表面空氣中的萘的濃度，。 4.氨氣通過靜止的空氣薄層進行定態(tài)單向擴散，系統(tǒng)總壓101.33kP，靜止氣層兩邊的氨氣分壓各為20kPa及13.33kPa,實驗測得的傳質系數(shù)為。如果在相同的操作條件和組分濃度下，氨和空氣進行等分子反向擴散，試求：(1)此時的傳質系數(shù)(2)此時的傳質速率。分析：單向擴散速率 等分子反向擴散速率 可知在同樣操作條件和組分濃度下，單向擴散速率和傳質系數(shù)較之等分子反向擴散的和分別大倍。解：（1） 由有

4、5.某低濃度氣體在被吸收時，平衡關系符合亨利定律，溶解度系數(shù)H=1.3kmol/(m3.kPa),若已知氣相傳質系數(shù)kG=2.50×10-7kmol/(m2.s.kPa)，液相傳質系數(shù)kL=6.85×10-5m/s，試求氣相總傳質系數(shù)KG,并分析該吸收過程的控制因素及氣體溶解的難易程度。解: 因系統(tǒng)符合亨利定律,所以 由于 ,該吸收為氣相控制,為易溶氣體.6.在101.33kPa、0下的,O2與H2S混合氣體發(fā)生穩(wěn)定的分子擴散過程。已知相距0.2cm的兩截面上的 O2的分壓分別為13.43kPa和 6.70kPa，又知擴散系數(shù)為0.180cm2/s，試計算下列兩種情況下 O

5、2的傳遞速率，（1） O2與H2S兩種氣體作等分子反向擴散；（2）H2S氣體為停滯組分。解: (1) 等分子反向擴散時O2的傳遞速率 已知 D=0.180cm2/s=1.80×10-5 (m2/s) T=273K, P=101.3kPa, z=0.2cm=2×10-3m pA1=13.43kPa, pA2=6.70kPa,代入上式得(2) O2通過停滯H2S的擴散速率7.對低含量氣體吸收或解吸，由出發(fā)，試證明 證明 已知則同理可得 即 得 所以 8.在直徑為1m的填料吸收塔內(nèi)，用清水作溶劑，入塔混合氣流量為100 kmol/h，其中溶質含量為6%（體積），要求溶質回收率為9

6、5%，取實際液氣比為最小液氣比的1.4倍，已知在操作條件下的平衡關系為，總體積傳質系數(shù)，試求：（1）出塔液體組成；（2）所需填料層高； （3）若其他條件不變，將填料層在原有基礎上，加高，吸收率可增加到多少？解：（1）利用液氣比與組成的關系可求出塔液體組成 填料層高可由傳質單元數(shù)法計算 (3)其他條件不變，僅增加填料層高度，實際就是不改變傳質單元高度而增加傳質單元數(shù)。故可通過傳質單元數(shù)與組成的關系計算出塔高增加后的出塔氣相組成，進而求出吸收率。 9.在填料塔內(nèi)用清水逆流吸收空氣中的丙酮蒸氣，丙酮初始含量為（體積），若在該塔中將其吸收掉，混合氣入塔流率，操作壓力，溫度，此時平衡關系可用表示，體積總

7、傳質系數(shù)，若出塔水溶液的丙酮溶度為平衡濃度的，求所需水量和填料層高。該塔逆流操作。解：所需水量可由全塔物料衡算求出 由，得 填料層高度可由傳質單元數(shù)法計算。在計算傳質單元高度時應注意體積總傳質系數(shù)的表達方式要符合要求。 10.流率為50 kmol/(m2.h)的空氣混合氣中含氨體積分數(shù)為2%，逆流吸收操作回收其中95%的氨。塔淋入摩爾分數(shù)為0.0004的稀氨水溶液,設計采用的液氣比為最小液氣比的1.5倍。已知相平衡關系為y=1.2x , 所用填料的體積總傳質系數(shù)。試求：（1）液體在塔底的摩爾分數(shù)x1；（2）所需塔高。解：(1) 吸收塔出口空氣中含氨的摩爾分數(shù)為 根據(jù)物料衡算 ，得（2）則吸收塔

8、的平均推動力為傳質單元數(shù)為傳質單元高度為所以吸收塔填料層高度11.在一逆流操作的填料吸收塔中用清水吸收空氣中某組分A，已知操作條件下平衡關系為，入塔氣體中A的含量為6%(體積)，吸收率為96%，取吸收劑用量為最小用量的1.2倍，試求：(1)出塔水溶液的濃度；(2)若氣相總傳質單元高度為0.8，現(xiàn)有一填料層高為8的塔，問是否能用？解：對低濃度系統(tǒng)，計算時可用摩爾分數(shù)代替摩爾比，用混合氣體量代替惰性氣體量，用溶液量代替溶劑量。 (1) (2) 故此塔不能用。12.在某填料吸收塔中用清水逆流吸收空氣-氨低濃度混合氣中的氨，已知操作條件下平衡關系滿足亨利定律，該塔的氣相總傳質單元高度為0.6m，當液氣

9、比為最小液氣比的1.4倍時，吸收率可達95%，試求：(1) 該塔填料層高度；(2) 液相總傳質單元數(shù)。 解：此題沒有給出氣液流量，只給出了入塔液相為清水，故要用解吸因數(shù)法計算。 (1) (2) 以乘得 以 乘得 故 又 所以 13.有一填料塔，填料層高1.3m ，用清水吸收空氣中的丙酮，氣液作穩(wěn)定逆流操作。進入塔內(nèi)的混合氣中含有5%(體積)丙酮，其余為空氣。操作時液氣比為。實驗測得出口氣體中的丙酮為1.8%(體積)。設此時的平衡關系可按y=1.6x 計算(y、x均為摩爾分數(shù))。本題按低濃度吸收計算。（1）試求在上述操作條件下該填料層的氣相總傳質單元高度； (2) 假設將氣液逆流操作改為并流向下

10、操作，并設此時的傳質單元高度與逆流時相同，又若進口水、氣的流量和濃度與逆流時相同，則出口氣體中的丙酮含量為多少？解：(1) (2) 分析：可通過傳質單元數(shù)與氣相組成 的關系進行計算。通常傳質單元數(shù)的計算方法有兩種：一種是解吸因子法，該法是從逆流操作條件下推出的，故不能用于并流；另一種是對數(shù)平均推動力法，從對數(shù)平均推動力的物 理意義可知該法對逆流、并流皆適用。 方法一 如7-13附圖 所示，并流操作時出塔氣體 中丙酮濃度為yB。已知填料塔高度一定， 習題7-13 附圖 由題給條件可知不變，故也不變，仍為1.52。 得 代入 代入 所以 解出 方法二 由傳質單元數(shù)的定義積分求解 由物料衡算，得 代

11、入上式積分，并將已知值代入可求得 解出 14. 某填料吸收塔，用清水吸收某氣體混合物中的有害物質A，若進塔氣中含A 5%（體積），要求吸收率為99%，液體流率為3000m3/h，此時的液氣比是最小液氣比的1.5倍。如果物系服從亨利定律，已知塔內(nèi)操作溫度為25,平衡關系為，取空塔氣速為1.1m/s，氣相體積傳質分系數(shù)，試求：(1)用水量和塔底排出液組成x1；(2)填料層高度Z；(3)若入塔水中A的含量為0.001%(摩爾分數(shù))，問即使填料塔層高度可隨意增加，能否達到99%的去除率? 解: (1) (2) (3) 當x2=0.001時，有，比要求的大，故增高填料層不能達到要求。15混合氣含CO2體

12、積分數(shù)為10%，其余為空氣。在30、2MPa下用水吸收，使CO2的體積分數(shù)降至0.5%，水溶液出口組成X1=0.0006（摩爾比）?；旌蠚怏w處理量為2240 m/h（按標準狀態(tài)），塔徑為1.5m。亨利系數(shù)E=188 MPa，液相體積總傳質系數(shù)，試求每小時用水量及填料層高度。解: (1)用水量計算混合物氣流量 惰性氣體流量 用水量 (2)填料層高度Z計算水溶液的總濃度 體積傳質系數(shù) 液相總傳質單元高度 對數(shù)平均推動力法計算NOG氣液相平衡常數(shù) 液相總傳質單元數(shù) 吸收因數(shù)法計算NOL填料層高度16.有一吸收塔，填料層高度為3m，在常壓、20用清水來吸收氨和空氣混合氣體中的氨。吸收率為99%，進口氣

13、體中含氨6 %（體積），進口氣體速率為600 kg/(m2.h)，進口清水速率為800kg/(m2.h)，假設在等溫條件下逆流吸收操作，平衡關系，且與氣體質量流速的0.8次方成正比，分別計算改變下列操作條件后，達到相同分離程度所需填料層高度。(1)將操作壓強增加一倍（p=202.6kPa），其他條件不變；(2)將進口清水量增加一倍，其他條件不變；(3)將進口氣體流量增加一倍，其他條件不變。解：Z=3m，P=101.3kPa，T=293K混合氣體平均分子量（1） 由 ，可知故 故知HOG隨操作壓強而變化：則 即所需填料層高度較原來減少1.801m。（2） 則 液體質量流速的增加對總吸收系數(shù)KGa

14、無顯著影響。故 則 即所需填料層高度較原來減少0.603m。（3）氣體質量流速增加，總吸收系數(shù)KGa相應增大，依題意可知故 則 即所需填料層高度較原來增加4.82m。 17.用洗油從焦爐氣中吸收芳烴，所得到的吸收液在解吸塔內(nèi)用過熱蒸汽進行解吸，待解吸的液體初始含量為0.05（摩爾分數(shù)），解吸收塔內(nèi)液體流率為108 kmol/（m2.h）。已知在操作條件下的氣液平衡關系為，總傳質系數(shù)Kya為36kmol/m3.h），過熱蒸汽用量取最小用量的1.2倍，再生后的洗油中芳烴的含量不得超過0.005，求解吸塔的高度應為多少？解: 在最小氣液比下,氣液兩相在塔頂(即氣相出口)達到平衡狀態(tài),過熱蒸汽的最小用量為過熱蒸汽實際用量為解吸塔出口芳烴含量為解吸塔頂與塔底的傳質推動力分別為平均推動力為解吸塔高度為18.一吸收解吸流程附圖所示：脫苯煤氣 25 120 含苯水蒸氣含苯煤氣 水蒸氣 25 120 富吸收油 貧吸收油 習題7-18 附圖已知吸收塔塔內(nèi)平均溫度25，平均壓力106.4kPa,進氣量，進氣中苯含量0.02（摩爾分數(shù)，下同），苯的回收率為95%，入