化工原理下冊第六章吸收習題的答案

...wd......wd......wd...6-1在101.3kPa(絕對壓力下)，100g水中含氨1g的溶液上方的平衡氨氣分壓為987Pa。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200kPa(表壓)時的H，E，m值?！布僭O：在上述范圍內(nèi)氣液平衡關系服從亨利定律，氨水密度均為1000〕解：〔1〕根據(jù)條件定義〔2〕根據(jù)條件可知根據(jù)定義式可得〔3〕根據(jù)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，故。分析〔1〕注意一些近似處理并分析其誤差?！?〕注意，和的影響因素，這是此題練習的主要內(nèi)容之一。6-2在25℃下，CO2分壓為50kPa的混合氣分別與下述溶液接觸：含CO2為0.01mol/L的水溶液；含CO2為0.05mol/L的水溶液。試求這兩種情況下CO2的傳質(zhì)方向與推動力。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為所以得于是：〔1〕為吸收過程，?！?〕為解吸過程，。分析〔1〕推動力的表示方法可以有很多種，比方，用壓力差表示時：①推動力〔吸收〕②推動力〔解吸〕或者,用摩爾分數(shù)差表示時①由，判斷出將發(fā)生吸收過程，推動力；②由，判斷出將發(fā)生解吸過程，推動力〔2〕推動力均用正值表示。6-3指出以下過程是吸收過程還是解吸過程，推動力是多少，并在x-y圖上表示。(1)含SO2為0.001(摩爾分數(shù))的水溶液與含SO2為0.03(摩爾分數(shù))的混合氣接觸，總壓為101.3kPa，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300kPa(絕對壓力)。解(1)根據(jù)《化工原理》教材中表8-1知T=35℃時，SO2的,故根據(jù)相平衡關系,得由于，所以將發(fā)生解吸過程。傳質(zhì)推動力為(2)T=15℃時,SO2的，故根據(jù)相平衡關系,得由于，所以將發(fā)生吸收過程。傳質(zhì)推動力為(3)同理可知,當T=35℃，p=300kPa時,，故由于，所以將發(fā)生吸收過程。推動力為示意圖見題6-3圖。題6-3圖分析體會通過改變溫度和總壓來實現(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(摩爾分數(shù))，在常壓和25℃下用水吸收，過程中不斷移走熱量以使吸收在等溫下進展。進氣量為1000m3，出口氣體中含氨0.01(摩爾分數(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)進展物料衡算時應以摩爾數(shù)或者質(zhì)量為基準,一般不以體積為基準。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。

(2)此題是并流還是逆流?有區(qū)別嗎?

(3)若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散逐漸蒸發(fā)到大氣中。假定擴散始終是通過一層厚度為5mm的靜止空氣膜層，此空氣膜層以外的水蒸氣分壓為零。擴散系數(shù)為2.6×10-5m2/s，大氣壓強為1.013×105Pa。求蒸干水層所需時間。解：此題中水層Z的變化是時間的函數(shù)，且與擴散速率有關。查教材附錄水的物理性質(zhì)得，20℃時水的蒸汽壓為2.3346kPa。條件為：代入上式得：水的摩爾質(zhì)量，設垂直管截面積為A，在時間內(nèi)汽化的水量應等于水擴散出管口的量，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〔均為摩爾分數(shù)〕的液體吸收其中的A。A在氣、液兩相中的平衡關系為，液氣比為0.8，求：(1)逆流操作時，吸收液出口最高組成是多少此時的吸收率是多少假設，各量又是多少分別在y-x圖上表示；(2)假設改為并流操作，液體出口最高組成是多少此時的吸收率又是多少解(1)逆流操作(題6-6圖(a))時，題6-6圖，①當，以及塔高無窮高時,在塔底到達兩相平衡(題8-9圖(b)),。根據(jù)物料衡算可知此時,吸收率為②當,以及塔高無窮高時,在塔頂?shù)竭_吸收平衡(題8-9圖(b))，。仍可以根據(jù)物料衡算，求出并流操作且時(題8-9圖(c))，因為，所以有根據(jù)操作線關系,有式①，②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，氣液可能在塔頂呈平衡；此時吸收率最大，但吸收液濃度不是最高。操作線斜率小于平衡線斜率時，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(摩爾分數(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)氣相傳質(zhì)分系數(shù)=0.3×10-2kmol/〔m2·h·kPa〕，液相傳質(zhì)分系數(shù)=0.4m/h。操作條件下平衡關系。求總傳質(zhì)系數(shù)KY〔kmol/〔m2·h〕〕。解根據(jù)和得現(xiàn)，，，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各種傳質(zhì)系數(shù)之間的轉(zhuǎn)換關系，第二目的是了解各系數(shù)的量級。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，平衡關系服從亨利定律。H=0.511kPa·m3/kmol，氣膜吸收分系數(shù)kG=1.55×105kmol/(m2·s·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數(shù)。解根據(jù)定義式和，可知所以只要求出即可。又所以因為為氣相阻力，為總阻力，故分析此題應和題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中有關數(shù)據(jù)計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，根據(jù),還可以計算出氣液界面氣相側中的甲醇分壓〔〕以及液相側中的甲醇濃度〔〕，此值遠高于主體溶液中的甲醇濃度。是不是題目有些問題含5%甲醇的空氣似乎應是入口氣體，因此應是出塔液體的濃度，而此液體的濃度也太低了(質(zhì)量分數(shù)僅為0.0064%)，這些水又有何用呢假設將題目中甲醇濃度改為，則質(zhì)量分數(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，并標出兩塔對應的氣、液相進出口摩爾分數(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%〔體積分數(shù)〕。系統(tǒng)符合亨利定律，E=545×101.3kPa。假設吸收劑用量為最小用量的1.2倍，試計算操作液氣比及出口液相組成。解：y1=0.02y2=0.001P=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％〔體積分數(shù)〕，操作條件下的相平衡關系為y＝5.0x，分別計算液氣比為4和6時氣體的極限出口濃度。解：當填料塔為無限高，氣體出口濃度達極限值，此時操作線與平衡線相交。對于逆流操作，操作線與平衡線交點位置取決于液氣比與相平衡常數(shù)m的相對大小。當，時，操作線與與平衡線交于塔底，由相平衡關系可以計算液體出口的最大濃度為由物料衡算關系可以求得氣體的極限出口濃度為：當，，操作線與平衡線交于塔頂，由平衡關系可以計算氣體極限出口濃度為：由物料衡算關系可求得液體出口濃度為：從以上計算結果可知，當時，氣體的極限剩余濃度隨增大而減??；當時，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關。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，進塔氣體中含SO2為0.08(摩爾分數(shù))，其余為惰性氣體?；旌蠚獾钠骄鄬Ψ肿淤|(zhì)量取28。水的用量比最小用量大65%，要求每小時從混合氣中吸收2000kg的SO2。操作條件下氣、液平衡關系為。計算每小時用水量為多少立方米。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的用水量為6-14用純?nèi)軇Φ蜐舛葰怏w作逆流吸收，可溶組分的回收率為η，采用的液氣比是最小液氣比的β倍。物系平衡關系服從亨利定律。試以η、β兩個參數(shù)列出計算NOG的表達式。解：令進塔氣體濃度為y1，則出塔氣體濃度為x2=0由上題證明的結果：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%，進塔氣體中溶質(zhì)濃度為0.091，操作液氣比為0.9，操作條件下系統(tǒng)的平衡關系為，假設總體積傳質(zhì)系數(shù)與流動方式無關。試求：〔1〕逆流操作改為并流操作后所得吸收液的濃度；〔2〕逆流操作與并流操作平均吸收推動力之比。解：逆流吸收時，y1=0.091，x2=0.0099所以改為并流吸收后，設出塔氣、液相組成為、，進塔氣。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：由計算結果可以看出，在逆流與并流的氣、液兩相進口組成相等及操作條件一樣的情況下，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。處理氣量為1000m3/h〔標準狀況〕，原料氣中含甲醇100g/m3，吸收后的水中含甲醇量等于與進料氣體相平衡時組成的67%。設在標準狀況下操作，吸收平衡關系為，甲醇的回收率為98%，Ky=0.5kmol/〔m2·h〕，塔內(nèi)填料的有效比外表積為190m2/m3，塔內(nèi)氣體的空塔流速為0.5m/s。試求：(1)水的用量；(2)塔徑；(3)填料層高度。解下面計算中下標1表示塔底，2表示塔頂。根據(jù)操作條件，有，根據(jù)全塔的甲醇物料衡算式可以得出用水量塔徑，可圓整到0.84m。由于是低濃度吸收，故可以將近似為,并存在，則可進展以下計算：填料層高度先計算氣相總傳質(zhì)單元數(shù)：再計算氣相總傳質(zhì)單元高度最終解得分析(1)這是一個典型的設計型問題，即工藝要求，希望設計出用水量、塔徑和塔高。假設不進展以上近似，則可按下述方法求解:式中：-氣體總流量。于是對上式進展積分得〔當然此時也會隨著流量變化而變化，求解時還需要做另外的近似〕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算結果具有可比性。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℃的條件下進展，吸收率達95%，吸收液中NH3含量為0.01。操作條件下的平衡關系為，試計算清水流量增加1倍時，吸收率、吸收推動力和阻力若何變化，并定性畫出吸收操作線的變化。解：吸收率增加，吸收推動力增加2是清水增加一倍時的操作線，斜率增加，推動力增大。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積分數(shù)為5%，塔頂逸出廢氣含丙酮體積分數(shù)將為0.26%，塔底液體中每千克水帶有60g丙酮。操作在101.3kPa、25QUOTE℃下進展，物系的平衡關系為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〕每小時回收的丙酮量，kg/h。解：〔1〕M丙酮=58∴由全塔物料衡算：∴∵∴每小時回收的丙酮量為：6-19在一填料層高度為5m的填料塔內(nèi)，用純?nèi)軇┪栈旌蠚庵械娜苜|(zhì)組分。當液氣比為1.0時，溶質(zhì)回收率可達90%。在操作條件下氣液平衡關系為y=0.5x。現(xiàn)改用另一種性能較好的填料，在一樣的操作條件下，溶質(zhì)回收率可提高到95%，試問此填料的體積吸收總系數(shù)為原填料的多少倍解：此題為操作型計算，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，從而提高別離效果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·s),清水的噴淋密度0.018kmol/(m2·s)。進口氣體中含氮體積分數(shù)為2%，氣相總體積吸收系數(shù)Kya=0.1kmol/(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，氣體入口摩爾分數(shù)y1=0.001，回收率可達90%.物系的平衡關系為y=2x。今因解吸不良使吸收劑入口摩爾分數(shù)x2升至0.00035，試求：〔1〕可溶組分的回收率下降至多少〔2〕液相出塔摩爾分數(shù)升高至多少解：〔1〕當上升時，由于H不變，不變∴也不變，即物料衡算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0.036kmol/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，從塔頂參加。要求氨的回收率不低于91％，設計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系為y=1.2x。氣相總傳系數(shù)Kya為0.0483kmol/m3·s，過程為氣膜控制。試求：(1)所需塔高.(2)假設采用局部吸收劑再循環(huán)從塔頂參加，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，為到達同樣的回收率，所需塔高為多少?解：〔1〕對吸收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)所需塔高為當有局部吸收劑再循環(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取哪些參數(shù)；寫出計算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，試問尾氣中組分A的濃度是增大還是減小題6-23圖解流程如圖〔a〕所示，由于所以，為了測出，需要知道物系的平衡關系，因而需要測定溫度，以便于從手冊中查找有關數(shù)據(jù)，還需測量進、出口的氣、液流量及組成、塔徑和填料層的高度。求KY在穩(wěn)定操作條件下測出L，V，X1依據(jù)平衡關系求出平均推動力?Y量出塔徑DTΩ=將以上各量代入式，及求得Ky假設參加大氣體流量，尾氣中組分A的濃度將增高。其分析如圖b所示。分析〔1〕實驗時要多測一些L和V條件下的數(shù)據(jù)以便總結出規(guī)律。〔2〕試分析增大氣體流量后X1會若何改變?〔3〕測水流量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0.01〔摩爾分率〕，要求氨的回收率至少為95%。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，氣液平衡關系為，試求：填料層高度〔m〕；〔2〕假設混合氣體量增大，則按比例增大吸收劑的流量，能否保證溶質(zhì)吸收率不下降簡述其原因；〔3〕假設混合氣體量增大，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)單元高度假設能保證吸收率不下降，則有又因為L與V按比例增大，所以，則∴，則不變又因為∴∴則假設不成立，不能滿足要求在H不變時，↑，則↓，又因為與m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用花費在哪里答：目的是別離氣體混合物，依據(jù)是氣體混合物中各組分在溶劑中的溶解度不同；操作費用主要花費在溶劑再生，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。溶劑對溶質(zhì)溶解度大，對其他組分溶解度小。6-3E、m、H三者各自與溫度、總壓有何關系答：m、E、H均隨溫度上升而增大，E、H基本上與總壓無關，m反比于總壓。6-4擴散流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散時有無