吸收习题答案.docx

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吸收习题答案

5.5习题精选

5-1当压力不变时，温度提高1倍，溶质在气相中的扩散系数提高2.83倍；假设某液相黏度随温度变化很小，绝对温度降低1倍，则溶质在该液相中的扩散系数降低1倍。

5-2等分子反向扩散适合于描述精馏过程；单向扩散适合描述吸收和解吸过程。

5-3双组份理想气体进行单向扩散。

当总压增加时，若维持溶质A在气相各部分分压不变，传质速率将减少；温度提高，则传质速率将增加；气相惰性组分摩尔分率减少，则传质速率将增加。

5-4常压、25℃低浓度的氨水溶液，若氨水浓度和压力不变，而氨水温度提高，则亨利系数E增加，溶解度系数H减小，相平衡常数m增加，对吸收过程不利。

5-5常压、25℃低浓度的氨水溶液，若氨水上方总压增加，则亨利系数E不变，溶解度系数H不变，相平衡常数m减少，对解吸过程不利。

5-6常压、25℃密闭容器内装有低浓度的氨水溶液，若向其中通入氮气，则亨利系数E不变，溶解度系数H不变，相平衡常数m减少，气相平衡分压不变。

5-7含5％（体积分率）二氧化碳的空气－二氧化碳混合气，在压力为101.3kPa，温度为25℃下，与浓度为1.1×10－3kmol/m3的二氧化碳水溶液接触,已知相平衡常数m为1641，则CO2从气相向液转移，以液相摩尔分率表示的传质总推动力为1.07×10-5。

5-8填料吸收塔内，用清水逆流吸收混合气体中的溶质A，操作条件下体系的相平衡常数m为3，进塔气体浓度为0.05（摩尔比），当操作液气比为4时，出塔气体的极限浓度为0；当操作液气比为2时，出塔液体的极限浓度为0.0167。

5-9难溶气体的吸收过程属于液膜控制过程，传质总阻力主要集中在液膜侧，提高吸收速率的有效措施是提高液相流体的流速和湍动程度。

5-10在填料塔内用清水吸收混合气体中的NH3，发现风机因故障输出混合气体的流量减少，

这时气相总传质阻力将增加；若因故清水泵送水量下降，则气相总传质单元数不变。

5-11低浓度逆流吸收塔中，若吸收过程为气膜控制过程，同比例增加液气量，其他条件不变，则HOG增加，YmX1下降，出塔气体Y2增加，吸收率下

降。

5-12采用逆流填料吸收塔吸收某溶质，当要求液体含量不低于某一数值，且工艺对吸收剂用量有一定的限制，结果填料未能得到充分润湿时，总传质系数降低，工业上通常1

采用吸收液再循环流程提高填料的润湿率，当总传质系数提高程度大于传质推动力降低程度时，此操作对吸收过程是有利的。

5-13溶质A的摩尔比XA=0.2的溶液与总压为2atm，YA=0.15（摩尔比）的气体接触，此条件

下的平衡关系为p*=1.2XA（atm）。

则此时将发生吸收过程；用气相组成表示的总传A

质推动力∆Y=0.03；若系统温度略有提高，则∆Y将降低；若系统总压略有增加，则∆Y将增加。

5-14在吸收塔设计中，传质单元高度的大小反映了吸收塔设备效能的高低；传质单元数反映了吸收过程的难易程度。

5-15在一逆流吸收塔内，填料层高度无穷大，当操作液气比

到平衡；当操作液气比L

VLV>m时，气液两相在塔顶达LV

时，气液两相在全塔各截面达到平衡。

5-16用清水吸收空气－NH3中的氨气通常被认为是气膜控制的吸收过程，当其它条件不

变，进入吸收塔清水流量增加，则出口气体中氨的浓度减少，出口液中氨的浓度减少，溶质回收率增大。

5-17在常压低浓度溶质的气液平衡体系中，当温度和压力不变时，液相中溶质浓度增加，溶解度系数H不变，亨利系数E不变。

5-18对于易溶气体的吸收过程，气相一侧的界面浓度Yi接近于Y＊（液相主体浓度平衡的摩尔比），而液相一侧的界面浓度Xi接近于X（液相主体浓度）。

5-19解吸过程中，解吸塔某截面的气相溶质分压小于液相浓度的平衡分压，解吸操作线总在平衡线的下方。

5-20吸收因数可表示为A＝L／（Vm），它在X-Y图的几何意义是吸收操作线斜率与平衡线斜率之比。

5-21当减少吸收剂用量，Y1、Y2和X2不变，则传质推动力减少，操作线将靠近平

衡线，吸收塔设备费用将增加。

5-22一定操作条件下的填料吸收塔，若增加填料层高度，则传质单元高度HOG将不变，

传质单元数NOG将增加。

5-23在填料吸收塔设计过程中，若操作液气比⎛L⎫=⎪则全塔平均吸收推动力为V⎝V⎭minL

0，填料层高度无穷大。

5-24．传质单元数与分离要求、平衡关系、操作液气比有关。

5-25.最大吸收率ηmax与液气比、液体入塔浓度、相平衡常数有关。

335-26.在25℃下，用CO2浓度为0.01kmol/m和0.05kmol/m的CO2水溶液分别与CO2

分压为50.65kPa的混合气接触，操作条件下相平衡关系为pA*=1.66×105x（kPa）,试说

明上述两种情况下的传质方向，并用气相分压差和液相摩尔浓度差分别表示两种情况下的传质推动力。

解：

x=cAMSρS=0.01⨯18/1000=1.8⨯10-4

pA*=1.66×105×1.8×10-4=29.9（kPa）

pA=50.65kPa>pA*所以传质方向为溶质由气相到液相（吸收过程）

*以气相分压差表示的传质推动力为∆pA=pA-pA=50.65-29.9=20.8kPa

与CO2分压为50.65kPa的气相呈相平衡的液相摩尔浓度

c*A=ρSpA

MSE=1000⨯50.6518⨯1.66⨯105=0.017kmol/m3

以液相摩尔浓度差表示的传质推动力为

∆cA=cA-cA=0.017-0.01=0.007kmol/m

''*3x=cM

AS

ρS=0.05⨯18/1000=9.0⨯10-4

P’

A*=1.66×105×9.0×10-4=149.4（kPa）

pA=50.65kPa

以气相分压差表示的传质推动力为∆pA=pA-pA=149.4-50.65=98.8kPa

以液相摩尔浓度差表示的传质推动力为

∆cA=cA-cA=0.05-0.017=0.033kmol/m*3*

5-27.在一填料塔内用清水逆流吸收某二元混合气体中的溶质A。

已知进塔气体中溶质的浓度为0.03（摩尔比，下同），出塔液体浓度为0.0003，总压为101kPa，温度为40℃，问:

（1）压力不变，温度降为20℃时，塔底推动力（Y-Y）变为原来的多少倍？

（2）温度不变，压力达到202kPa，塔底推动力（Y-Y）变为原来的多少倍？

已知：

总压为101kPa，温度为40℃时，物系气液相平衡关系为Y*=50X。

总压为101kPa，温度为20℃时，物系气液相平衡关系为Y*=20X。

3**

解：

总压为101kPa，温度为40℃时

Y*=mX=50⨯3⨯10-4=0.015

所以（Y-Y*）1=0.03-0.015=0.015

（1）压力不变，温度降为20︒C时

Y*=mX=20⨯3⨯10'-4=0.006

所以（Y-Y*）2=0.03-0.006=0.024

（Y-Y）Y-Y*

*2=0.0240.015=1.6倍

1

（2）压力达到202kPa，温度为40︒C

m=''P1

P2

''m=12⨯50=25Y*=mX=25⨯3⨯10-4=0.0075

*所以（Y-Y）2=0.03-0.0075=0.0225

（Y-Y）Y-Y*

*2=0.02250.015=1.5倍

1

5-28.在一填料塔中进行吸收操作，原操作条件下，kYa=kXa=0.026kmol/m3.s，已知液相体积传质系数kXa∝L0.66。

试分别对m=0.1及m=5.0两种情况，计算当液体流量增

加一倍时，总传质阻力减少的百分数。

解：

（1）m=0.1时

1

KXa

L'=2L时=1kXa+1mkYa=10.026+10.1⨯0.026=423.08（m⋅s）/kmol3

kX'⎛L'⎫a=⎪⎝L⎭

=1

'0.66kXa=21mkYa0.66⨯0.026=0.0411kmol/（m110.1⨯0.0263⋅s）1'KXa+=kXa0.0411+=408.95（m⋅s）/kmol3

所以，阻力减少：

1KXa

-1

1'KXa

=

423.08-408.95

423.08

=3.34%

KXa

（2）m=5时

1KXa

L'=2L时

=

1kXa

+

1mkYa

=

10.026

+

15⨯0.026

=46.15（m⋅s）/kmol

3

kX

'

⎛L'⎫a=⎪

⎝L⎭

=a

1kXa

'

0.66

kXa=2

1mkYa

=

0.66

⨯0.026=0.0411kmol/（m

15⨯0.026

3

3

⋅s）

1K

'X

+

10.0411

+=32.02（m⋅s）/kmol

所以，阻力减少：

1KXa

-1KXa

1'KXa

=

46.15-32.02

46.15

=30.6%

5-29.用清水在填料吸收塔中逆流吸收含有溶质A的气体混合物。

进塔气体浓度为0.05（摩尔分率），在操作条件下相平衡关系为Y=5X，试分别计算液气比为6、5和4时，出塔气体的极限浓度和液体出口浓度。

解

（1）

LV

=6>m，当填料层高度为无穷时，操作线ab与平衡线交于塔顶。

=0

*

∴Y2,min=mX

2

由物料衡算：

X1=X2+

VL

（Y1-Y2,min）

=

0.051-0.05

=0.0526

其中Y1=

y11-y1

X1=

0.05266

=0.0088

（2）

LV

=5=m，操作线ab与平衡线重叠

=0，

0.05265

=0.0105

∴Y2,min=mX

∴X1,max=

Y1m=

2

（3）L

V=4

∴X1,max=Y1

m=0.0526

5=0.0105

由物料衡算：

Y2,min=Y1-LV（X1,max-X2）=0.0526-4⨯0.0105=0.0106

5-30.在填料塔中用清水吸收混合气体中的溶质，混合气中溶质的初始组成为0.05（摩尔分率），操作液气比为3，在操作条件下，相平衡关系为Y*=5X，通过计算比较逆流和并流吸收操作时溶质的最大吸收率。

解：

（1）逆流时

Y1=y11-y1=0.051-0.05=0.0526

在塔底达平衡

X1=Y1m=0.0526

5=0.0105

Y2=Y1-LV（X1-X2）=0.0526-3⨯0.0105=0.0211

ηmax=1-

（2）并流时Y2Y1=1-0.02110.0526=60%

在塔底达平衡，Y1=5X1

L（X1-X2）=V（Y2-Y1）

L⨯Y1

5=V（Y2-Y1）

5

8Y2=58⨯0.0526=0.0329∴Y1=

ηmax=1-Y1Y2=1-0.03290.0526=37.5%

逆流时溶质吸收率高

5-31.在101.3kPa、35℃的操作条件下，在吸收塔中用清水逆流吸收混合气中的溶质A，欲将溶质A的浓度由0.02（摩尔分率，下同）降至0.001，该系统符合亨利定律，操作条件下的亨利系数为5.52⨯104kPa。

若操作时吸收剂用量为最小用量的1.2倍，

（1）试计算操作液气比L/V及出塔液相组成X1。

（2）其它条件不变，操作温度降为15℃，此时亨利系数为1.2⨯104kPa，定量计算L/V及X1如何变化。

解：

（1）101.3kPa、35℃下

m=E

P=5.52⨯10101.34=545

=0.0204，Y2=y21-y20.0011-0.001=0.001Y1=y11-y1=0.021-0.02=

Y-Y20.0204-0.001⎛L⎫∴⎪=1==518Y0.0204⎝V⎭min1-X2545m

⎛L⎫=1.2⎪=1.2⨯518=622V⎝V⎭min

∴X1=X2L+VL（Y1-Y2）=0.0204-0.001622=3.12⨯10-5

（2）温度降为15︒C时

m=E

P=1.2⨯10

101.34=118.5

Y-Y20.0204-0.001⎛L⎫∴⎪=1==112.7Y0.0204⎝V⎭min1-X2118.5m

⎛L⎫=1.2⎪=1.2⨯112.7=135.2V⎝V⎭min

∴X1=X2L+VL（Y1-Y2）=0.0204-0.001135.2=1.4⨯10-4

5-32.下图为低浓度气体吸收的几种流程，气液平衡关系服从亨利定律，试在Y-X图上定性地画出与各个流程相对应的平衡线和操作线的位置，并用图中表示浓度的符号标明各操作线端点的坐标。

X2Y1Y2Y1

（1）7X11

（2）X12

Y21

Y22

X1

X1

X3

（3）

（习题5-32附图）

Y

Y1Y3

Y2

（1）

YY1

Y3Y2

（2）

（4）

YY1

Y2（4）

5-33.用纯溶剂逆流吸收低浓度气体中的溶质，溶质的回收率用η表示，操作液气比为

最小液气比的β倍。

相平衡关系为Y=mX，试以η、β两个参数表达传质单元数NOG。

解：

Y1-Y2⎛L⎫=⎪*⎝V⎭minX1-X=2*Y1-Y2Y1m=mη

⎛L⎫⎛L⎫∴⎪=β⎪=βmηVV⎝⎭⎝⎭min

S=mV

L=1/βη

2

2=11-ηY1-mXY2-mX=Y1

Y2

∴NOG=⎡⎤Y-mX2ln⎢（1-S）1+S⎥1-S⎣Y2-mX2⎦

⎡⎛11⎫11⎤⎪=ln⎢1-+⎥⎪1βη1-ηβη⎭⎣⎝⎦1-1βη

=⎡⎛1⎫1⎤⎪ln⎢1-⎥⎪1β1-η⎭⎣⎝⎦1-1βη

5-34.在逆流操作的填料吸收塔中，用清水吸收某低浓度气体混合物中的可溶组分。

操作条件下，该系统的平衡线与操作线为平行的两条直线。

已知气体混合物中惰性组分的摩尔流率为90kmol/m2.h，要求回收率达到90%，气相总体积传质系数KYa为0.02kmol/m.s，求填料层高度。

解：

Y2=（1-η）Y1

L

V=m3

∴推动力处处相等。

∆Ym=∆Y2=Y2-mX

NOG=Y1-Y2

∆Ym=2=Y2=（1-η）Y1=Y1-（1-η）Y1η1-η（1-η）Y1=0.91-0.9=9

HOG=V

KYa90=3600=1.25m0.02

Z=NOG⨯HOG=9⨯1.25=11.25m

5-35.直径为800mm的填料吸收塔内装6m高的填料，每小时处理2000m3（25℃，101.3kPa）的混合气，混合气中含丙酮5%，塔顶出口气体中含丙酮0.263%（均为摩尔分率）。

以清水为吸收剂，每千克塔底出口溶液中含丙酮61.2g。

在操作条件下的平衡关系为Y=2.0X，试根据以上测得的数据计算气相总体积传质系数KYa。

解：

y1=5%，Y1=y11-y1=0.051-0.05=0.0526*

y2=0.263%，Y2=y21-y2=0.263⨯10-2-21-0.263⨯10=2.64⨯10-3

X2=0，X1==0.02021000-61.2

1861.10

∆Y2=Y2-mX2=Y2=2.64⨯10-3∆Y1=Y1-mX1=0.0526-2⨯0.0202=0.0122

0.0122-2.64⨯10

ln0.0122-3∆Ym=∆Y1-∆Y2⎛∆Y1⎫ln∆Y2⎪⎝⎭

Y1-Y2

∆Ym=2.64⨯10-3-3=6.25⨯10-3∴NOG==0.0526-2.64⨯106.25⨯10-3=7.99HOG=zNOG=67.99=0.751m

而V=H2000⨯101.3⨯（1-0.05）8.314⨯298⨯0.785⨯0.8=V

KYa2=154.74kmol/（m2⋅h）OG154.74

0.7513KYa=VHOG==206.05kmol/（m⋅h）

5-36.体积流量为200m3/h（18℃、101.3kPa）的空气-氨混合物，用清水逆流吸收其中的氨，欲使氨含量由5%下降到0.04%（均为体积百分数）。

出塔氨水组成为其最大组成的80%。

今有一填料塔，塔径为0.3m，填料层高5m，操作条件下的相平衡关系为Y*=1.44X，问该塔是否合用？

KGa可用下式计算：

KGa=0.0027m0.35W0.36kmol/（m3.h.kPa）

m---气体质量流速，kg/（m2.h）；

W---液体质量流速，kg/（m2.h）。

解：

y1=5%，Y1=y11-y1=0.051-0.05=0.0526

y2=0.04%，Y2=0.04%=4⨯10

*-40.0526

1.44X2=0，X1=0.8X1=0.8Y1m

-4=0.8⨯=0.0292

∆Y2=Y2-mX2=Y2=4⨯10∆Y1=Y1-mX1=0.0526-1.44⨯0.0292=0.010611

∆Ym=

∆Y1-∆Y2⎛∆Y1⎫ln

∆Y2⎪⎝⎭

Y1-Y2∆Ym

=

0.0106-4⨯10ln0.0106

-4

4⨯10

-4

-4

=3.11⨯10

-3

∴NOG=

=

0.0526-4⨯10

3.11⨯10

-3

=16.78

混合气体摩尔流率：

G=

200⨯101.3

8.314⨯（273

+18）⨯0.785

⨯0.3

2

=118.62kmol/（m

2

⋅h）

混合气体平均分子量：

M=0.05⨯17+0.95⨯29=28.4kg/kmol

混合气体质量流速：

m=118.62⨯28.4=3368.8kg/（m

2

⋅h）

惰性组分摩尔流率：

V=G（1-y1）=118.62⨯（1-0.05）=112.69kmol/（m

2

⋅h）

又L（X1-X2）=V（Y1-Y2）

∴L=V

Y1-Y2X1-X

2

=112.69

0.0526-4⨯10

0.0292

-4

=201.45kmol/（m

2

⋅h）

液体质量流速：

w=201.45⨯18=3626.1kg/（m⋅h）

0.35

0.36

2

0.35

KGa=0.0027m

w=0.0027⨯3368.8

3

3626.1

0.36

=0.886kmol/（m

3

⋅h⋅kPa）

∴KYa=KGa⋅P=89.75kmol/（mHOG=

VKYaΩ

=112.6989.75

⋅h）

=1.26m

∴z=HOGNOG=1.26⨯16.78=21.14m

z需>z实=5m

所以，该塔不合适。

5-37.混合气中含0.1（摩尔分率，下同）CO2，其余为空气，于20℃及2026kPa下在填料塔中用清水逆流吸收，使CO2的浓度降到0.5%。

已知混合气的处理量为2240m/h（标准状态下），溶液出口浓度为0.0006，亨利系数E为200MPa，液相总体积传质系数KLa为50m3/h，塔径为1.5m。

试求每小时的用水量（kg/h）及所需填料层的高度。

3

解：

Y1=

y11-y1

=

0.11-0.1

=0.111，X1=

0.5%1-0.5%

x11-x1

=

0.00061-0.0006

-3

=0.0006

y2=0.5%，Y2=

LV

Y1-Y2X1-X

2

=0.503%=5.03⨯10

-3

==

0.111-5.03⨯10

0.0006

=176.6

而V=

2240（1-0.1）0.785⨯1.5⨯22.4

2

=50.96kmol/（m

2

2

⋅h）

L=176.6⨯50.96=8999.54kmol/（m⋅h）

液体流量

L=8999.54⨯0.785⨯1.52=15895.4kmol/h=15895.4⨯18=286117.2kg/h=286.117t/h

Ep

200⨯102026

3

相平衡常数m=

==98.7

∆X1=X1-X1=

*

Y1mY2m

=

-X1=

0.11198.7

-0.0006=5.247⨯10

-4

∆X2=X2-X2=

∆X1-∆X⎛∆X1ln

∆X⎝X1-X∆X

m

2

*

-X2=

5.247⨯10

5.03⨯1098.7

-4

-3

=5.097⨯10

-5

-5

∆X

m

=

2

-5.097⨯10

2

⎫

⎪⎭-4⎛⎫

ln5.247⨯10-5⎪

5.097⨯10⎭⎝

=2.032⨯10

-4

NOL=

=

0.0006-02.032⨯10

-4

=2.95

又KXa=C⋅KLa=

LK

X

ρSM

S

⋅KLa=

100018

⋅50=2778kmol/（m

3

⋅h）

H

OL

=

aΩ

=

8999.542778

=3.24m

∴z=HOLNOL=3.24⨯2.95=9.56m

5-38.有一常压吸收塔，塔截面为0.5m2,填料层高为3m，用清水逆流吸收混合气中的丙酮（丙酮的分子量为58kg/kmol）。

丙酮含量为0.05（摩尔比，下同），混合气中惰性气体的流量为1120m/h（标准状态）。

已知在液气比为3的条件下，出塔气体中丙酮含量为0.005，操作条件下的平衡关系为Y=2X。

试求：

（1）出塔液中丙酮的质量分率；

（2）气相总体积传质系数KYa（kmol/m3·s）

*

3

（3）若填料塔填料层增高3m,其它操作条件不变，问此吸收塔的吸收率为多大？

解：

（1）L

V=Y1-Y2

X1-X2=Y1-Y2X1

=0.015∴X1=Y1-Y2

L/V=0.05-0.005

3

0.015⨯58w=x1M1

x1M1+（1-x1）M2=58⨯0.015+0.985⨯18=0.0468

2

（2）V=1120/（22.4⨯3600⨯0.5）=0.027k8mo/lms

S=m/（L/V）=2/3=0.667

（Y1-mX2）/（Y2-mX2）=Y1/Y2=0.05/0.005=10

NOG=1

1-Sln[（1-S）Y1-mX

Y2-mX22+S]=10.333ln[0.333⨯10+0.667]=4.16

HOG=z/NOG=3/4.16=0.721m

KYa=V/HOG=0.0278/0.72=0.0386kmol/（m·s）3

（3）z=3+3=6m

S、HOG不变,∴NNOG='’'OG=Y1

'Y2z'HOG+S]=60.721=8.3211-Sln[（1-S）

解得：

Y2'=0.00109

η'=Y1-Y2

Y1''=0.05-0.001090.05=0.978

5-39．在逆流操作的填料吸收塔中，用清水吸收含氨0.05（摩尔比）的空气—氨混合气中的氨。

已知混合气中空气的流量为2000m3/h（标准状态），气体空塔气速为1m/s（标准状态），操作条件下，平衡关系为Y*=1.2X，气相总体积传质系数KYa=180kmol/m3h，采用吸收剂用量为最小用量的1.5倍，要求吸收率为98%。

试求：

（1）溶液出口浓度x1；

（2）气相总传质单元高度HOG和气相总传