化工原理第七章.docx

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化工原理第七章

第7章习题解答

1.含量为0.02（摩尔分数）的稀氨水在20℃时氨平衡的分压为1.66kPa，氨水上方的总压强为常压，在此含量下相平衡关系服从亨利定律，氨水的密度可近似取1000kg/m3，试求算亨利系数E、H和m的数值各是多少？

解:

（1）由可得

（2）取1kmol氨水为基准，其中含0.98kmol水与0.02kmol氨，总摩尔体积为

氨水的总摩尔浓度为

氨的摩尔浓度

由,可得

（3）由

2.在01.33kPa、20℃时，氧气在水中的溶解度可用Po2=4.06×106x表示，式中PO2为氧在气相中的分压，kPa，x为氧在液相中的摩尔分数。

试求在此温度及压强下与空气充分接触后的水中，每立方米溶有多少克氧。

解：

氧在空气中的摩尔分率为0.21,故

在本题浓度范围内亨利定律适用，由

查附录表1可知，20℃时氧在水中的亨利系数E=4.06×106kPa,因x值甚小,所以溶液密度可按纯水计算,即取ρ=1000kg/m3,

所以单位体积溶液中的溶质的摩尔浓度为

则每立方米溶解氧气质量为

3.一直径为25mm的萘球悬挂于静止空气中，进行分子扩散。

系统温度为20℃，已知该温度下萘的蒸汽压为1.3×,萘在空气中的扩散系数，距萘球足够远处萘的浓度为零。

求萘球单位表面、单位时间的挥发量。

解:

萘球的挥发属单向扩散，但因萘球的蒸汽压很小，气相浓度较低，故漂流因子可取为1。

设萘的半径为R，距球心r处萘浓度为c（）。

则萘球表面单位时间的挥发量为

单位时间通过半径为r球面的扩散量可根据费克定律计算，

即

因萘球挥发速度很慢，可作为拟定态处理，故

积分上式

式中C—萘球表面空气中的萘的浓度，。

4.氨气通过静止的空气薄层进行定态单向扩散，系统总压101.33kP，静止气层两边的氨气分压各为20kPa及13.33kPa,实验测得的传质系数为。

如果在相同的操作条件和组分浓度下，氨和空气进行等分子反向扩散，试求：

（1）此时的传质系数

（2）此时的传质速率。

分析：

单向扩散速率

等分子反向扩散速率

可知在同样操作条件和组分浓度下，单向扩散速率和传质系数较之等分子反向扩散的和分别大倍。

解：

（1）

由有

5.某低浓度气体在被吸收时，平衡关系符合亨利定律，溶解度系数H=1.3kmol/（m3.kPa）,若已知气相传质系数kG=2.50×10-7kmol/（m2.s.kPa），液相传质系数kL=6.85×10-5m/s，试求气相总传质系数KG,并分析该吸收过程的控制因素及气体溶解的难易程度。

解:

因系统符合亨利定律,所以

由于,该吸收为气相控制,为易溶气体.

6.在101.33kPa、0℃下的,O2与H2S混合气体发生稳定的分子扩散过程。

已知相距0.2cm的两截面上的O2的分压分别为13.43kPa和6.70kPa，又知扩散系数为0.180cm2/s，试计算下列两种情况下O2的传递速率，

（1）O2与H2S两种气体作等分子反向扩散；

（2）H2S气体为停滞组分。

解:

（1）等分子反向扩散时O2的传递速率

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通过停滞H2S的扩散速率

7.对低含量气体吸收或解吸，由出发，试证明

证明已知

则

同理可得

即

得

所以

8.在直径为1m的填料吸收塔内，用清水作溶剂，入塔混合气流量为100kmol/h，其中溶质含量为6%（体积），要求溶质回收率为95%，取实际液气比为最小液气比的1.4倍，已知在操作条件下的平衡关系为，总体积传质系数，试求：

（1）出塔液体组成；

（2）所需填料层高；（3）若其他条件不变，将填料层在原有基础上，加高，吸收率可增加到多少？

解：

（1）利用液气比与组成的关系可求出塔液体组成

填料层高可由传质单元数法计算

（3）其他条件不变，仅增加填料层高度，实际就是不改变传质单元高度而增加传质单元数。

故可通过传质单元数与组成的关系计算出塔高增加后的出塔气相组成，进而求出吸收率。

9.在填料塔内用清水逆流吸收空气中的丙酮蒸气，丙酮初始含量为（体积），若在该塔中将其吸收掉，混合气入塔流率，操作压力，温度，此时平衡关系可用表示，体积总传质系数，若出塔水溶液的丙酮溶度为平衡浓度的，求所需水量和填料层高。

该塔逆流操作。

解：

所需水量可由全塔物料衡算求出

由，得

填料层高度可由传质单元数法计算。

在计算传质单元高度时应注意体积总传质系数的表达方式要符合要求。

＝

10.流率为50kmol/（m2.h）的空气混合气中含氨体积分数为2%，逆流吸收操作回收其中95%的氨。

塔淋入摩尔分数为0.0004的稀氨水溶液,设计采用的液气比为最小液气比的1.5倍。

已知相平衡关系为y=1.2x,所用填料的体积总传质系数。

试求：

（1）液体在塔底的摩尔分数x1；

（2）所需塔高。

解：

（1）吸收塔出口空气中含氨的摩尔分数为

根据物料衡算，得

（2）

则吸收塔的平均推动力为

传质单元数为

传质单元高度为

所以吸收塔填料层高度

11.在一逆流操作的填料吸收塔中用清水吸收空气中某组分A，已知操作条件下平衡关系为，入塔气体中A的含量为6%（体积），吸收率为96%，取吸收剂用量为最小用量的1.2倍，试求：

（1）出塔水溶液的浓度；

（2）若气相总传质单元高度为0.8，现有一填料层高为8的塔，问是否能用？

解：

对低浓度系统，计算时可用摩尔分数代替摩尔比，用混合气体量代替惰性气体量，用溶液量代替溶剂量。

（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气-氨低浓度混合气中的氨，已知操作条件下平衡关系满足亨利定律，该塔的气相总传质单元高度为0.6m，当液气比为最小液气比的1.4倍时，吸收率可达95%，试求：

（1）该塔填料层高度；

（2）液相总传质单元数。

解：

此题没有给出气液流量，只给出了入塔液相为清水，故要用解吸因数法计算。

（1）

（2）以乘

得

以乘

得

故

又

所以

13.有一填料塔，填料层高1.3m，用清水吸收空气中的丙酮，气液作稳定逆流操作。

进入塔内的混合气中含有5%（体积）丙酮，其余为空气。

操作时液气比为。

实验测得出口气体中的丙酮为1.8%（体积）。

设此时的平衡关系可按y=1.6x计算（y、x均为摩尔分数）。

本题按低浓度吸收计算。

（1）试求在上述操作条件下该填料层的气相总传质单元高度；

（2）假设将气液逆流操作改为并流向下操作，并设此时的传质单元高度与逆流时相同，又若进口水、气的流量和浓度与逆流时相同，则出口气体中的丙酮含量为多少？

解：

（1）

（2）分析：

可通过传质单元数与气相组成

的关系进行计算。

通常传质单元数的计算方法

有两种：

一种是解吸因子法，该法是从逆流

操作条件下推出的，故不能用于并流；另一种

是对数平均推动力法，从对数平均推动力的物

理意义可知该法对逆流、并流皆适用。

方法一

如7-13附图所示，并流操作时出塔气体

中丙酮浓度为yB。

已知填料塔高度一定，习题7-13附图

由题给条件可知不变，故也不变，

仍为1.52。

得代入

代入

所以解出

方法二由传质单元数的定义积分求解

由物料衡算，得

代入上式积分，并将已知值代入可求得

解出

14.某填料吸收塔，用清水吸收某气体混合物中的有害物质A，若进塔气中含A5%（体积），要求吸收率为99%，液体流率为3000m3/h，此时的液气比是最小液气比的1.5倍。

如果物系服从亨利定律，已知塔内操作温度为25℃,平衡关系为，取空塔气速为1.1m/s，气相体积传质分系数，试求：

（1）用水量和塔底排出液组成x1；

（2）填料层高度Z；（3）若入塔水中A的含量为0.001%（摩尔分数），问即使填料塔层高度可随意增加，能否达到99%的去除率?

解:

（1）

（2）

（3）当x2=0.001时，有，比要求的大，故增高填料层不能达到要求。

15．混合气含CO2体积分数为10%，其余为空气。

在30℃、2MPa下用水吸收，使CO2的体积分数降至0.5%，水溶液出口组成X1=0.0006（摩尔比）。

混合气体处理量为2240m/h（按标准状态），塔径为1.5m。

亨利系数E=188MPa，液相体积总传质系数，试求每小时用水量及填料层高度。

解:

（1）用水量计算

混合物气流量

惰性气体流量

用水量

（2）填料层高度Z计算

水溶液的总浓度

体积传质系数

液相总传质单元高度

1对数平均推动力法计算NOG

气液相平衡常数

液相总传质单元数

②吸收因数法计算NOL

填料层高度

16.有一吸收塔，填料层高度为3m，在常压、20℃用清水来吸收氨和空气混合气体中的氨。

吸收率为99%，进口气体中含氨6%（体积），进口气体速率为600kg/（m2.h），进口清水速率为800kg/（m2.h），假设在等温条件下逆流吸收操作，平衡关系，且与气体质量流速的0.8次方成正比，分别计算改变下列操作条件后，达到相同分离程度所需填料层高度。

（1）将操作压强增加一倍（p=202.6kPa），其他条件不变；

（2）将进口清水量增加一倍，其他条件不变；（3）将进口气体流量增加一倍，其他条件不变。

解：

Z=3m，P=101.3kPa，T=293K

混合气体平均分子量

（1）

由，可知

故

故知HOG随操作压强而变化：

则

即所需填料层高度较原来减少1.801m。

（2）

则

液体质量流速的增加对总吸收系数KGa无显著影响。

故

则

即所需填料层高度较原来减少0.603m。

（3）

气体质量流速增加，总吸收系数KGa相应增大，依题意可知

故

则

即所需填料层高度较原来增加4.82m。

17.用洗油从焦炉气中吸收芳烃，所得到的吸收液在解吸塔内用过热蒸汽进行解吸，待解吸的液体初始含量为0.05（摩尔分数），解吸收塔内液体流率为108kmol/（m2.h）。

已知在操作条件下的气液平衡关系为，总传质系数Kya为36kmol/m3.h），过热蒸汽用量取最小用量的1.2倍，再生后的洗油中芳烃的含量不得超过0.005，求解吸塔的高度应为多少？

解:

在最小气液比下,气液两相在塔顶（即气相出口）达到平衡状态,过热蒸汽的最小用量为

过热蒸汽实际用量为

解吸塔出口芳烃含量为

解吸塔顶与塔底的传质推动力分别为

平均推动力为

解吸塔高度为

18.一吸收解吸流程附图所示：

脱苯煤气25℃120℃含苯水蒸气

含苯煤气水蒸气

25℃120℃

富吸收油贫吸收油

习题7-18附图

已知吸收塔塔内平均温度25℃，平均压力106.4kPa,进气量，进气中苯含量0.02（摩尔分数，下同），苯的回收