化工原理吸收课后习题及答案.docx

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化工原理吸收课后习题及答案

少？

相组成的换算

【5-1】空气和CQ的混合气体中，CQ的体积分数为20%求其摩尔分数y和摩尔比Y各为多

解因摩尔分数=体积分数，y0.2摩尔分数

x0.0105

或X02106

1x10.0105

【5-3】进入吸收器的混合气体中，NH的体积分数为10%吸收率为90%求离开吸收器时NH

的组成，以摩尔比Y和摩尔分数y表示。

吸收率的定义为

解原料气中NH的摩尔分数y0.1

摩尔比

W0.1Y110.111

1y10.1

吸收器出口混合气中NH的摩尔比为

和相平衡常数总压为100kPa。

1/17

解液相中NH3的摩尔分数x1/17100/180-0105

溶解度系数Hc/p*0.581/0.7980.728kmol/（m3kPa）

p*3.313106x，式中p*为氧在气相中的平

溶解多少克氧？

已知10C时氧在水中的溶解度表达式为

衡分压，单位为kPa;x为溶液中氧的摩尔分数。

解总压p101.325kPa

空气中。

2的压力分数Pa/p体积分数0.21

空气中02的分压pA0.21101.325kPa

亨利系数E3.313106kPa

（1）利用亨利定律pAEx计算

与气相分压Pa0.21101.325kPa相平衡的液相组成为

Pa0.21101.32562

x-66.4210kmolO/kmol溶液

E3.31310

此为1kmol水溶液中最大可能溶解6.42106kmol02

因为溶液很稀，其中溶质很少

1kmol水溶液~1kmol水=18kg水

10C，水的密度999.7kg/m3

故1kmol水溶液~18/999.7m3水

即」^m3水中最大可能溶解6.42106kmol氧

999.7

故1m3水中最大可能溶解的氧量为

（2）利用亨利定律p-C-计算

1m3水中最大可能溶解的氧量为

cAp-H（0.21101.325）（1.676105）3.57104kmolO/m3溶液

【5-6】含NH体积分数％的空气-NH3混合气，在20C下用水吸收其中的NH总压为203kPa。

在水中的溶解度服从亨利定律。

在操作温度下的亨利系数E80kPa。

试求氨水溶液的最大浓度，

kmolNH/m3溶液。

解气相中NH3的摩尔分数y0.015

总压p203kPa，气相中NH3的分压p*Apy2030.015kPa

（1）利用亨利定律p*Ex计算

与气相分压p相平衡的液相中NH的摩尔分数为

s99823

NH3水溶液的总浓度c—kmol/m

Ms18

水溶液中NH3的最大浓度Cacx99820.0381

2.11kmolNH3/n?

溶液

（2）利用亨利定律pACa计算

cApAH（2030.015）0.6932.11kmolNH3/m3溶液

【5-7】温度为20C，总压为0.1MPa时，CQ水溶液的相平衡常数为m=1660若总压为1MPa时,

相平衡常数m为多少？

温度为20C时的亨利系数E为多少MPa?

解相平衡常数m与总压p成反比，

p0.1MPa时m1660,p'1MPa时

亨利系数Empm'p'166MPa

【5-8】用清水吸收混合气中的NH，进入吸收塔的混合气中，含NH体积分数为6%吸收后混合

气中含NH的体积分数为%出口溶液的摩尔比为0.012kmolNH/kmol水。

此物系的平衡关系为

Y*0.76X。

气液逆流流动，试求塔顶、塔底的气相传质推动力各为多少？

解已知y0.06，贝UYy,1y0.06/0.940.0638

已知y20.004，贝UY20.004/10.004=4.02103

已知X10.012，则

丫

0.760.0120.00912

已知x20，则丫2

塔顶气相推动力

丫2

丫2Y2=4.0210

塔底气相推动力

丫

丫Y*0.06380.009120.0547

【5-9】CO分压力为50kPa的混合气体，分别与CO浓度为0.01kmol/m3的水溶液和CO浓度为

0.05kmo/m3的水溶液接触。

物系温度均为25C，气液相平衡关系p*1.662105xkPa。

试求上述两

种情况下两相的推动力（分别以气相分压力差和液相浓度差表示），并说明CO在两种情况下属于吸收

还是解吸。

解温度t25C，水的密度为s997kg/m3

混合气中CQ的分压为p50kPa

水溶液的总浓度c—97kmol/m3水溶液

Ms18

（1）以气相分压差表示的吸收推动力

液相中CO的浓度ca0.01kmolCO2/m3水溶液

与液相平衡的气相平衡分压为

气相分压差表示的推动力ppp*503020kPa（吸收）

2液相中CO的浓度ca0.05kmol/m3水溶液

液相中CO的摩尔分数xca/c0059.027104

997/18

与液相平衡的气相平衡分压为

气相分压差表示的推动力pp*p15050100kPa（解吸）

（2）以液相浓度差表示的吸收推动力

与气相CO2分压p50kPa平衡的液相组成为

平衡的液相浓度

1液相中CO的浓度ca0.01kmolCO2/水溶液

液相浓度差表示的推动力为

ccACa0.016660.010.00666kmol/m3（吸收）

2液相中CQ的浓度ca0.05kmolCO2/m3水溶液

液相浓度差表示的推动力为

cCaCa0.050.016660.0333kmol/m（解吸）

吸收过程的速率

【5-10】如习题5-10附图所示，在一细金属管中的水保持25C,在

管的上口有大量干空气（温度25C，总压流过，管中的水汽化后在管中的空气中扩散，扩散距离为100mm。

试计算在稳定状态下的汽化速率，

习题5-10附图

kmo/（ms）。

解25C时水的饱和蒸气压为3.2895kPa

从教材表5-2中查得，25C,101.325kPa条件下，H0在空气中的分子扩散系数

242

D0.256cm/s0.25610m/s。

扩散距离Z100mm0.1m，总压p101.325kPa

水表面处的水汽分压pA13.2895kPa

空气分压pB1ppA1101.3253.2895

管上口处有大量干空气流过，水汽分压pA20

空气分压pB2101.325kPa

空气分压的对数平均值为

水的汽化速率

【5-11】用教材图5-10（例5-4附图）所示的装置，在温度为48C、总压力为101.325kPa条件下，测定CCI4蒸气在空气中的分子扩散系数。

48C时，CCI4的饱和蒸气压为，液体密度为1540kg/m3。

垂直管中液面到上端管口的距离，实验开始为2cm,终了为3cm,CCb的蒸发时间为1.556104s。

试

求48C时，CCl4蒸气在空气中的分子扩散系数。

解计算48C时CCl4蒸气在空气中的分子扩散系数，计算式为

已知CCl4液体密度1540kg/m

48C时CCl4的饱和蒸气压pA37.6kPa

总压p101.325kPa,T27348321K

开始Z。

2cm，终了Z3cm

CCl4的蒸发时间1.556104s

CCl4的摩尔质量M154kg/kmol

摩尔气体常数R8.314kJ/（kmolK）

已知数据代入计算式，得扩散系数D0.0912cm2/s

【5-12】用清水在吸收塔中吸收混合气中的溶质A,吸收塔某截面上，气相主体中溶质A的分压

为5kPa,液相中溶质A的摩尔分数为。

气膜传质系数kY2.5105kmol/（m2s），液膜传质系数

kx3.510kmol/（ms）。

气液平衡关系可用亨利定律表示，相平衡常数m0.7。

总压为101.325kPa。

试求：

（1）气相总传质系数Ky，并分析吸收过程是气膜控制还是液膜控制；

（2）试求吸收塔该截

面上溶质A的传质速率Na。

解

（1）气相总传质系数Ky

气膜阻力1/kY4104（m?

s）/kmol，液膜阻为m7kx2102（m2s）/kmol。

气膜阻力与总阻力的比值为红4叱0.995，为气膜控制。

1/Ky4.0210

（2）传质速率Na

【5-13】根据卩人py,pipy及Caex,cex,试将传质速率方程Nakc（PAPi）心qCa

变换成Na

kyyy

kxxx的形式。

ky与kG、kx与kL有何关系。

解

NAkGpA

PikGpypyi

=pkGyyikyyy

式中

kypkG

式中

kxekL

吸收塔的计算

【5-14】从矿石焙烧炉送出的气体含体积分数为9%勺SO2，其余视为惰性气体。

冷却后送入吸收

塔，用水吸收其中所含SQ的95%吸收塔的操作温度为30C,压力为100kPa，每小时处理的炉气量

为1000m3（30C、100kPa时的体积流量），所用液-气比为最小值的倍。

求每小时的用水量和出塔时水溶液组成。

平衡关系数据为

液相中SC2溶解度/kgSO100kg（H2O）

气相中SQ平衡分压/kPa

解①最小液一-比丄V」的计算

GminXiX2

吸收剂为水，X20,总压p1OOkPa

原料气中SC2分压Pso2pyi1000.099kPa

从平衡数据内插，得液相平衡溶解度

0.868kgSQ

100kgH2。

换算为摩尔比

0.868/64

2.44103

100/18

最小液-气比

YY2

0.09890.00495

38.5

minX1X2

0.00244

②用水量计算

已知炉气流量

1000m3/h（30C,100kPa）

标准状态下理想气体的摩尔体积为22.4m3/kmol（273.15K,101.325kPa）

炉气的摩尔流量为

惰性气体流量G39.7（10.0936.1kmol/h

吸收用水量L46.236.11668kmol/h

3出塔水溶液的组成

【5-15】在一吸收塔中，用清水在总压0.1MPa、温度20C条件下吸收混合气体中的CO,将其组

成从2%笔至％（摩尔分数）。

20C时CO水溶液的亨利系数E144MPa。

吸收剂用量为最小用量的倍。

试求：

（1）液-气比L/G及溶液出口组成X1。

（2）试求总压改为1MPa时的L/G及X1。

解⑴总压pO.IMPa时L/G及Xi

（2）总压p1MPa时的1/6及人

从上述计算结果可知，总压从增大到1MPa溶液出口组成从1.18105增加到1.18104。

【5-16】用煤油从苯蒸气与空气的混合物中回收苯，要求回收99%入塔的混合气中含苯2%（摩

尔分数）；入塔的煤油中含苯％（摩尔分数）。

溶剂用量为最小用量的倍，操作温度为50C，压力为

1OOkPa,相平衡关系为Y*0.36X，气相总传质系数KYa0.015kmo^（m3s）。

入塔混合气单位塔截面

上的摩尔流量为0.015kmol/（m2s）。

试求填料塔的填料层高度，气相总传质单元数用对数平均推动力

法及吸收因数法的计算式计算。

解

（1）气相总传质单元高度Hog计算

G'o

入塔混合气的流量一=0.015kmol/（ms）

惰性气体流量G—1y1001510020.0147kmol/（m2s）

（2）气相总传质单元数Hog计算

Y_y^竺00204，回收率0.99

1y10.98

1吸收因数法计算Nog

2对数平均推动力法计算N°g

（3）填料层高度Z计算

【5-17】混合气含CO体积分数为10%其余为空气。

在30C、2MPa下用水吸收，使CQ的体积分数降到％,水溶液出口组成X16104（摩尔比）。

混合气体处理量为2240m3/h（按标准状态，

273.15K,101325Pa）,塔径为1.5m。

亨利系数E188MPa,液相体积总传质系数Kla50kmol,（m3hkmol/m3）。

试求每小时用水量及填料塔的填料层高度。

解

（1）用水量计算

01000534

y0.1,Y10.111,丫20.005飞5.0310,X1610,X20

0.90.995

混合气流量

2240

100kmo/h

22.4

惰性气体流量

GG'1y110010.1

90kmol/h

用水量L

G（Y1

Y2）90（0.1110.00503）

1.5910kmol/h

X26104

（2）填料层高度Z计算

水溶液的总浓度

cs/Ms995.7/18

55.3kmol/m

体积传质系数

KXacKLa55.350

2765kmol/（mh）

1对数平均推动力法计算N°l

气液相平衡常数m—18894

液相总传质单元数

2吸收因数法计算Nol

填料层高度ZHolNol3.262.738.9m

【5-18】气体混合物中溶质的组成Y0.02（摩尔比），要在吸收塔中用吸收剂回收。

气液相平衡关系为Y*1.0X。

（1）试求下列3种情况下的液相出口组成X1与气相总传质单元数N°g（利用教材中图5-23），并

迸行比较，用推动力分析Nog的改变。

3种情况的溶质回收率均为99%

1入塔液体为纯吸收剂，液-气比L/G2.0；

2入塔液体为纯吸收剂，液-气比L/G1.2；

3入塔液体中含溶质的组成X20.0001（摩尔比），液-气比L/G1.2。

（2）入塔液体为纯吸收剂，最小液-气比（1/G）min0.8，溶质的回收率最大可达多少？

解

（1）求X1与Nog

回收率0.99,Y0.02，相平衡常数m=1

1X20,L/G2,L/mG2

篦mX2°000200.01查图5-23，得Nog7.8

YmX20.020

2X20,L/G1.2,L/mG1.2

”mX20.01查图5-23，得N°g17

YmX2

3X20.0001,L/G1.2,L/mG1.2

查图5-23，得Nog21

计算结果比较：

②与①比较，X2相同，L/G减小时，操作线斜率减小，向平衡线靠近，推动力减小。

为达到一

定的溶质回收率要求（即达到一定的匕要求），Nog需要增大，同时X也增大了。

3与②比较，L/G相同，使X2增大，即操作线斜率相同，操作线向平衡线平行靠近，使推动力减小，Nog增大，同时X1也增大了。

（2）X20,（L/G）min0.8,（L/G）min0.8

X1Y/m

当液体出口组成X1与气体进口组成达平衡时，溶质的回收率为最大，即

溶质的回收率最大可达80%

【5-19】某厂有一填料塔，直径

880mm填料层高6m,所用填料为50mm瓷拉西环，乱堆。

每小

时处理2000m3混合气（体积按25C与101.33kPa计），其中含丙酮摩尔分数为5%用清水作吸收剂。

塔顶送出的废气含丙酮摩尔分数为%塔底送出来的溶液，Ikg含丙酮61.2g。

根据上述测试数据计算气相体积总传质系数KYa。

操作条件下的平衡关系为Y*2.0X。

上述情况下，每小时可回收多少千克丙酮？

若把填料层加高3m可以多回收多少丙酮？

解

（1）计算体积总传质系数KYa

先从已知数据求Nog

相平衡常数m2

塔底排出的水溶液，每l000g含丙酮61.2g

丙酮的摩尔质量为58kg/kmol

Nog也可用吸收因数法计算

从教材图5-23查得Nog8

已知填料层高度Z6m，计算Hog—60.75

Nog8

再从式H°g计算Kg

KyaQ

惰性气体流量G2000（10.05）20000.95m3/h（20C,101.33kPa）

理想气体在273K、、01.325kPa时的摩尔体积为22.4m3/kmol在298K、101.325kPa下的摩尔体积为

塔截面积Q一D；—0.880.608m2

体积总传质系数

（2）每小时丙酮回收量为

（3）填料层加高3m,Z639mHog0.75

贝yNogZ912,—1.24

Hog0.75mG

从教材图5-23查得仝0.023

填料层Z9m时，丙酮的回收量为

多回收丙酮3.993.880.11kmol/h

也可以如下计算

【5-20】有一填料吸收塔，用清水吸收混合气中的溶质A，以逆流方式操作。

进入塔底混合气中

溶质A的摩尔分数为1%,溶质A的吸收率为90%此时，水的流量为最小流量的倍。

平衡线的斜率m=l。

试求：

（1）气相总传质单元数Nog；⑵若想使混合气中溶质A的吸收率为95%仍用原塔操作,

且假设不存在液泛，气相总传质单元高度H°g不受液体流量变化的影响。

此时，可调节什么变量，简

便而有效地完成任务？

试计算该变量改变的百分数。

解已知y0.01，0.8，m1，X20

（1）计算气相总传质单元数Nog

（2）要想使吸收率从90%^高到95%可增大吸收剂用量

填料层咼度ZHogNog

对于已有的填料塔，其填料层高度已定，吸收剂用量改变不会改变hog。

因此，nog不会改变,

仍为Nog4.64。

新工况下，丫'21Y10.950.01015.05104

用Nog4.64与丫'2*0.05，从图5—23查得

丫mX2

为了使吸收率从90%提高到95%L/G需要从增加到，增加的百分数为

【5-21】某填料吸收塔的填料层高度已定，用清水吸收烟道气中的CO,CO的组成为（摩尔比），

余下气体为惰性气体，液一气比为180,吸收率为95%操作温度为30C，总压为2MPaCQ水溶液

的亨利系数由教材中表5-1查取。

试计算下列3种情况的溶质吸收率、吸收液（塔底排出液体）组

成人、塔内平均传质推动力Ym，并与原有情况进行比较：

（1）吸收剂由清水改为组成为（摩尔比）

的CQ水溶液；

（2）吸收剂仍为清水，操作温度从30C改为20C；（3）吸收剂为清水，温度为30C。

由于吸收剂用量的增加，使液-气比从180增加到200。

解总压p2MPa,丫0.1

（1）X20改为X'20.0001

新工况的丫'2计算

此时，Hqg不会改变，因填料层高度Z为一定值，所以Nqg—不变。

KyaQHqg

原工况

1,,

Nqg1mGln

mGYmX2

LmX2

新工况

N'og

1InmG

mX'2

Y'2

mX'2

因Nog

N'og，故一

mX2

mX'2

mX2

Y'2

mX'2

查得30C时CO水溶液的E188MPa

将上述数据代入式（a）

解得新工况的吸收率'1Y2/Yi10.0139/0.10.861

吸收液组成计算已知L/G180

X1GY丫2X2010.00500.000528

L180

平均传质推动力的计算方法①

原工况

丫Y2

0.10.005

0.0196

Nog

4.84

因N'og

Nog4.84

新工况

Y1Y'2

0100139

0.0178

N'og

4.84

方法②

原工况

丫1

策mX10.1940.000528

新工况

丫1

丫mX2

0.1940.0005780.04567

按原工况计算Nog

mG/L94/1800.5222

005037

从上述计算结果可以看出:

当吸收剂组成由x20增加到x10.0001时,

溶质吸收率由0.95降为’0.861

吸收液组成由X10.000528增至X10.000578

对现有吸收塔，吸收剂入塔组成增大，使传质推动力降低，而导致溶质吸收率下降。

如果不需要计算平均传质推动力的数值，而只需对比，则可如下计算。

N°gNog

⑵X20,操作温度从30C改为20C

查得20C时CO水溶液的E144MPa

吸收液组成计算

平均传质推动力计算

m减小），传质推

从上述计算结果可知，对现有吸收塔，当操作温度降低，平衡线斜率减小（即动力增大，导致溶质的吸收率增大。

（3）X2

0,温度3（

原工况

L/G

180

新工况

L/G

200

新工况的丫2计算

原工况

Nog

4.84

新工况

Nog

因

Nog

解得'

Y20.00423

4.84

，m=94

mG/L94/200

（前面已计算）

mG/L94/1800.522

0.47

丫mxz

Y2mX2

新工况的吸收率’1丫2/丫110.00423/0.10.958

吸收液组成计算

原工况

X10.000528（前已计算）

新工况

G'0.10.00423

X1（丫1Y2）X200.000479

2200

平均传质推动力计算

原工况Ym瞪曾。

.019（前已计算）

新工况NOGNog4.84

从上述计算结果可知，对现有吸收塔，当吸收剂用量增加，操作线斜率增大，传质推动力增大,导致溶质的吸收率增大。

【5-22】有一逆流操作的吸收塔，其塔径及填料层高度各为一定值，用清水吸收某混合气体中的溶质。

若混合气体流量G,吸收剂清水流量L及操作温度

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