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
H
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。
NH
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
18
2.11kmolNH3/n?
溶液
(2)利用亨利定律pACa计算
H
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
0
塔顶气相推动力
丫2
*3
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
1
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
3
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
*3
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,
2
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
3
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
32
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
1
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
X1
100/18
最小液-气比
L
YY2
0.09890.00495
38.5
G
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
G
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)
4
1.5910kmol/h
X1
X26104
(2)填料层高度Z计算
水溶液的总浓度
cs/Ms995.7/18
3
55.3kmol/m
体积传质系数
KXacKLa55.350
3
2765kmol/(mh)
1对数平均推动力法计算N°l
气液相平衡常数m—18894
P2
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
m
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
G
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
2
塔截面积Q一D;—0.880.608m2
44
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
Y
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
1
mGYmX2
LmX2
mG
新工况
N'og
1
1InmG
L
1
mG
L
Y
mX'2
mG
L
Y'2
mX'2
因Nog
Y
N'og,故一
mX2
Y
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
Ym
丫Y2
0.10.005
0.0196
Nog
4.84
因N'og
Nog4.84
新工况
YL
Y1Y'2
0100139
0.0178
N'og
4.84
方法②
原工况
丫1
*
YY
11
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
1
1m
因
Nog
Nog
解得'
Y20.00423
In
L
4.84
,m=94
mG/L94/200
(前面已计算)
mG/L94/1800.522
0.47
丫mxz
Y2mX2
mG
L
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