环境工程原理习题集060813完整答案.docx
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环境工程原理习题集060813完整答案
第八章吸收
8.1在30℃,常压条件下，用吸收塔清水逆流吸收空气—SO2混合气体中的SO2，已知气-液相平衡关系式为,入塔混合气中SO2摩尔分数为0。
05，出塔混合气SO2摩尔分数为0。
002，出塔吸收液中每100g含有SO20.356g，试分别计算塔顶和塔底处的传质推动力，用、、、表示。
解：
（1）塔顶
出塔SO2的摩尔分数为，入塔吸收液中SO2的摩尔分数为
所以与出塔气相平衡的吸收液摩尔分数为
与入塔吸收液平衡的气相摩尔分数为
所以
kPa
忽略吸收液中溶解的SO2，则摩尔浓度可计算为mol/L
mol/L
（2）塔底
入塔SO2的摩尔分数为，出塔吸收液中SO2的摩尔分数为
所以与入塔气相平衡的吸收液摩尔分数为
与出塔吸收液平衡的气相摩尔分数为
所以
kPa
mol/L
8.2吸收塔内某截面处气相组成为，液相组成为，两相的平衡关系为，如果两相的传质系数分别为kmol/（m2·s），kmol/（m2·s），试求该截面上传质总推动力、总阻力、气液两相的阻力和传质速率。
解：
与气相组成平衡的液相摩尔分数为
所以，以气相摩尔分数差表示的总传质推动力为
同理，与液相组成平衡的气相摩尔分数差为
所以，以液相摩尔分数差表示的总传质推动力为
以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数为
kmol/（m2·s）
以气相摩尔分数差为推动力的总传质系数为
kmol/（m2·s）
传质速率
kmol/（m2·s）
或者kmol/（m2·s）
以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数分析传质阻力
总传质阻力（m2·s）/kmol
其中液相传质阻力为（m2·s）/kmol
占总阻力的66。
7%
气膜传质阻力为（m2·s）/kmol
占总阻力的33.3%
8。
3用吸收塔吸收废气中的SO2,条件为常压,30℃，相平衡常数为，在塔内某一截面上，气相中SO2分压为4.1kPa，液相中SO2浓度为0.05kmol/m3，气相传质系数为kmol/（m2·h·kPa）,液相传质系数为m/h，吸收液密度近似水的密度.试求：
（1）截面上气液相界面上的浓度和分压；
（2）总传质系数、传质推动力和传质速率。
解：
（1）设气液相界面上的压力为，浓度为
忽略SO2的溶解,吸收液的摩尔浓度为kmol/m3
溶解度系数kmol/（kPa·m3）
在相界面上，气液两相平衡，所以
又因为稳态传质过程，气液两相传质速率相等，所以
所以
由以上两个方程，可以求得kPa，kmol/m3
（2）总气相传质系数
kmol/（m2·h·kPa）
总液相传质系数m/h
与水溶液平衡的气相平衡分压为kPa
所以用分压差表示的总传质推动力为kPa
与气相组成平衡的溶液平衡浓度为kmol/m3
用浓度差表示的总传质推动力为kmol/m3
传质速率kmol/（m2·h）
或者kmol/（m2·h）
8.4101。
3kPa操作压力下,在某吸收截面上,含氨0。
03摩尔分数的气体与氨浓度为1kmol/m3的溶液发生吸收过程，已知气膜传质分系数为kmol/（m2·s·kPa），液膜传质分系数为m/s，操作条件下的溶解度系数为kmol/（m2·kPa），试计算：
（1）界面上两相的组成；
（2）以分压差和摩尔浓度差表示的总传质推动力、总传质系数和传质速率；
（3）分析传质阻力，判断是否适合采取化学吸收，如果采用酸溶液吸收，传质速率提高多少。
假设发生瞬时不可逆反应.
解：
（1）设气液相界面上的压力为，浓度为
因为相界面上,气液平衡，所以,
气相中氨气的分压为kPa
稳态传质条件下，气液两相传质速率相等，所以
根据上面两个方程,求得kPa，kmol/m3
（2）与气相组成平衡的溶液平衡浓度为
kmol/m3
用浓度差表示的总传质推动力为
kmol/m3
与水溶液平衡的气相平衡分压为
kPa
所以用分压差表示的总传质推动力为kPa
总气相传质系数
kmol/（m2·s·kPa）
总液相传质系数m/s
传质速率kmol/（m2·s）
或者kmol/（m2·s）
（3）以气相总传质系数为例进行传质阻力分析
总传质阻力（m2·s·kPa）/kmol
其中气膜传质阻力为（m2·s·kPa）/kmol
占总阻力的95.6%
液膜传质阻力为（m2·s·kPa）/kmol
占总阻力的4。
4％
所以这个过程是气膜控制的传质过程,不适合采用化学吸收法。
如果采用酸液吸收氨气，并且假设发生瞬时不可逆反应，则可以忽略液膜传质阻力,只考虑气膜传质阻力，则kmol/（m2·s·kPa），仅仅比原来的传质系数提高了4。
6％，如果传质推动力不变的话，传质速率也只能提高4.6％。
当然，采用酸溶液吸收也会提高传质推动力，但是传质推动力提高的幅度很有限.因此总的来说在气膜控制的吸收过程中,采用化学吸收是不合适的。
8。
5利用吸收分离两组分气体混合物,操作总压为310kPa，气、液相分传质系数分别为kmol/（m2·s）、kmol/（m2·s），气、液两相平衡符合亨利定律，关系式为（p*的单位为kPa），计算：
（1）总传质系数；
（2）传质过程的阻力分析；
（3）根据传质阻力分析，判断是否适合采取化学吸收，如果发生瞬时不可逆化学反应,传质速率会提高多少倍？
解:
（1）相平衡系数
所以，以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数为
kmol/（m2·s）
以气相摩尔分数差为推动力的总传质系数为
kmol/（m2·s）
（2）以液相摩尔分数差为推动力的总传质阻力为
其中液膜传质阻力为，占总传质阻力的99。
7％
气膜传质阻力为,占传质阻力的0。
3％
所以整个传质过程为液膜控制的传质过程.
（3）因为传质过程为液膜控制，所以适合采用化学吸收。
如题设条件,在化学吸收过程中，假如发生的是快速不可逆化学反应，并且假设扩散速率足够快,在相界面上即可完全反应，在这种情况下，可等同于忽略液膜阻力的物理吸收过程，此时
kmol/（m2·s）
与原来相比增大了426倍
8。
6已知常压下，20℃时，CO2在水中的亨利系数为1.44×10—5kPa,并且已知以下两个反应的平衡常数
kmol/m3
kmol/m3
若平衡状态下气相中的CO2分压为10kPa，求水中溶解的CO2的浓度。
（CO2在水中的一级离解常数为kmol/m3,实际上包含了上述两个反应平衡,）
解：
首先求得液相中CO2的浓度
由亨利定律
忽略CO2的溶解，吸收液的摩尔浓度为kmol/m3
所以kmol/m3
由反应,得
kmol/m3
由反应，得
kmol/m3
所以水中溶解的CO2总浓度为
kmol/m3
8。
7在两个吸收塔a、b中用清水吸收某种气态污染物,气—液相平衡符合亨利定律。
如下图所示，采用不同的流程，试定性地绘出各个流程相应的操作线和平衡线位置，并在图上标出流程图中各个浓度符号的位置.
图8-1习题8。
7图示
解:
X2bX1bX
X2aX1aX
（a）
X2bX1bX
X2aX1aX
（b）
X2bX1bX
X2aX1aX
（c）
图8-2习题8.7图中各流程的操作线和平衡线
8.8用吸收法除去有害气体，已知操作条件下相平衡关系为,混合气体初始含量为，吸收剂入塔浓度为,液气比为2。
已知在逆流操作时，气体出口浓度为。
如果操作条件不变，而改为并流操作，气体的出口含量是多少？
逆流操作吸收的溶质是并流操作的多少倍？
假设总体积传质系数不变。
解:
逆流操作时,液体出口含量为
平均传质推动力
传质单元数为
改为并流操作后，体积传质系数不变，所以传质单元高度不变，传质单元数也不变.
联立并流操作的物料衡算和传质单元数计算式
将数值代入以上两式，求得
，
逆流和并流操作所吸收的溶质量之比为
8。
9在吸收塔中，用清水自上而下并流吸收混合废气中的氨气。
已知气体流量为1000m3/h（标准状态）,氨气的摩尔分数为0.01，塔内为常温常压，此条件下氨的相平衡关系为，求:
（1）用5m3/h的清水吸收，氨气的最高吸收率；
（2）用10m3/h的清水吸收，氨气的最高吸收率；
（3）用5m3/h的含氨0。
5%（质量分数）的水吸收，氨气的最高吸收率.
解：
（1）气体的流量为mol/s
液体的流量为mol/s
假设吸收在塔底达到平衡
则，所以
所以最大吸收率为
（2）气体的流量为mol/s
液体的流量为mol/s
假设吸收在塔底达到平衡
则，所以
所以最大吸收率为
（3）吸收剂中氨的摩尔分数为
假设吸收在塔底达到平衡
则,所以
所以最大吸收率为
8。
10用一个吸收塔吸收混合气体中的气态污染物A，已知A在气液两相中的平衡关系为，气体入口浓度为,液体入口浓度为，
（1）如果要求吸收率达到80%，求最小气液比；
（2）溶质的最大吸收率可以达到多少，此时液体出口的最大浓度为多少?
解：
（1）气相入口摩尔比，
液相入口摩尔比
吸收率,所以，
所以，最小液气比
（2）假设吸收塔高度为无穷大,求A的最大吸收率
①当液气比,操作线与平衡线重合,气液两相在塔顶和塔底都处于平衡状态。
吸收率
此时液相出口浓度
②当液气比，操作线与平衡线在塔顶点相交，即液相进口浓度与气相出口浓度平衡。
吸收率
此时液相出口浓度
与①相比，吸收率达到同样大小，但是液相出口浓度要低。
③当液气比，操作线与平衡线在塔底点相交，即液相出口浓度与气相进口浓度平衡.
此时液相出口浓度
吸收率
与①相比，液相出口浓度达到同样大小，但是吸收率要低。
8。
11在逆流操作的吸收塔中，用清水吸收混合废气中的组分A,入塔气体溶质体积分数为0。
01，已知操作条件下的相平衡关系为，吸收剂用量为最小用量的1.5倍，气相总传质单元高度为1.2m，要求吸收率为80％，求填料层的高度。
解：
已知传质单元高度,求得传质单元数,即可得到填料层高度。
塔底：
塔顶：
，
操作过程的液气比为
吸收因子
所以，传质单元数为
所以填料层高度为m
8.12在一个填料塔中用清水吸收空气中的某气态污染物,在其他条件不变的情况下,将吸收率从95%提高到98%，则吸收剂的用量增加多少倍？
假设过程为气膜控制吸收过程，吸收因子为。
解：
吸收剂用量的增加，会带来液相吸收系数的变化，题意中气膜控制吸收过程用意在于可以忽略液相吸收系数的变化对总传质系数的影响，而认为总传质系数不变。
在清水吸收的条件下，
吸收塔高度不变,吸收因子,假设吸收剂用量增加n倍，则吸收因子也会增加n倍。
其中S=1。
779，，
所以
求得n=1.90
所以吸收剂用量需要增加1。
90倍.
8。
13在填料层高度为5m的填料塔内，用清水吸收空气中的某气态污染物。
液气比为1.0，吸收率为90％，操作条件下的相平衡关系为。
如果改用另外一种填料，在相同的条件下,吸收率可以提高到95%，试计算两种填料的气相总体积传质系数之比。
解：
吸收因子
原填料下:
气相总传质单元高度为:
新填料下：
气相总传质单元高度为：
在其它条件不变的情况下,两种填料的气相总体积传质系数之比为
第九章吸附
9。
125℃,101。
3kPa下，甲醛气体被活性炭吸附的平衡数据如下:
q/[g（气体）•g（活性炭）—1］
0
0.1
0.2
0。
3
0。
35
气体的平衡分压/Pa
0
267
1600
5600
12266
试判断吸附类型，并求吸附常数。
如果25℃，101。
3kPa下,在1L的容器中含有空气和甲醛的混合物,甲醛的分压为12kPa，向容器中放入2g活性炭，密闭。
忽略空气的吸附,求达到吸附平衡时容器内的压力。
解：
由数据可得吸附的平衡曲线如下
图9—1习题9.1图中吸附平衡线
由上述的平衡曲线,可以判断吸附可能是Langmuir或Freundlich型。
由，整理数据如下
1/q
10
5
3。
3
2.86
1/p
0。
00374
0。
00062
0。
00018
0。
00008
作1/q和1/p的直线
图9-2习题9.1图中1/q－1/p的关系曲线
由，整理数据如下：
lnp
5.59
7。
38
8.63
9.41
lnq
—2.30
—1。
61
-1。
20
-1。
05
作lnq和lnp的直线
图9—3习题9.1图lnq和lnp的关系曲线
由以上计算可知，用Freundlich等温方程拟合更好一些。
同时计算参数如下：
1/n=0.3336,n=3，lnk=-4。
1266，k=0。
016，所以等温线方程为
题设条件下，甲醛的物质的量为mol
质量为g
假设达到吸附平衡时吸附量为q，则此时的压力为
将代入，可以求得Pa
所以此时甲醛的平衡分压已经很低，如果忽略的话，可以认为此时容器内的压力为kPa
9。
2现采用活性炭吸附对某有机废水进行处理，对两种活性炭的吸附试验平衡数据如下：
平衡浓度COD/（mg•L-1）
100
500
1000
1500
2000
2500
3000
A吸附量/［mg•g（活性炭）—1］
55。
6
192.3
227.8
326。
1
357.1
378.8
394。
7
B吸附量/[mg•g（活性炭）—1]
47.6
181。
8
294。
1
357。
3
398。
4
434。
8
476.2
试判断吸附类型，计算吸附常数，并比较两种活性炭的优劣.
解：
由数据可得吸附的平衡曲线如下：
Langmuir吸附等温线方程为，变形后可得，整理数据如下：
ρ
100
500
1000
1500
2000
2500
3000
ρ/q（A）
1。
80
2。
60
4.39
4。
60
5。
60
6.60
7。
60
ρ/q（B）
2.10
2.75
3.40
4。
20
5。
02
5.75
6.30
作ρ/q和ρ的直线
图9-4习题9。
2图吸附等温线
ρ/q
ρ
图9-5习题9.2图ρ/q和ρ的关系曲线
由直线可知，用Langmuir吸附等温线方程可以很好地拟合吸附曲线。
分别求得方程的常数为
活性炭A:
1/qm=0.0019,qm=526,1/k1qm=1.8046，k1=0.00105
活性炭B：
1/qm=0。
0015，qm=667，1/k1qm=1。
9829，k1=0.00076
比较两种活性炭的吸附平衡常数，可以看到B的饱和吸附量要大于A,比表面积较大，吸附容量比较大；而A的吸附系数比较大，吸附的性能较好。
9.3有一初始浓度（比质量分数）为Y0的流体，要求用吸附剂将其浓度降低到Y2（对应的固体相的吸附质比质量分数为X2）.试证明:
两级错流吸附比单级吸附节约吸收剂。
证明：
对单级吸附,由物料衡算有
所以吸附剂的用量为
对于二级错流吸附，第一级吸附剂用量为，一级流出流体的浓度为，第一级吸附剂用量为，一级流出流体的浓度为
假设两级所用吸附剂总量为，，两级的物料衡算方程分别为
两式相加，并且设
可得,
因为
所以
即
所以
上式即为
9。
4用活性炭固定床对生物处理出水进行深度处理，已知生物处理出水COD浓度为100mg/L，要求活性炭吸附后出水COD浓度达到5mg/L。
在不同的空床速度和床层高度下，测得的穿透时间如下：
空床速度/（m•h-1）
床高/m
0。
4
0。
6
0。
8
1。
0
1。
2
10
穿透时间/h
148。
6
452。
7
751。
9
1047。
3
1355。
2
12。
5
82。
1
238。
7
398。
4
564.3
718.6
15
51.3
153。
3
249。
6
352.1
448。
9
（1）求不同空床流速下的Bohart-Adams公式的参数，并作空床流速对这些参数的曲线。
（2）在进水浓度和处理要求相同的情况下,求空床速度为12m/h，床层高度为1.5m时的穿透时间（认为此时仍然符合Bohart-Adams公式）。
解：
（1）固定床的穿透时间与床高的关系式为，其中,,由实验数据，作tb和z的直线
图9-6习题9.4图tb和z的关系曲线
由直线的斜率和截距可以计算得到不同空床流速下的Bohart-Adams公式的参数，
v/（m•h-1）
B
N0/（mg•L—1）
A
K/［L（mgh）-1]
zA/m
10
1501.7
1。
50×106
449.28
6。
54×10-5
0。
299
12。
5
799。
3
9.99×105
239.02
12.3×10-5
0.299
15
497
7.45×105
146。
56
20.1×10—5
0.295
空床流速对这些参数的曲线如下
图9—7习题9。
4图空床流速与N0，K，ZA的关系
（2）当空床速度为12m/h，由上图可以查得N0=10。
3×105mg/L，K=11.7×10-5L/（mg·h），可以求得B=858,A=251.2
此时的Bohart-Adams公式为
当塔高为1。
5m时，穿透时间为h
第十章其他分离过程
10.1用H型强酸性阳离子交换树脂去除质量浓度为5%的KCl溶液,交换平衡时,从交换柱中交换出来的H离子的摩尔分数为0。
2，试计算K离子的去除率。
已知=2。
5，溶液密度为1025kg/m3。
解：
溶液中K+的摩尔浓度为
［K+］=mol/L
所以
K离子的去除率为
10。
2用H型强酸性阳离子树脂去除海水中的Na+、K+离子（假设海水中仅存在这两种阳离子），已知树脂中H+离子的浓度为0。
3mol/L，海水中Na+、K+离子的浓度分别为0。
1mol/L和0。
02mol/L,求交换平衡时溶液中Na+、K+离子的浓度.已知，。
解:
同时，
联立以上几式，求得
所以平衡时溶液中的浓度Na+为0.0162mol/L，K+为0.00046mol/L
10。
3某强碱性阴离子树脂床,床层空隙率为0.45，树脂颗粒粒度为0.25mm，孔隙率为0。
3，树脂交换容量为2。
5mol/m3,水相原始浓度1。
2mol/m3,液相与树脂相离子扩散系数分别为m2/h、m2/h，溶液通过树脂床的流速为4m/h。
试判断属哪种扩散控制.
解：
彼克来准数
Vermeulen准数
所以属于液膜扩散控制。
10.4已知某条件下，丙酮（A）-水（B）—氯苯（S）三元混合溶液的平衡数据如下：
水层（质量分数％）
氯苯层（质量分数%）
丙酮（A）
水（B）
氯苯（S）
丙酮（A）
水（B）
氯苯（S）
0
99.89
0。
11
0
0。
18
99.82
10
89。
79
0.21
10.79
0.49
88.72
20
79。
69
0.31
22。
23
0.79
76.98
30
69.42
0。
58
37.48
1。
72
60。
80
40
58。
64
1。
36
49.44
3。
05
47.51
50
46.28
3。
72
59。
19
7.24
33。
57
60
27.41
12。
59
61。
07
22.85
15。
08
60.58
25。
66
13.76
60.58
25。
66
13。
76
根据以上数据：
（1）在直角三角坐标图上绘出溶解度曲线、联结线和辅助曲线；
（2）依质量比组成绘出分配曲线（近似认为前五组数据B、S不互溶）；
（3）水层中丙酮浓度为45％时，水和氯苯的组成：
（4）与上述水层相平衡的氯苯层的组成；
（5）如果丙酮水溶液质量比浓度为0。
4kg（A）/kg（B），而且B/S=2。
0，萃取剂为纯氯苯，在分配曲线上求出组分A在萃余相中的组成；
（6）由0。
12kg氯苯和0。
08kg水构成的混合液中，加入多少丙酮可以使三元混合液成为均相溶液。
解：
做图并依图解答，解略。
10。
5用三氯乙烷做萃取剂萃取污水中某种有机物（质量分数为0。
3），原料液的流量为1000kg/h，萃取剂的用量为800kg/h，分别采用单级萃取和二级错流萃取（每级萃取剂用量相同），求萃取后萃余相中该有机物的含量。
分配曲线如下图所示。
图10-1习题10.5图示
解：
（1）单级萃取
原液中丙酮的质量比为
操作线的斜率为
在分配曲线图上，过（0.428，0）作斜率为-0.875的操作线,交分配曲线于点（XmR，YmE），即可以得到萃余相的组成，XmR=0。
22.
所以萃余相中,丙酮的质量分数为0.18
图10—2习题10.5图的操作线1
（2）二级错流
二级错流时，每级萃取剂的用量相同，所以每级操作线的斜率为
在分配曲线图中过（0.428，0）作斜率为-1。
75的第一级操作线，交分配曲线于点（Xm1，Ym1），此点的坐标为第一级萃余相和萃取相的组成，然后过（Xm1,0）作第一级操作线的平行线交分配曲线于（Xm2，Ym2），即得到二级错流萃余相的组成Xm2=0.145.
所以，萃余相中丙酮的质量分数为0.127。
图10—3习题10。
5图的操作线2
由于作图的缘故，最后的结果可能会有差异。
10。
6假设萃取剂S和稀释剂B完全不互溶，在多级错流萃取的情况下,如果平衡关系可以用表示，且各级萃取剂用量相等,证明所需的理论级数为
式中S为每级萃取剂用量,XmN为溶质A在萃余相中的终浓度.
证明:
在多级错流萃取中，每级的操作线方程可以分别表示如下（假设Ym0=0）：
，因为,所以
，所以，
。
。
。
。
。
。
，所以，
所以
两边取对数，得
所以
10.7用45kg纯溶剂S萃取污水中的某溶质组分A，料液处理量为39kg，其中组分A的质量比为，而且S与料液组分B完全不互溶，两相平衡方程，分别计算单级萃取、两级错流萃取（每级萃取剂用量相同）和两级逆流萃取组分A的萃出率。
解：
（1）单级萃取
料液中B的量为kg
根据物料衡算
又因为
所以萃余相溶质质量比为
所以溶质A的萃出率为69。
3％
（2）两级错流
两级错流的情况下，每级的萃取剂用量为22.5kg
则第一级萃余相的浓度为
因为第一级的萃余相浓度就是第二级的原料液浓度，因此可以计算第二级的萃余相浓度
因此溶质A的萃出率为78%
（3）两级逆流
两级逆流的物料衡算为
，
又根据相平衡方程
由以上三个方程式可以求得
所以溶质A的萃出率为88％
10.8采用多级逆流萃取塔，以水为萃取剂，萃取甲苯溶液中的乙醛.原料液流量为1000kg/h，含有乙醛0。
15，甲苯0。
85（质量分数）。
如果甲苯和水认为完全不互溶,乙醛在两相中的分配曲线可以表示为.如果要求萃余相中乙醛的含量降至0。
01，试求：
（1）最小萃取剂用量；
（2）如果实际使用的萃取剂为最小萃取剂的1。
5倍，求理论级数。
解：
（1）原料液中乙醛的质量比为
最终萃余相中乙醛的质量比为
所以多级逆流操作的的操作线方程为过点（0。
01，0）和点（0.176，Ym1）的直线，当点（0.176，Ym1）在分配曲线上时,对应最小萃取剂的用量。
此时，
所以操作线的斜率为
最小萃取剂用量为kg/h
（2）如果萃取剂的用量为kg/h
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