化工原理-第五章-吸收课后习题及答案.doc

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date化工原理-第五章-吸收课后习题及答案化工原理-第五章-吸收课后习题及答案第五章 吸收相组成的换算【5-1】 空气和CO2的混合气体中，CO2的体积分数为20%，求其摩尔分数y和摩尔比Y各为多少？解 因摩尔分数=体积分数，摩尔分数摩尔比 【5-2】 20的l00g水中溶解lgNH3, NH3在溶液中的组成用摩尔分数x、浓度c及摩尔比X表示时，各为多少？解 摩尔分数浓度c的计算20，溶液的密度用水的密度代替。溶液中NH3的量为 溶液的体积 溶液中NH3的浓度或 NH3与水的摩尔比的计算或 【5-3】进入吸收器的混合气体中，NH3的体积分数为10%，吸收率为90%，求离开吸收器时NH3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NH3的摩尔分数摩尔比 吸收器出口混合气中NH3的摩尔比为摩尔分数 气液相平衡【5-4】 l00g水中溶解，查得20时溶液上方的平衡分压为798Pa。此稀溶液的气液相平衡关系服从亨利定律，试求亨利系数E(单位为)、溶解度系数H单位为和相平衡常数m。总压为。解 液相中的摩尔分数气相中的平衡分压 亨利系数 液相中的浓度 溶解度系数 液相中的摩尔分数 气相的平衡摩尔分数 相平衡常数 或 【5-5】空气中氧的体积分数为21%，试求总压为，温度为10时，水中最大可能溶解多少克氧？已知10时氧在水中的溶解度表达式为，式中为氧在气相中的平衡分压，单位为为溶液中氧的摩尔分数。解 总压空气中的压力分数 空气中的分压 亨利系数 (1) 利用亨利定律计算与气相分压相平衡的液相组成为溶液此为水溶液中最大可能溶解因为溶液很稀，其中溶质很少水溶液水=18 kg水10，水的密度 故 水溶液水即 水中最大可能溶解氧故 水中最大可能溶解的氧量为(2) 利用亨利定律计算水中最大可能溶解的氧量为 溶液【5-6】含NH3体积分数1.5%的空气-NH3混合气，在20下用水吸收其中的NH3总压为203kPa。NH3在水中的溶解度服从亨利定律。在操作温度下的亨利系数。试求氨水溶液的最大浓度，溶液。解 气相中的摩尔分数总压，气相中的分压(1) 利用亨利定律计算与气相分压相平衡的液相中NH3的摩尔分数为水溶液的总浓度 水溶液中的最大浓度 溶液(2) 利用亨利定律计算溶液【5-7】温度为20，总压为时，CO2水溶液的相平衡常数为m=1660。若总压为时，相平衡常数m为多少？温度为20时的亨利系数E为多少?解 相平衡常数m与总压p成反比， 时亨利系数 【5-8】用清水吸收混合气中的NH3，进入吸收塔的混合气中，含NH3体积分数为6%，吸收后混合气中含NH3的体积分数为0.4%，出口溶液的摩尔比为水。此物系的平衡关系为。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，则已知，则已知，则已知，则塔顶气相推动力 塔底气相推动力 【5-9】CO2分压力为50kPa的混合气体，分别与CO2浓度为的水溶液和CO2浓度为的水溶液接触。物系温度均为25，气液相平衡关系。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CO2在两种情况下属于吸收还是解吸。解 温度，水的密度为混合气中CO2的分压为水溶液的总浓度水溶液(1) 以气相分压差表示的吸收推动力液相中CO2的浓度水溶液液相中CO2的摩尔分数与液相平衡的气相平衡分压为气相分压差表示的推动力 （吸收） 液相中CO2的浓度水溶液液相中CO2的摩尔分数与液相平衡的气相平衡分压为气相分压差表示的推动力 （解吸）(2) 以液相浓度差表示的吸收推动力与气相平衡的液相组成为平衡的液相浓度 液相中CO2的浓度水溶液液相浓度差表示的推动力为 （吸收）液相中CO2的浓度水溶液液相浓度差表示的推动力为 （解吸）习题5-10附图吸收过程的速率【5-10】如习题5-10附图所示，在一细金属管中的水保持25，在管的上口有大量干空气(温度25，总压101.325kPa)流过，管中的水汽化后在管中的空气中扩散，扩散距离为l00mm。试计算在稳定状态下的汽化速率，。解 25时水的饱和蒸气压为从教材表5-2中查得，25，条件下，H2O在空气中的分子扩散系数。扩散距离，总压水表面处的水汽分压 空气分压 管上口处有大量干空气流过，水汽分压空气分压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48、总压力为条件下，测定CCl4蒸气在空气中的分子扩散系数。48时，CCl4的饱和蒸气压为37.6kPa，液体密度为。垂直管中液面到上端管口的距离，实验开始为2cm，终了为3cm，CCl4的蒸发时间为。试求48时，CCl4蒸气在空气中的分子扩散系数。解 计算48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48时CCl4的饱和蒸气压总压开始，终了CCl4的蒸发时间CCl4的摩尔质量摩尔气体常数已知数据代入计算式，得扩散系数【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0.015。气膜传质系数，液膜传质系数。气液平衡关系可用亨利定律表示，相平衡常数。总压为。试求：(1)气相总传质系数，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。解 (1)气相总传质系数 气膜阻力，液膜阻为。气膜阻力与总阻力的比值为，为气膜控制。(2)传质速率【5-13】根据及，试将传质速率方程变换成的形式。有何关系。解 式中 式中 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%的，其余视为惰性气体。冷却后送入吸收塔，用水吸收其中所含的95%。吸收塔的操作温度为30，压力为，每小时处理的炉气量为时的体积流量），所用液-气比为最小值的1.2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溶解度7.5 5.0 2.5 1.5 1.0 0.5 0.2 0.1气相中平衡分压91.7 60.3 28.8 16.7 10.5 4.8 1.57 0.63解 最小液一-比的计算吸收剂为水，总压原料气中分压从平衡数据内插，得液相平衡溶解度换算为摩尔比 最小液-气比 用水量计算已知炉气流量 标准状态下理想气体的摩尔体积为炉气的摩尔流量为惰性气体流量 吸收用水量 出塔水溶液的组成【5-15】在一吸收塔中，用清水在总压、温度20条件下吸收混合气体中的CO2，将其组成从2%降至0.1%（摩尔分数）。20时CO2水溶液的亨利系数。吸收剂用量为最小用量的1.2倍。试求：(1)液-气比L/G及溶液出口组成。(2)试求总压改为时的L/G及。解 (1)总压(2) 总压时的从上述计算结果可知，总压从0.1MPa增大到1MPa，溶液出口组成从增加到。【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0.02%（摩尔分数）。溶剂用量为最小用量的1.5倍，操作温度为50，压力为100kPa，相平衡关系为，气相总传质系数。入塔混合气单位塔截面上的摩尔流量为。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计算入塔混合气的流量 惰性气体流量 (2) 气相总传质单元数计算，回收率吸收因数法计算 对数平均推动力法计算 (3)填料层高度Z计算【5-17】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的体积分数降到0.5%，水溶液出口组成（摩尔比）。混合气体处理量为（按标准状态，），塔径为1.5m。亨利系数，液相体积总传质系数。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，混合气流量 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 对数平均推动力法计算气液相平衡常数 液相总传质单元数吸收因数法计算 填料层高度 【5-18】气体混合物中溶质的组成（摩尔比），要在吸收塔中用吸收剂回收。气液相平衡关系为。(1)试求下列3种情况下的液相出口组成与气相总传质单元数 (利用教材中图5-23)，并迸行比较，用推动力分析的改变。3种情况的溶质回收率均为99%。入塔液体为纯吸收剂，液-气比；入塔液体为纯吸收剂，液-气比；入塔液体中含溶质的组成（摩尔比），液-气比。(2)入塔液体为纯吸收剂，最小液-气比，溶质的回收率最大可达多少？解 (1)求回收率，相平衡常数m=1 查图5-23，得 查图5-23，得 查图5-23，得 计算结果比较：与比较，相同，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（即达到一定的要求），需要增大，同时也增大了。与比较，相同，使增大，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，增大，同时也增大了。(2) 当液体出口组成与气体进口组成达平衡时，溶质的回收率为最大，即由物料衡算得 回收率 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。每小时处理混合气（体积按计），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0.263%。塔底送出来的溶液，lkg含丙酮61.2g。根据上述测试数据计算气相体积总传质系数。操作条件下的平衡关系为。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先从已知数据求相平衡常数 塔底排出的水溶液，每l000g含丙酮61.2g丙酮的摩尔质量为传质单元数 也可用吸收因数法计算从教材图5-23查得或用计算式求出 =8.03已知填料层高度，计算再从式 计算惰性气体流量理想气体在时的摩尔体积为在下的摩尔体积为塔截面积 体积总传质系数(2)每小时丙酮回收量为(3)填料层加高则 从教材图5-23查得 填料层时，丙酮的回收量为多回收丙酮 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1.5倍。平衡线的斜率m=l。试求：(1)气相总传质单元数；(2)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(1)计算气相总传质单元数(2)要想使吸收率从90%提高到95%，可增大吸收剂用量填料层高度 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。因此，不会改变，仍为。新工况下， 用与，从图523查得为了使吸收率从90%提高到95%，LG需要从1.35增加到2.1，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CO2 ，CO2的组成为 0.1（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30， 总压为2MPa。CO2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、塔内平均传质推动力，并与原有情况进行比较：(1)吸收剂由清水改为组成为0.0001（摩尔比）的CO2水溶液；(2)吸收剂仍为清水，操作温度从30改为20；(3)吸收剂为清水，温度为30。由于吸收剂用量的增加，使液-气比从180增加到200。解 总压(1) 新工况的计算此时，不会改变，因填料层高度Z为一定值，所以不变。原工况 新工况 因，故 查得30时CO2水溶液的将上述数据代入式(a) 解得新工况的吸收率吸收液组成计算 已知原工况 新工况 平均传质推动力的计算方法按原工况计算 原工况 因 新工况 方法原工况 新工况 从上述计算结果可以看出：当吸收剂组成 由增加到时，传质推动力 由降为溶质吸收率 由降为吸收液组成 由增至对现有吸收塔，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。 (2) ，操作温度从30改为20查得20时CO2水溶液的 新工况的计算 原工况 （前面已计算）新工况 因 新工况的吸收率 吸收液组成计算原工况 (前面已计算)新工况 平均传质推动力计算原工况 （前面已计算）因 新工况 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m减小），传质推动力增大，导致溶质的吸收率增大。(3) ，温度30，m=94原工况 新工况 新工况的计算原工况 （前面已计算）新工况 因 解得 新工况的吸收率 吸收液组成计算原工况 新工况 平均传质推动力计算 原工况 新工况 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及操作温度与压力分别保持不变，而使进口混合气体中的溶质组成Y1增大。试问气相总传质单元数NOG、混合气出口组成Y2、吸收液组成X1及溶质的吸收率将如何变化？并画出操作示意图。解 填料层高度Z已定，且气象总传质单元高度不变，故不变。物系一定，操作温度及压力不变，故气液相平衡常数m一定，且G及L不变，故L/Gm一定。因NOG与L/Gm各为一定值，从教材中NOG的计算式（5-76）或图5-23可知为一定值。且吸收剂为清水，故X2=0，则为一定值。即随着Y1的增大，Y2按一定比例增大。如习题5-22附图所示，气相进口组成由Y1增大到，则气相出口组成由Y2增大到.操作线斜率L/G不变，因Y1增大到，附图中的操作线由TB线平行上移为TB线。TB线与水平的等Y线交垫横坐标为新条件下的液相出口组成。即吸收液组成由X1增大到。由第问的分析结果可知=一定值，故吸收率不变。习题5-23附图 习题5-22附图解吸塔计算【5-23】由某种碳氢化合物(摩尔质量为)与另一种不挥发性有机化合物（摩尔质量为）组成的溶液，其中碳氢化合物占8%（质量分数）。要在100、101. 325kPa（绝对压力）下，用过热水蒸气进行解吸，使溶液中碳氢化合物残留0.2%（质量分数）以内，水蒸气用量为最小用量的2倍。气液相平衡常数m=0.526，填料塔的液相总传质单元高度。试求解吸塔的填料层高度。解 传质系数计算和吸收剂部分循环【5-24】 现一逆流吸收填料塔，填料层高度为8m，用流量为100kmol/（·h）的清水吸收空气混合气体中某溶质，混合气体流量为600Nm3/（·h），入塔气体中含溶质0.05（摩尔分数，下同），实验测得出塔气体中溶质的吸收率为95。已知操作条件下的气液相平衡关系为Y=2.8X。设吸收过程为气膜控制。（1） 计算该填料的气相总体积传质系数；（2） 吸收过程中，将吸收后吸收液的50送入解吸塔解吸后循环使用，解吸后的液体含氨0.004，若维持进吸收塔总液体量不变，计算纯水和解吸后液体混合后从塔顶加入情况下，出塔气体中溶质的摩尔分数。解（1） 吸收率为95时，y2=0.05（10.95）0.0025，混合气体流量G60022.4=26.8 kmol/（·h）液气比吸收因数气相总传质单元数NOG气相总传质单元高度HOG气相总体积传质系数（3） 纯水和解吸后液体混合后的组成X2X2=0.002出塔气体中溶质摩尔分数多股进料进料位置和方式不同对填料层高度的影响【5-25】在101.3kPa、25的条件下，采用塔截面积为1.54的填料塔,用纯溶剂逆流吸收两股气体混合物的溶质，一股气体中惰性气体流量为50kmol/h，溶质含量为0.05（摩尔比，下同），另一股气体中惰性气体流量为50kmol/h，溶质含量为0.03，要求溶质总回收率不低于90，操作条件下体系亨利系数为279 kPa，试求：（1） 当两股气体混合后从塔底加入，液气比为最小液气比的1.5倍时，出塔吸收液浓度和填料层高度（该条件下气相总体积传质系数为30 kmol/（h ·m3），且不随气体流量而变化）；（2） 两股气体分别在塔底和塔中部适当位置（进气组成与塔内气相组成相同）进入，所需填料层总高度和适宜进料位置，设尾气气体组成与（1）相同。（3） 比较两种加料方式填料层高度变化，并示意绘出两种进料情况下的吸收操作线。解 根据题意吸收流程如图5-14所示：（1） 混合后气体摩尔比浓度：出塔气体浓度：物系的相平衡常数,X2=0操作液气比传质单元高度 （2） 当两股气体分别进入吸收塔，高浓度在塔底进入，低浓度在如图5-14所示塔中部进入，吸收塔分为两部分，塔内液气比不同，填料层高度分两段计算。上段填料层高度：对于塔上部：进塔气体组成为，出塔气体组成为，液气比L/V3.72，塔中部液体组成。传质单元高度 第二股气体进塔位置距塔顶8.27m处。下段填料层高度：对于塔下部：进塔气体组成为，中部气体组成为，液气比L/G3.72X27.44，进塔液体组成。传质单元高度（3）气体混合后进入吸收塔的操作线如图5-15为ABC，分别在适宜位置进入吸收塔的操作线为ABD，从操作线距离平衡线的距离看，气体混合后进入吸收塔的操作线靠近平衡线，传质推动力降低，所以填料层高度增加。吸收是分离过程，而组成不同的气体先混合是返混，返混对吸收不利，故填料层高度增加。-