化工基本原理下册第六章吸收习题集答案解析内容.doc

*. 6-1 已知在101.3 kPa(绝对压力下)，100 g水中含氨1 g的溶液上方的平衡氨气分压为987 Pa。试求： (1) 溶解度系数H (kmolm-3Pa-1)； (2) 亨利系数E(Pa)； (3) 相平衡常数m； (4) 总压提高到200 kPa(表压)时的H，E，m值。 （假设：在上述范围内气液平衡关系服从亨利定律，氨水密度均为1000） 解：（1）根据已知条件 定义 （2）根据已知条件可知 根据定义式 可得 （3）根据已知条件可知 于是得到 （4）由于和仅是温度的函数，故和不变；而，与和相关，故。 分析（1）注意一些近似处理并分析其误差。 （2）注意，和的影响因素，这是本题练习的主要内容之一。 6-2 在25℃下，CO2分压为50 kPa的混合气分别与下述溶液接触： (1) 含CO2为0.01 mol/L的水溶液； (2) 含CO2为0.05 mol/L的水溶液。 试求这两种情况下CO2的传质方向与推动力。 解： 由亨利定律得到 根据《 化工原理》 教材中表 8-1 查出 所以可以得到 又因为 所以得 于是：（1）为吸收过程，。 （2）为解吸过程，。 分析 （1）推动力的表示方法可以有很多种，比如，用压力差表示时： ① 推动力 （吸收） ② 推动力 （解吸） 或者 , 用摩尔分数差表示时 ① 由，判断出将发生吸收过程，推动力； ②由 ，判断出将发生解吸过程，推动力 （2）推动力均用正值表示。 6-3 指出下列过程是吸收过程还是解吸过程，推动力是多少，并在x-y图上表示。 (1) 含SO2为0.001(摩尔分数)的水溶液与含SO2为0.03(摩尔分数)的混合气接触，总压为101.3 kPa，t=35℃； (2) 气液组成及总压同(1) ，t=15℃； (3) 气液组成及温度同(1) ，总压为300 kPa(绝对压力)。 解 (1) 根据《化工原理》教材中表 8-1 知T = 35℃时，SO2 的 , 故 根据相平衡关系 , 得 由于，所以将发生解吸过程。传质推动力为 (2 ) T = 15℃时 , SO2的 ，故 根据相平衡关系 , 得 由于，所以将发生吸收过程。 传质推动力为 (3)同理可知 , 当 T = 35℃，p = 300 kPa时 ,，故 由于，所以将发生吸收过程。推动力为 示意图见题6-3 图。 题6-3 图 分析 体会通过改变温度和总压来实现气液之间传质方向的改变 ,即吸收和解吸。 6-4 氨-空气混合气中含氨0.12(摩尔分数)，在常压和25℃下用水吸收，过程中不断移走热量以使吸收在等温下进行。进气量为1000 m3 ，出口气体中含氨0.01(摩尔分数)。试求被吸收的氨量(kg)和出口气体的体积(m3) 。 解 惰性气体量 ，进口中 NH3 之量为,出口中NH3 之量为,于是总出气量= 880 + 9 =,被吸收的NH3量为,为 77.3kg。 分析 (1) 进行物料衡算时应以摩尔数或者质量为基准,一般不以体积为基准。此处由于温度和压力均不变,故摩尔数的变化正比于体积的变化,所以以体积作为衡算的基准。 (2) 本题是并流还是逆流? 有区别吗 ? (3) 如何才能不断移走热量? 该用填料塔还是板式塔 ? (4) 不移走热量对吸收有什么影响 ? 6-5 一浅盘内存有2mm厚的水层，在20℃的恒定温度下靠分子扩散逐渐蒸发到大气中。假定扩散始终是通过一层厚度为5mm的静止空气膜层，此空气膜层以外的水蒸气分压为零。扩散系数为2.610-5m2/s，大气压强为1.013105Pa。求蒸干水层所需时间。 解：本题中水层Z的变化是时间的函数，且与扩散速率有关。 查教材附录水的物理性质得，20℃时水的蒸汽压为2.3346kPa。已知条件为： 代入上式得： 水的摩尔质量，设垂直管截面积为A，在时间内汽化的水量应等于水扩散出管口的量，即 则 在，到，之间积分，得 6-6 含组分A为0.1的混合气，用含A为0.01（均为摩尔分数）的液体吸收其中的A。已知A在气、液两相中的平衡关系为，液气比为0.8，求： (1) 逆流操作时，吸收液出口最高组成是多少？此时的吸收率是多少？若，各量又是多少？分别在y-x图上表示； (2) 若改为并流操作，液体出口最高组成是多少？此时的吸收率又是多少？ 解 (1) 逆流操作(题6-6 图(a))时，已知 题6-6 图 ， ① 当，以及塔高无穷高时,在塔底达到两相平衡(题8-9图(b)), 。根据物料衡算可知 此时 , 吸收率为 ② 当,以及塔高无穷高时,在塔顶达到吸收平衡(题 8-9图(b))，。仍可以根据物料衡算 ，求出 (2) 并流操作且时(题8-9 图(c))，因为，所以有 根据操作线关系,有 式①，②联立，求得: 于是 分析 逆流吸收操作中，操作线斜率比平衡线斜率大时，气液可能在塔顶呈平衡；此时吸收率最大，但吸收液浓度不是最高。 操作线斜率小于平衡线斜率时，气液在塔底呈平衡；吸收液浓度是最高的，但吸收率不是最高。 6-7 用水吸收气体中的SO2 ，气体中SO2 的平均组成为0.02(摩尔分数)，水中SO2 的平均浓度为1g/1000g。塔中操作压力为10.13kPa(表压)，现已知气相传质分系数=0.310-2kmol/（m2hkPa），液相传质分系数= 0.4 m/h。操作条件下平衡关系。求总传质系数KY（kmol/（m2h））。 解 根据 和 得 现已知，，，因此要先根据下式求出才能求出: 因此还要求出 ： 于是便可求出 和 分析 此题主要练习各种传质系数之间的转换关系，第二目的是了解各系数的量级。 6-8 在1.013105Pa、27℃下用水吸收混于空气中的甲醇蒸气。甲醇在气、液两相中的浓度很低，平衡关系服从亨利定律。已知H=0.511 kPa m3/kmol，气膜吸收分系数kG=1.55105kmol/(m2skPa)，液膜吸收分系数kL=2.08105 (m/s)。试求吸收总系数KG并算出气膜阻力在总阻力中所占的百分数。 解 根据定义式和，可知 所以只要求出即可。又 所以 因为为气相阻力，为总阻力，故 分析 此题应和题6-9一起综合考虑。 6-9 在吸收塔内用水吸收混于空气中的低浓度甲醇，操作温度为27℃，压强为1.013105Pa。稳定操作状况下塔内某截面上的气相中甲醇分压为37.5mmHg，液相中甲醇浓度为2.11kmol/m3。试根据题6-8中有关数据计算出该截面的吸收速率。 解 吸收速率可以用公式 求出。其中 于是可得 分析 (1) 此时，根据, 还可以计算出气液界面气相侧中的甲醇分压（）以及液相侧中的甲醇浓度 （），此值远高于主体溶液中的甲醇浓度 。 (2) 是不是题目有些问题？含5%甲醇的空气似乎应是入口气 体，因此应是出塔液体的浓度，而此液体的浓度也太低了 (质量分数仅为0.0064%)，这些水又有何用呢？ (3) 若将题目中 甲醇浓度改为，则质量分数为6.4 %，便可以用精馏法回收其中的甲醇。 6-10 附图为几种双塔吸收流程，试在y-x图上定性画出每种吸收流程中A、B两塔的操作线和平衡线，并标出两塔对应的气、液相进出口摩尔分数。 题6-10附图 (c) （d） 6-11 在某逆流吸收塔内，于101.3kPa、24℃下用清水吸收混合气体中的H2S，将其浓度由2%降至0.1%（体积分数）。系统符合亨利定律，E=545101.3kPa。若吸收剂用量为最小用量的1.2倍，试计算操作液气比及出口液相组成。 解：已知 y1=0.02 y2=0.001 P =101.33KPa 则 又据全塔物料衡算 即操作液气比为776.25 出口液相组成X1为 6-12用纯水逆流吸收气体混合物中的SO2，SO2的初始浓度为5％（体积分数），操作条件下的相平衡关系为y＝5.0x，分别计算液气比为4和6时气体的极限出口浓度。 解：当填料塔为无限高，气体出口浓度达极限值，此时操作线与平衡线相交。对于逆流操作，操作线与平衡线交点位置取决于液气比与相平衡常数m的相对大小。 当，时，操作线与与平衡线交于塔底，由相平衡关系可以计算液体出口的最大浓度为 由物料衡算关系可以求得气体的极限出口浓度为： 当，，操作线与平衡线交于塔顶，由平衡关系可以计算气体极限出口浓度为： 由物料衡算关系可求得液体出口浓度为： 从以上计算结果可知，当时，气体的极限残余浓度随增大而减小；当时，气体的极限浓度只取决于吸收剂初始浓度，而与吸收剂的用量无关。 6-13 在某填料吸收塔中，用清水处理含SO2的混合气体。逆流操作，进塔气体中含SO2为0.08(摩尔分数)，其余为惰性气体。混合气的平均相对分子质量取28。水的用量比最小用量大65%，要求每小时从混合气中吸收2000kg的SO2。已知操作条件下气、液平衡关系为。计算每小时用水量为多少立方米。 解：根据题意得 根据吸收的SO2质量求得混合气中惰性气体的流量 根据物料衡算 解得 又 则 则每小时的用水量为 6-14 用纯溶剂对低浓度气体作逆流吸收，可溶组分的回收率为η，采用的液气比是最小液气比的β倍。物系平衡关系服从亨利定律。试以η、β两个参数列出计算NOG的表达式。 解：令进塔气体浓度为y1，则出塔气体浓度为 x2=0 由上题证明的结果： 又 6-15 在一填料吸收塔内，用含溶质为0.0099的吸收剂逆流吸收混合气体中溶质的85%，进塔气体中溶质浓度为0.091，操作液气比为0.9，已知操作条件下系统的平衡关系为，假设总体积传质系数与流动方式无关。试求：（1）逆流操作改为并流操作后所得吸收液的浓度；（2）逆流操作与并流操作平均吸收推动力之比。 解：逆流吸收时，已知y1=0.091，x2=0.0099 所以 改为并流吸收后，设出塔气、液相组成为、，进塔气。 物料衡算： 将物料衡算式代入NOG中整理得： 逆流改为并流后，因KYa不变，即传质单元高度HOG不变，故NOG不变 所以 由物料衡算式得： 将此两式联立得： 由计算结果可以看出，在逆流与并流的气、液两相进口组成相等及操作条件相同的 情况下，逆流操作可获得较高的吸收液浓度及较大的吸收推动力。 6-16 今有逆流操作的填料吸收塔，用清水吸收原料气中的甲醇。已知处理气量为1000m3/h（标准状况），原料气中含甲醇100g/m3，吸收后的水中含甲醇量等于与进料气体相平衡时组成的67%。设在标准状况下操作，吸收平衡关系为，甲醇的回收率为98%，Ky = 0.5 kmol/（m2h），塔内填料的有效比表面积为190 m2/m3，塔内气体的空塔流速为0.5 m/s。试求： (1) 水的用量； (2) 塔径； (3) 填料层高度。 解 下面计算中下标1表示塔底，2表示塔顶。根据已知操作条件，有 ， （1） 根据全塔的甲醇物料衡算式 可以得出用水量 （2） 塔径，可圆整到0.84m。 （3） 由于是低浓度吸收，故可以将近似为,并存在，则可进行以下计算： 填料层高度 先计算气相总传质单元数： 再计算气相总传质单元高度 最终解得 分析 (1)这是一个典型的设计型问题，即已知工艺要求，希望设计出用水量、塔径和塔高。 (2) 若不进行以上近似，则可按下述方法求解: 式中：-气体总流量。 于是 对上式进行积分得 （当然此时也会随着流量变化而变化，求解时还需要做另外的近似） （3） 或者做以下近似处理 得 其中，可取和的平均值；可取和的平均值。 取 则 以上两种方法的计算结果具有可比性。 6-17 在一填料吸收塔内，用清水逆流吸收空气中的NH3，入塔混合气中NH3的含量为0.01（摩尔分率，下同），吸收在常压、温度为10℃的条件下进行，吸收率达95%，吸收液中NH3含量为0.01。操作条件下的平衡关系为，试计算清水流量增加1倍时，吸收率、吸收推动力和阻力如何变化，并定性画出吸收操作线的变化。 解：吸收率增加，吸收推动力增加 2是清水增加一倍时的操作线，斜率增加，推动力增大。 6-18 某吸收塔用25mm25mm的瓷环作填料，充填高度5m，塔径1m，用清水逆流吸收流量为2250m3/h的混合气。混合其中含有丙酮体积分数为5%，塔顶逸出废气含丙酮体积分数将为0.26%，塔底液体中每千克水带有60g丙酮。操作在101.3kPa、25℃下进行，物系的平衡关系为y=2x。试求（1）该塔的传质单元高数HOG及体积吸收系数Kya；（2）每小时回收的丙酮量，kg/h。 解：（1）M丙酮=58 ∴ 由全塔物料衡算： ∴ ∵ ∴ （2） 每小时回收的丙酮量为： 6-19 在一填料层高度为5m的填料塔内，用纯溶剂吸收混合气中的溶质组分。当液气比为1.0时，溶质回收率可达90%。在操作条件下气液平衡关系为y=0.5x。现改用另一种性能较好的填料，在相同的操作条件下，溶质回收率可提高到95%，试问此填料的体积吸收总系数为原填料的多少倍？ 解：本题为操作型计算，NOG宜用脱吸因数法求算。 原工况下： 因X2=0，则： 新工况（即新型填料）下： 则 即新型填料的体积传质系数为原填料的1.38倍。 讨论：对一定高度的填料塔。在其他条件不变下，采用新型填料，即可提高KYa，减小传质阻力，从而提高分离效果 6-20某填料吸收塔高2.7m，在常压下用清水逆流吸收混合气中的氮。混合气入塔的摩尔流率为0.03kmol/(m2s),清水的喷淋密度0.018 kmol/(m2s)。进口气体中含氮体积分数为2%，已知气相总体积吸收系数Kya=0.1 kmol/(m3s),操作条件下亨利系数为60kPa。试求排出气体中氮的浓度。 解： 即操作线与平衡线平行，此时 故 所以 解得 6-21 某填料吸收塔用含溶质x2=0.0002的溶剂逆流吸收混合气中的可溶组分，采用液气比是3，气体入口摩尔分数y1=0.001，回收率可达90%.已知物系的平衡关系为y=2x。 今因解吸不良使吸收剂入口摩尔分数x2升至0.00035，试求：（1）可溶组分的回收率下降至多少？（2）液相出塔摩尔分数升高至多少？ 解：（1） 当上升时，由于H不变，不变 ∴ 也不变，即 （3） 物料衡算 6-22用一填料塔逆流吸收空气中的氨。单位塔截面上的混合气体流率为0.036 kmol/m2s，含氨2％（摩尔分率，下同），新鲜吸收剂为含氨0.0003的水溶液，从塔顶加入。要求氨的回收率不低于91％，设计采用液气比为最小液气比的1.3倍。氨-水-空气物系的相平衡关系为y=1.2x。已知气相总传系数 Kya为0.0483 kmol/ m3s ，过程为气膜控制。 试求： (1)所需塔高. (2)若采用部分吸收剂再循环从塔顶加入，新鲜吸收剂用量不变，循环量与新鲜吸收剂量之比为1:10，为达到同样的回收率，所需塔高为多少? 解：（1）对吸收塔作物料衡算 吸收塔内液气比为 全塔物料衡算 其中 ∴ 全塔的传质单元数 所需塔高为 （2） 当有部分吸收剂再循环后，吸收剂的入塔含量为  吸收塔内液气比 全塔物料衡算 ‚ 联立  、‚两式可解得 全塔的传质单元数 所需塔高 6-23 为测定填料层的体积吸收系数Kya，在填料塔内以清水为溶剂，吸收空气中低浓度的溶质组分A。试画出流程示意图，指出需要知道哪些条件和测取哪些参数；写出计算Kya 的步骤；在液体流量和入塔气体中组分A浓度不变的情况下，加大气体流量，试问尾气中组分A的浓度是增大还是减小？ 题6-23图 解 流程如图（a）所示，由于 所以，为了测出，需要知道物系的平衡关系，因而需要测定温度，以便于从手册中查找有关数据，还需测量进、出口的气、液流量及组成、塔径和填料层的高度。 求KYa的步骤如下： （1） 在稳定操作条件下测出L，V，X1，X2=0，Y1,Y2 以及温度； （2） 依据平衡关系求出平均推动力∆Ym； （3） 量出塔径DT Ω=π4DT2 及填料层高度H； （4） 将以上各量代入式，及求得Kya。 若加入大气体流量，尾气中组分A的浓度将增高。其分析如图b所示。 分析（1）实验时要多测一些L和V条件下的数据以便总结出规律。 （2）试分析增大气体流量后 X1 会如何改变 ? （3）测水流量 L 有何用途 ? 6-24 某逆流操作的填料吸收塔，塔截面积1m2，用清水吸收混合气中的氨气，混合气量为0.06kmol/s，其中氨的浓度为0.01（摩尔分率），要求氨的回收率至少为95%。已知吸收剂用量为最小用量的1.5倍，气相总体积吸收系数为0.06kmol/(m3s)，且∝G0.8。操作压力101.33kPa，操作温度30℃，在此条件下，气液平衡关系为，试求： （1） 填料层高度（m）； （2）若混合气体量增大，则按比例增大吸收剂的流量，能否保证溶质吸收率不下降？简述其原因； （3）若混合气体量增大，且保证溶质吸收率不下降，可采取哪些措施？ 解：（1）根据题意得 全塔的传质单元数 全塔的传质单元高度 （2） 假设能保证吸收率不下降，则有 又因为L与V按比例增大，所以，则 ∴，则不变 又因为 ∴ ∴ 则假设不成立，不能满足要求 （3） 在H不变时，↑，则↓，又因为与m均不变，∴需要L↑或者换用更加高效的填料 思考题 6-1吸收的目的和基本依据是什么？吸收的主要操作费用花费在哪里？ 答：目的是分离气体混合物，依据是气体混合物中各组分在溶剂中的溶解度不同；操作费用主要花费在溶剂再生，溶剂损失。 6-2 选择吸收剂的主要依据是什么？什么是溶剂的选择性？ 答：溶解度大，选择性高，再生方便，蒸气压低，损失小。溶剂对溶质溶解度大，对其他组分溶解度小。 6-3 E、m、H三者各自与温度、总压有何关系？ 答：m、E、H均随温度上升而增大，E、H基本上与总压无关，m反比于总压。 6-4 扩散流JA，净物流N，传质速率NA相互之间有什么联系和区别？ 答：，。浓度梯度引起，微压力差引起，溶质传递。 6-5 漂流因子有什么含义？等分子反向扩散时有无漂流因子？为什么？ 答：表示了主体流动对传质的贡献 无漂流因子，因为没有主体流动 6-6 气体分子扩散系数与温度、压力有何关系？液体分子扩散系数与温度、黏度有何关系？ 答：气体分子扩散系数与温度的1.5次方成正比，总压力成反比；液体扩散系数与温度成正比，与粘度成反比。 6-7 传质过程中，何种情况是气相阻力控制？何种情况是液相阻力控制？ 答：当时，此时传质阻力主要集中于气相，称为气相阻力控制过程；当时，此时传质阻力主要集中于液相，称为液相阻力控制过程。 6-8 低含量气体吸收有哪些特点 答：①G、L为常量，②等温过程，③传质系数沿塔高不变 6-9 吸收塔高度计算中，将NOG与HOG分开有什么优点？ 答：分离任务难易与设备效能高低相对分开，便于分析。 6-10 建立操作线方程的依据是什么？ 答：塔段的物料衡算。 6-11 什么是返混？返混对塔的分离结果有什么影响？ 答：在有降液管的塔板上，液体横流过塔板与气体呈错流状态，液体中易挥发组分的浓度将沿着流动的方向逐渐下降，但是当上升气体在塔板上使液体形成涡流时，浓度高的液体和浓度低的液体就混在一起，破坏了液体沿流动方向的浓度变化，这种现象叫返混现象。 6-12 何谓最小液气比 答：操作先于平衡线相交或者相切时对应的L/V称为最小液气比。 6-13 x2,max与（L/G）min是如何受到技术上的限制的？ 答：通常，，。因此，技术上的限制主要是指相平衡和物料衡算。 6-14 有哪几种NOG的计算方法？用对数平均推动力法和吸收因数求NOG的条件各是什么？ 答：对数平均推动力法，吸收因数法，数值积分法。 相平衡分别为直线和过原点直线。 6-15 HOG的物理含义是什么？常用吸收设备的HOG约为多少？ 答：气体流经这一单元高度塔段的浓度变化等于该单元内的平均推动力。 0.15～1.5 m。 6-16 吸收剂的进塔条件有哪三个要素？操作中调节这三要素，分别对吸收结果有何影响？ 答：t、x2、L。 t↓，x2↓，L↑均有利于吸收。