化工原理吸收课后答案_.docx

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1、其次章 吸取习题解答1 从手册中查得 101.33KPa、25时,假设 100g 水中含氨 1g,则此溶液上方的氨气平衡分压为 0.987KPa。在此组成范围内溶液听从亨利定律 ,试求溶解度系数H(kmol/ (m3kPa)及相平衡常数 m。解:(1) 求 H由 P*C=NH3.求算.NH3: PH* = 0.987kP.相应的溶液浓度C可用如下方法算出:NH3aNH3以100 g 水为基准 ,由于溶液很稀 .故可近似认为其密度与水一样.并取其值为1000kg / m3.则:CNH31=17= 0.582kmol / m3 100 +11000 H =CNH30.582=0.590kmol /

2、(m3kP )P*NH30.987y* = mNH3NH3axNH3y* =NH3P*NH3P= 0.987101.33= 0.00974(2).求m .由xNH31=171 + 100= 0.01051718y*0.00974m =NH3xNH3= 0.9280.01052: 101.33kpa、1O时,氧气在水中的溶解度可用 po2=3.31106x 表示。式中:Po2 为氧在气相中的分压,kPa、x 为氧在液相中的摩尔分数。试求在此温度及压强下与空气充分接触后的水中,每立方米溶有多少克氧.解:氧在空气中的摩尔分数为0.21 .故P= PyOO22P= 101.33 0.21 = 21.2

3、8kPa21.28x=O= 6.4310-622O3.311063.31106因 x值甚小,故可以认为 X xO2即: XO2 x= 6.4310-6O2所以:溶解度6.4310-6 32-kg(O )g(O )2= 1.1410 52= 11.4 2118kg(H O)2 m3 (H O) 3. 某混合气体中含有 2%(体积)CO2,其余为空气。混合气体的温度为 30,总压强为 506.6kPa。从手册中查得 30时 C02 在水中的亨利系数 E=1.88x105KPa,试求溶解度系数 H(kmol/m3kPa、)及相平衡常数 m,并计算每 100 克与该气体相平。衡的水中溶有多少克 CO2

4、解:(1).求 H 由 H =rEM求算H2OrH =EMH2O=1000 1.88105 18= 2.95510-4 kmol /(m3 kP )a(2) 求mE1.88 105m = 371r506.6(2) 当 y = 0.02 时.100 g 水溶解的CO2(3)P* = 506.6 0.02 = 10.13kPCOa2P*x =CO210.13=5.3910-5E1.88105因 x 很小,故可近似认为 X x kmol(CO ) 44 kg(CO ) X = 5.3910-5 2 = 5.3910-5 () 222 kmol(H O) 18 kg(H O) kg(CO ) = 1.

5、31810-4 2kg(H O)2故100 克水中溶有CO 0.01318 gCO2224.在 101.33kPa、0下的 O2 与 CO 混合气体中发生稳定的分子集中过程。相距 0.2cm 的两截面上 O 的分压分别为 13.33kPa 和 6.67kPa,又知集中系数为0.185cm2/s,试计算以下两种状况下O2 的传递速率,kmol/(m2s):(1) O2 与 CO 两种气体作等分子反向集中;(2) CO 气体为停滞组分。解：1等分子反向集中时O2的传递速率N=D(P- P)ARTZA1A2D = 0.185cm2 / s = 1.8510-5 m2 / s.T = 273KP =

6、101.325kP .Z = 0.2cm = 2 10-3 maP= 13.33kP .P= 6.67kPA1aA2a1.8510-5 N=(13.33- 6.67) = 2.7110-5 (kmol / m2 s)A8.314 273 2 10-32 O2通过停滞CO 的集中速率DPDPP1.8510-5 101.33101.33 - 6.67N=(P- P) =lnB 2 =lnARTZPA1BmA2RTZPB18.314 273 2 10-3101.33 -13.33= 3.0110-5 kmol / m2 s5. 一浅盘内存有 2mm 厚的水层,在 20的恒定温度下渐渐蒸发并集中到大气

7、中。假定集中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。集中系数为 2.6010-5m2/s,大气压强为 101.33KPa。求蒸干水层所需的时间。解:这是属于组分( A) 通过停滞组分的集中。集中距离静止空气膜厚度为Z = 510-3 m .水层外表的水蒸气分压(20 C)的饱和水蒸气压力为 PA1= 2.3346kPa静止空气膜层以外;水蒸气分压为 P= 0A2D = 2.6 10-5 m2 / s.P = 101.33kP .T = 273 + 20 = 293Ka单位面积上单位时间的水分蒸发量为DPDPP2.6 10-5 101.33101.33N=(P

8、- P) =ln B 2=lnARTZPA1A2BmRTZPB18.314 293 510-3101.33 - 2.3346= 5.0310-6 kmol /(m2 s)故液面下降速度:dd =N MAA5.0310-6 18= 9.07 10-8 m / sdr998.2qL水层蒸干的时间:4h510-3q = 2.20510 s = 6.125hd/ dhq9.07 10-86. 试依据马克斯韦尔-吉利兰公式分别估算 0、101.33kPa 时氨和氯化氢在空气中的集中系数 D(m2/s),并将计算结果与表 2-2 中的数据相比较。解:(1):氨在空气中的集中系数.查表2.4 知道,空气的分

9、子体积:V= 29.9cm3 / molB氨的分子体积:V= 25.8cm3 / molA又知MB= 29g / mol.MA= 17 g / mol则0 C.101.33kPa时,氨在空气中的集中系数可由MaxweaGilliland 式计算.114.3610-5 (273)3/ 2 (+)1/ 2D=1729= 1061410-5 m2 / sNH3101.33 (25.8)1/3 + (29.9)1/3 (2)同理求得D= 1.323 10-5 m2 / sHCl7. 在 101.33kPa、27下用水吸取混于空气中的甲醇蒸气。甲醇在气、液两相中的组成都很低,平衡关系听从亨利定律。溶解度

10、系数 H=1.955kmol/(m3kPa),气膜吸收系数kG=1.5510-5kmol/(m2skPa),液膜吸收系数kL=2.0810-5kmol/(m2kmol/m3)。试求总吸取系数 KG,并算出气膜阻力在总阻力中所占百分数。.解:总吸取系数K=1=+G1111+1= 1.122 10-5 kmol /(m2 s kP )akHkGC1.5510-51.955 2.0810-5气膜 P 助在点 P 助中所占百分数.1/ k1.122 G= 72.31/ kG+1/ HkC1.558. 在吸取塔内用水吸取棍子空气中的甲醇,操作温度 27,压强 101.33KPa。稳定操作状况下塔内某截面

11、上的气相甲醇分压为 5 kPa, 液相中甲醇组成为2.11kmol/m3。试依据上题中的有关数据算出该截面上的吸取速率。解:吸取速率 NA= K(PGA- P * )A由上题已求出kG= 1.122 10-5 kmol /(m2 s kP )a又知： H = 1.955kmol /(m3 kP )a则该截面上气相甲醇的平衡分压为P * = C / H = 2.11/1.955 = 1.08kP .P = 5kP .AaAa则 NA = 1.12210(5 -1.08) = 4.4 10kmol /(m s)-5-52= 0.1583kmol /(m2 h)9：在逆流操作的吸取塔中,于 101.

12、33kpa、25下用清水吸取混合气中的 H2S,将其组成由 2%降至 0.196 (体积)。该系统符合亨利定律。亨利系数E=5.5216kPa。假设取吸取剂用量为理论最小用量的 12 倍,试计算操作液气比L 及出口液相组成VX 假设压强改为 1013kPa,其他条件不变,再求1L 手及 X 。V1解：1求101.33kPa下，操作液气比及出口液相组成。E5.52 104m = 545P101.33y0.02Y =1= 0.020411- yy122Y = 1- y21- 0.02=0.001= 0.001 1- 0.001X= 02最小液气比 LY - Y0.0204 - 0.001()=12

13、= 5181V minY - X m20.0204 / 545操作液气比为 L= 1.2 ( L )= 1.2 518 = 622VV出口液相浓度minX = X+ V (Y - Y )12L121= 0 + (0.0204 - 0.001) = 3.12 10-56222：求1013kPa下的操作液气比及出口液组成E5.52 104m = 545P1013则：L”Y - Y0.0204 - 0.00011()=12= 51.8V minLY - X m20.0204 / 545V = 1.2 51.8 = 62.2出口液相组成：+V ”1X ” = X12(YL”1- Y ) = 0 + (

14、0.0204 - 0.001) = 3.12 10-4 262.211，在 101.33kPa 下用水吸取据于空气中的氨。氨的摩尔分数为 0.1,混合气体于 40下进入塔底,体积流量为 0.556m3/s,空塔气速为 1.2m/s。吸取剂用量为理论最小用量的 1.1 倍,氨的吸取率为 95%,且已估算出塔内气相体积吸取总系数K Ya的平均值为 0.1112kmol/(m 3 s)。在操作条件下的气液平衡关系为Y * = 2.6 X ,试求塔径及填料层高度。解：Y =0.1= 0.111111- 0.1Y = Y (1-j ) = 0.1111 (1- 0.95) = 0.00555521X=

15、0.2LY - Y0.1111- 0.0055551()=12= 2.47V minLY - X m0.111122.6V = 1.1 2.47 = 2.72VLX =(Y11- Y ) + X22=12.72(0.1111 - 0.005555) + 0 = 0.0388S = mV = 2.6 = 0.956L2.721N=1ln(1- S ) Y- Y *2+ S =1ln(1- 0.956) 0.1111+ 0.956 = 13.8G1- SY2- Y *1- 0.9560.0055552塔截面积：W = 0.556/1.2 = 0.463m2塔径：p4 0.463D = 0.77m又

16、知：V =0.556 273 0.9 = 0.0195kmol / s22.4273 + 40则：H=V=0.0195= 0.38mGKW0.1112 0.463Ya塔上填料层高度：Z = H N= 0.38 13.8 = 5.23mGG2212. 在吸取塔中用清水吸取混合气中的 SO2,气体流量为 5000m3(标准)/h,其中SO2占 10%,要求 SO 回收率为 95%。气、液逆流接触,在塔的操作条件下 SO 在两相间的平衡关系近似为Y * = 26.7 X 。试求:(1) 假设取用水量为最小用量的 15 倍,用水量应为多少? (2)在上述条件下,用图解法求所需理论塔板数;(3)如仍用(

17、2)中求出的理论板数,而要求回收率从 95%提高到 98%,用水量应增加到多少?解：（1） 求用水量：Y =0.10= 0.111111- 0.10Y = 0.1111 (1- 0.95) = 0.005562V = 5000 (1- 0.10) = 201kmol / h 22.4V (Y - Y )201(0.111 - 0.00556)L=12= 5100kmol / hminX * - X120.1111 - 026.7L = 1.5L= 1.5 5100 = 7650kmol/ hmin（2） ：求理论板数(水(a) 梯级图解法V201X=(Y1L1- Y ) + X22=(0.11

18、11- 0.00556) = 0.00277 7650在Y - X 直角坐标图中给出平衡线oE.CY * = 26.7 7 及操作线 BT由图中 B 点开头在操作线与平衡线之间画梯级得理论板层数 NT= 5.5(b) 用克列姆塞尔算图j = 95.X= 02则相对回收率j =Y - Y12= 0.1111 - 0.00556 = 0.95Y - mX120.1111在理论最小用水量下， NTL= ，J 据此查图2 - 21得：Amin= 0.95而min = 0.95mVL = 1.5Lmin= 1.5 0.95mV= 1.5 0.95 26.7 201 = 7650kmol/ h(水查图2

19、- 21或由式2 - 77c 计算可知当：A =L= 1.43.j = 0.95 时mVN= 5.5T两种方法解得的结果一样。（3） 求r = 98时所需增加的水量用克列姆塞尔法估算，：j ” = 0.98.NT据此查图2 - 21得 A” = 1.75= 5.5则: L” = 1.75mV = 1.75 26.7 201 = 9390kmol / h故需要增加的用水量L” - L = 9390 - 7650 = 1740kmol(水)/ h = 3.13104 kg/ h(水13. 在一个接触效能相当于 8 层理论塔板的筛板塔内,用一种摩尔质量为 250、密度为则 900kg/m3 的不挥发

20、油吸取捏于空气中的丁烧。塔内操作压强为 101.33kPa, 温度为 15,进塔气体含丁烷 5%(体积),要求回收率为 95%。丁烷在 15时的蒸气压强为 194.5kPa,液相密度为 58Okg/m3 假定拉乌尔定律及道尔顿定律适用,求:(1) 回收每 1m3 丁烷需用溶剂油多少(m3)?(2) 假设操作压强改为 304.OkPa,而其他条件不变,则上述溶剂油耗量将是多少(m3)?解:(1). 由拉乌尔定律y* = p194.5=x x = 1.92xp101.33由于为低组成吸取,可以认为Y * = 1.92 X=0.051Y1- 0.05= 0.0526.X2= 0.Y * = 02Y=

21、 Y (1-j ) = 0.0526 (1- 0.95) = 0.0026321由克列姆塞尔方程得到:Yln1- Y *1ln 0.0526 - Y *1Y - Y *0.0263 - 0-N=21Tln Y2 8 =Y2ln 0.0526 - 0.00263Y * - Y *Y * - 0121解得:Y * = 0.0421Y *0.042X=1= 0.02211.921.92由此可知,每回收1kmol 丁烷所需纯溶剂油数量为1=1= 45.5kmol/kmolX- X120.022 - 0油(丁烷丁烷的摩尔质量为58.08.则回收每1m3液体丁烷所需溶剂油的体积为45.5 250 / 90

22、0= 126.2m3/ m358.08/ 580(2).假设 p = 304.0kPa. 则: 194.5油丁烷y* =304.0x = 0.6398x. Y * = 0.6398X由于 X2= 0 故Y * = 02Y * = 0.042. (条件未变,仍用上法求得)1Y *0.042X=1= 0.06561m0.63981=1= 15.24kmol/ kmolx - x120.0656 - 0油丁烷15.24 2501900= 42.28m3/ m358.08/ 580油液体丁烷214. 在一逆流吸取塔中用三乙醇胶水溶液吸取混于气态烃中的 H2S,进塔气相含H2S 2.91%(体积),要求

23、吸取率不低于 99%,操作温度 300K,压强为 101.33kPa,平衡关 系 为 Y * = 2 X , 进 塔 液 体 为 鲜 溶 剂 , 出 塔 液 体 中 H S 组 成 为0.013kmol(H2S)/kmol(溶剂)。单位塔截面上单位时间流过的惰性气体量为0.015 kmol/(m 2s),气相体积吸取总系数为 0.000395kmol/(m3skPa),求所需填料层高度。解:VY - Y Z = H N=12 GGKW YYam:=0.02911Y1- 0.0291= 0.03Y= Y (1-j ) = 0.03(1- 0.99) = 0.000321X= 0.013.Y *

24、= mX111X= 0.Y * = 022= 2 0.013 = 0.026Y则:m= (0.03 - 0.026) - 0.0003 ln 0.03 - 0.0260.0003= 0.00143K= KYaGap = 0.000395 101.33 = 0.04kmol /(m2 S )又知:V = 0.015kmol /(m2 s)W H=G0.0150.04= 0.375mN= 0.03 - 0.0003 = 20.8G0.00143Z = 0.375 20.8 = 7.8m15. 有一吸取塔,填料层高度为 3m,操作压强为 101.33KPa,温度为 20,用清水吸取棍于空气中的氨。混

25、合气质量流速 G=58Okg/(m2h),含氨 6%(体积),吸取率为99%; 水的质量流速 W=770kg/(m2h)。该塔在等温 下逆流 操作, 平衡关系 为Y* = 0.9 X 。KGa 与气相质量流速的 0.8 次方成正比而与液相质量流速大体无关。试计算当操作条件分别作以下转变时,填料层高度应如何转变才能保持原来的吸取率(塔径不变):(1)操作压强增大一倍;(2)液体流量增大一倍;(3)气体流量增大一倍。解：Z = 3m, p = 101.325kP ,T = 293ka=0.061Y1- 0.06= 0.0638.X= 02Y= Y (1-j ) = 0.0638(1- 0.99)

26、= 0.00063821混合气体的平均摩尔质量M = 29 O.94 +17 0.06 = 28.28kg / kmo lnV580=(1- 0.06) = 19.28kmol /(m2 h)W28.28L770W = 18= 42.78kmol /(m2 h)mv0.9 19.28S = 0.4056L42.781Y - mXN=ln(1- S )( 1G1- SY2- mX2 ) + S 2=1ln0.0638 - 0 (1- 0.4056) + 0.40561- 0.40560.000638= 6.884H=Z=3= 0.4358mGN6.884G1 p” = 2 pm” = mp /

27、p” = 0.9 12= 0.45mV”0.4519.28S ” = 0.2028L42.78m”pN” =1ln(Y - m” X12 )(1- S ” ) + S ” 由于=故mp”G1- S ”1Y - m” X22= 0.0638 - 0ln1- 0.20280.000638 - 0= 5.496(1- 0.2028) + 0.2028H=VGKYa故：W = KVapWG=H”PGHP”GH” = HP = 0.4358 1 = 0.2179mGG P”2Z = H” NG” = 0.2179 5.496 = 1.198mG填料层高度比原来削减了3 -1.198 = 1.802mL”

28、 = 2L2： S ” =mV =mV =1 0.4056 = 0.2028L”2LVN” = 5.496G计算过程同1 .液体流速的增加对 KGa 无显著影响.H” = HGG= 0.4358m则: Z ” = N” HG” = 5.496 0.4358 = 2.395mG即所需填料层高度较原来削减了3 - 2.395 = 0.605m(3)V ” = 2VmV ”m(2V )S ” = 2 0.4056 = 0.81121LLN” =ln100(1- 0.8112) + 0.8112 = 15.8G1- 0.8112气体质量流速增大时,总吸取系数 KGa 相应增大.K V 0.8GaK”

29、= KGaGaV ”()0.8V= 20.8 KGa=V ”2VH20.2 H= 20.2 0.4358 = 0.501mGK” pW20.8 KpWG GaGaZ ” = H” N” = 15.8 0.501 = 7.92mGG即所需填料层高度较原来增加7.92 - 3 = 4.92m16. 要在一个板式塔中用清水吸取混于空气中的丙醇蒸气。混合气体流量为30kmol/h,其中含丙醇 1%(体积)。要求吸取率到达 90%,用水量为 9Okmol/h。该塔在 101.33KPa、27下等温操作,丙醇在气、液两相中的平衡关系为Y * = 2.53X , 求所需理论板数。解:V = 30 (1- 0

30、.01) = 29.7kmol / hY =0.0111- 0.01= 0.0101Y= Y (1-j21) = 0.0101(1- 0.90) = 0.00101AL = 90kmol / hV (Y - Y )29.7 (0.0101- 0.00101)X= X+12= 0 += 0.00312L90由题意知m = 2.53 则:A =L=90= 1.1977mV2.53 29.7又由于 X= 0 .则:2j = j A = 0.90ln A -j -1N=1-j=Tln Aln 1.1977 - 0.901- 0.90-1 = 5.05 ln1.1977第三章2. 聚氯乙烯生产过程中,需

31、要将乙炔发生器送出来的粗乙炔气体净化 ,方法是在填料塔中用次氯酸钠稀溶液除去其中的硫、磷等杂质。粗乙炔气体通入填料塔的体积流量为 7旷/h,密度为 1.16kg/m3;次氯酸钠水洛液的用量为 4000kg/h,密度为105Okg/m3,黏度为 1.06mPas。所用填料为陶瓷拉西环,其尺寸有 50mm5Omnx4.5 皿 n 及 25mnx25mm2.5mn 两种。大填料在下层,小填料在上层,各高 5m,乱堆。假设取空塔气速为液泛气速的 80%,试求此填料吸取塔的直径及流淌阻力。解:(1)塔径两种填料的f 值如下:50mm 50mm 4.5mm 陶瓷拉西环(乱堆):f = 2051/ m25m

32、m 25mm 2.5mm 陶瓷拉西环(乱堆):f = 4501/ m比较两种填料的f 值可知,小填料的泛点气速应比大填料的低,故应接小填料计算塔径.Wrrc (v )0.5WvL40001.16=()0.5700 1.161050= 0.163由图(3 -18) 中的乱堆填料泛点线查得f4r2VmFg rm=0.20.12LL水j = rrL故:0.12g rfjr mVLL0.2m= 1000 1050= 0.9520.12 9.811050450 0.952 1.16 1.060.2= 1.568m / sFm = 0.8mF塔径:4V / p usD = 0.81.588 = 1.254

33、m / s4 700/(3600 3.141.254)= 0.444m(2). 压强降因两段填料层具有不同的f 值,故塔内流淌阻力应分两段计算. 上层: 25mm 25mm 2.5mm. 乱堆瓷环u2fjr g r VLm 0.2L(1.25)2 450 0.952 1.16= (1.06)2 = 0.07679.811050Wr(WL )( rV)0.5= 0.163VL由图(3 -18) 查得p = 32 9.81P/ m = 314P / mZaa则全塔压降p= 1373.4 5 + 314 5 = 8437 P总a3 在直径为 0.8m 的填料塔中,装填 25mx25m2.5m 的瓷拉

34、西环,用于常压及 20 下气体吸取操作。假设液、气性质分别与水和空气一样 ,按质量计的液、气流量比为 5。核算上升气量达 3000m3/h 时,是否会发生液泛现象?假设改用 25m25mx0.6m 的金属鲍尔环,上升气量提高到多少才会液泛?.解:查附录知. rV= 1.205kg / m3 , rL= 998.2kg / m3 , mL= 1.005mP Sa可查得两种填料的f 值为瓷拉西环25mm 25mm 2.5mmf = 450 1/ m金属鲍尔环: 25mm 25mm 0.6mmf = 160 1/ mWr1.205(WL )( rV)0.5= 5 ()0.5998.2= 0.174V

35、L由图(3 -18) 查得对应于此横坐标数值的纵坐标值(乱堆填料泛点线)u 2fjrFg rVLm 0.2L= 0.1即:Fm 2 45011.205 9.81 998.2m= 1.34m / s.F(1.005)0.2 = 0.0554mF2 = 0.1液泛的气体体积流量pV” =maxD2 m4 F= 0.785 0.82 1.34 3600 = 2424m3 / h上升气量3000m3 / h Vmax,故会发生液泛.改用鲍尔环,假设鲍尔环的液泛速度为m 因横坐标值不变,则纵坐标仍为0.1” ,填料因子为f ”Fm”(F )2 =f = 450mf”F160450m ”2 = 1.805F160= 5.08 mF” = 2.253m / s故改用鲍尔环后,发生液泛的上升气量为Vmax” = 0.785 0.82 2.253 3600 = 4075m3 / h