新版化工原理习题答案(08)第八章 - - 气体吸收[1]

第八章 气体吸收

1. 在温度为40 ℃、压力为101.3 kPa的条件下，测得溶液上方氨的平衡分压为15.0 kPa时，氨在水中的溶解度为76.6 g (NH3)/1 000 g(H2O)。试求在此温度和压力下的亨利系数E、相平衡常数m及溶解度系数H。

解：水溶液中氨的摩尔分数为

76.617?0.075 76.61000?1718 x?由 p*?Ex 亨利系数为 E?p*x?15.0kPa?200kPa .00.075 相平衡常数为

m?Ept?200.0101.3?1.974

由于氨水的浓度较低，溶液的密度可按纯水的密度计算。40 ℃时水的密度为 ??992.2kg/m3 溶解度系数为 H??EMS?992.2200.0?18kmol/(m3 ?kPa)?0.276kmol/(m?kPa)3

2. 在温度为25 ℃及总压为101.3 kPa的条件下，使含二氧化碳为3.0%（体积分数）的混合空气与含二氧化碳为350 g/m3的水溶液接触。试判断二氧化碳的传递方向，并计算以二氧化碳的分压表示的总传质推动力。已知操

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作条件下，亨利系数E?1.66?10kPa，水溶液的密度为997.8 kg/m。

解：水溶液中CO2的浓度为

c?350/100044kmol/m?0.008kmol/m

33对于稀水溶液，总浓度为 ct?997.83kmol/m?18cct0.00855.43 55kmol/m.433

水溶液中CO2的摩尔分数为

x???4?1.443?10

由 p*?Ex?1.66?105?1.443?10?4kPa?23.954kPa

气相中CO2的分压为

?0.03k?Pa p?pty?101.33.03p9* kPa <

故CO2必由液相传递到气相，进行解吸。 以CO2的分压表示的总传质推动力为

?p?p*?p?(23.954?3.039)kPa?20.915kPa

3. 在总压为110.5 kPa的条件下，采用填料塔用清水逆流吸收混于空气中的氨气。测得在塔的某一截面上，氨的

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3气、液相组成分别为y?0.032、气膜吸收系数kG=5.2×10 kmol/(m·s·kPa)，液膜吸收系数kL=1.55c?1.06koml/m。

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×10m/s。假设操作条件下平衡关系服从亨利定律，溶解度系数H＝0.725 kmol/(m·kPa)。 （1）试计算以?p、?c表示的总推动力和相应的总吸收系数；

（2）试分析该过程的控制因素。 解：(1) 以气相分压差表示的总推动力为 ?p?p?p*c?tpy?H1.06(?110.5?0.03?20.725)k?PakPa 2.074-4 3

其对应的总吸收系数为

1KG?1HkL?1kG?(310.725?1.55?1052?4?15.2?10?6)(m?s?kPa)/kmol

2?(8.899?10?1.923?10)(m?s?Pa)/kmol?2.012?10(m?s?Pa)/kmol

52KG?4.97?10?6kmol/(m·s·kPa)

2

以液相组成差表示的总推动力为

?c?c*?c?pH?c?(110.5?0.032?0.725?1.06)kmol/m3?1.504kmol/m3 其对应的总吸收系数为 K?L11kL?HkG?111.55?10?4?0.7255.2?10?6m/s?6.855?10?6m/s

（2）吸收过程的控制因素

气膜阻力占总阻力的百分数为

1/kG1/KG?KGkG?4.97?105.2?10?6?6?100%?95.58%

气膜阻力占总阻力的绝大部分，故该吸收过程为气膜控制。

4. 在某填料塔中用清水逆流吸收混于空气中的甲醇蒸汽。操作压力为105.0 kPa，操作温度为25 ℃。在操作条件下平衡关系符合亨利定律，甲醇在水中的溶解度系数为2.126

kmol/(m3·kPa)。测得塔内某截面处甲醇的气相分压为7.5 kPa，液相组成为2.85 kmol/m3，液膜吸收系数kL=2.12×10-5 m/s，气相总吸收系数KG＝1.206×10-5 kmol/(m2·s·kPa)。求该截面处（1）膜吸收系数kG、kx及ky；（2）总吸收系数KL、KX及KY；（3）吸收速率。

解：(1) 以纯水的密度代替稀甲醇水溶液的密度，25 ℃时水的密度为

3

.0kg/m ??997溶液的总浓度为

ct?997.018kmol/m?55.39kmol/m

2.?1211.206?10?533

55.3?9 kx?ctk＝L1kG?1KG?1HkL?(?510km?ol?/(m122s?)?1.17431?0 k mol/(m2s)?42.126?2.12?102?5)(m?s?kPa)/ kmol

?6.073?10(m?s?kPa)/ kmol

kG?1.647?10?5kmol(m2?s?kPa)

?52?32 ky?ptkG?105.0?1.647?10kmol/(m?s)?1.729?10kmol/(m?s)

2

（2）由KL? m?KGH?1.206?102.126??5m/s?5.673?10?6m/s

?Hp总MkykxS997.02.126?105.0?181?3?0.248

)(m?s)/kmol?7.896?10(m?s)/kmol

222 1?1?m?(Ky1.729?10?0.2481.174?10?3 Ky?1.266?10?3kmol(m2?s)

Kx?mKy?0.248?1.266?10kmol/(m?s)?3.140?10kmol/(m?s)

?32?42 因溶质组成很低，故有

KX?ctKL?55.39?5.673?10kmol/(m?s)?3.142?10kmol/(m?s)

?62?42 KY?ptKG?105.0?1.206?10kmol/(m?s)?1.266?10kmol/(m?s) （3）吸收速率为

NA?KL?c*?c??5.673?10?62?52??2.126?7.5?2.85?kmol/(m?s) ?1.310?10kmol/(m?s)

?52?325. 在101.3 kPa及25 ℃的条件下，用清水在填料塔中逆流吸收某混合气中的二氧化硫。已知混合气进塔和出塔的组成分别为y1=0.04、y2=0.002。假设操作条件下平衡关系服从亨利定律，亨利系数为4.13×10kPa，吸收剂用量为最小用量的1.45倍。

（1） 试计算吸收液的组成；

（2） 若操作压力提高到1013 kPa而其他条件不变，再求吸收液的组成。

解：（1）Y1?3

y11?y1??0.041?0.04?0.0417

Y2? m?y21?y2?0.00 21?0.0020.002Ept?4.1?3103101.3 ?40.7 7吸收剂为清水，所以 X2?0

?qn,L??q?n,V?Y1?Y20.0417?0.002???38.81 ??0.0417/40.77?0?minY1/m?X2 所以操作时的液气比为

?q?1.4?5?qqn,V?qn,L????n?,mVinn,L1.?453?8.81 56.27 吸收液的组成为 X1?qnqn,V?Y1,L1?Y??X2?0.0417?0.?002???256.27?0 47.0?5?410 （2） m???q ?n,L?q?n,V?????Ept???4.13?101013Y1?Y23?4.077

minY1/m??X2?0.0417?0.0020.04174.077?0?3.881

3

??qn,L??q ??1.45??q???q?n,V???q? X1???n,V??q??n,L?

??n,L???n?,VminY??21.?453?.881 5.627??Y?1X?2??0.041?75.62710.?0?02?0?3 5?7.05106. 在一直径为0.8 m的填料塔内，用清水吸收某工业废气中所含的二氧化硫气体。已知混合气的流量为45 kmol/h，二氧化硫的体积分数为0.032。操作条件下气液平衡关系为Y?34.5X，气相总体积吸收系数为0.056 2 kmol/(m3·s)。若吸收液中二氧化硫的摩尔比为饱和摩尔比的76%，要求回收率为98%。求水的用量（kg/h）及所需的填料层高度。

解：Y1?y11?y1?0.0321?0.032?0.0331

0.98?? Y2?Y1?1??A3?1?1??0.03? X1*?Y1m? 006620.00.0331?4?9.594?1 034.5 X1?0.76X1*?0.76?9.594?10?4?7.291?10?4 惰性气体的流量为

qn,V?45?(1?0.032)kmol/h?43.56kmol/h

水的用量为

qn,L?qn,V(Y1?Y2)X1?X23?43.56??0.0331?0.000662?7.291?10?4?043kmol/h?1.938?10kmol/h

qm,L?1.938?10?18kg/h?3.488?10kg/h

求填料层高度 HOG?qn,VKYa??43.56/36000.0562?0.785?0.82m?0.429m

?4 ?Y1?Y1?Y1*?0.0331?34.5?7.291?10?0.00795

?Y2?Y2?Y2*?0.000662?34.5?0?0.000662 ?Ym??Y1??Y2ln?Y1?Y2??0.00795?0.000662ln0.007950.000662?0.00293

NOG?Y1?Y2?Ym0.0331?0.0006620.00293?11.07

Z?NOGHOG?11.07?0.429m?4.749m

7. 某填料吸收塔内装有5 m高，比表面积为221 m2/m3的金属阶梯环填料，在该填料塔中，用清水逆流吸收某混合气体中的溶质组分。已知混合气的流量为50 kmol/h，溶质的含量为5％（体积分数％）；进塔清水流量为200 kmol/h，

?42其用量为最小用量的1.6倍；操作条件下的气液平衡关系为Y?2.75X；气相总吸收系数为3?10kmol/(m?s)；

填料的有效比表面积近似取为填料比表面积的90％。试计算（1）填料塔的吸收率；（2）填料塔的直径。

解：（1）惰性气体的流量为

qn,V?50?(1?0.05)kmol/h?47.5kmol/h

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