新版化工原理习题答案第八章 气体吸收

第八章 气体吸收

1. 在温度为40 ℃、压力为 kPa的条件下，测得溶液上方氨的平衡分压为 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 x??0.075 76.61000?1718由 p*?Ex 亨利系数为 E?p*15.0?kPa?200.0kPa x0.075E200.0??1.974 pt101.3 相平衡常数为

m?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/m

3

溶解度系数为 H??EMS?

3

2. 在温度为25 ℃及总压为 kPa的条件下，使含二氧化碳为%（体积分数）的混合空气与含二氧化碳为350 g/m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

53

992.2kmol/(m3?kPa)?0.276kmol/(m3?kPa)

200.0?18c?350/1000kmol/m3?0.008kmol/m3 44997.83

kmol/m3?55.43kmol/m 18对于稀水溶液，总浓度为 ct?水溶液中CO2的摩尔分数为

c0.008x???1.443?10?4

ct55.435?4 由 p*?Ex?1.66?10?1.443?10kPa?23.954kPa

气相中CO2的分压为

p?pty?101.3?0.03kPa?3.039kPa < p*

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

-6

2

3-4

m/s。假设操作条件下平衡关系服从亨利定律，溶解度系数H＝ 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*?pty? 其对应的总吸收系数为

3

c1.06?(110.5?0.032?)kPa?2.074kPa H0.72511111???(?)(m2?s?kPa)/kmol ?4?6KGHkLkG0.725?1.55?105.2?10?(8.899?103?1.923?105)(m2?s?Pa)/kmol?2.012?105(m2?s?Pa)/kmol

KG?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/m?1.504kmol/m 其对应的总吸收系数为 K?L3311H?kLkG?110.725?1.55?10?45.2?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/kGKG4.97?10?6???100%?95.58% 1/KGkG5.2?10?6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 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

kmol/(m·kPa)。测得塔内某截面处甲醇的气相分压为 kPa，液相组成为 kmol/m，液膜吸收系数kL=×10m/s，气相总吸收系数KG＝×10kmol/(m·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

??997.0kg/m

溶液的总浓度为

-5

2

3

3

-5

997.0kmol/m3?55.39kmol/m3 18?52?32 kx?ctkL＝55.39?2.12?10kmol/(m?s)?1.174?10kmol/(m?s)

ct?11111???(?)(m2?s?kPa)/ kmol ?5?5kGKGHkL1.206?102.126?2.12?10?6.073?104(m2?s?kPa)/ kmol

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

ky?ptkG?105.0?1.647?10?5kmol/(m2?s)?1.729?10?3kmol/(m2?s)

KG1.206?10?5 （2）由KL??m/s?5.673?10?6m/s

H2.126 m??Hp总MS?997.0?0.248

2.126?105.0?1810.248 1?1?m?(?)(m2?s)/kmol?7.896?102(m2?s)/kmol ?3?3Kykykx1.729?101.174?10 Ky?1.266?10?3kmol(m2?s)

Kx?mKy?0.248?1.266?10?3kmol/(m2?s)?3.140?10?4kmol/(m2?s)

因溶质组成很低，故有

KX?ctKL?55.39?5.673?10?6kmol/(m2?s)?3.142?10?4kmol/(m2?s)

KY?ptKG?105.0?1.206?10?5kmol/(m2?s)?1.266?10?3kmol/(m2?s) （3）吸收速率为

?52NA?KL?c*?c??5.673?10?6??2.126?7.5?2.85?kmol/(m2?s) ?1.310?10kmol/(m?s)

5. 在 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=、y2=。假设操作条件下平衡关系服从亨利定律，亨利系数为×10kPa，吸收剂用量为最小用量的倍。

（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）Y13

?y10.04??0.0417 1?y11?0.04 Y2?y20.002??0.002 1?y21?0.002E4.13?103 m???40.77

pt101.3吸收剂为清水，所以 X2?0

?qn,L??q?n,Vqn,Lqn,V?Y1?Y20.0417?0.002???38.81 ???minY1/m?X20.0417/40.77?0?qn,L?1.45??q?n,V? ???1.45?38.81?56.27?min 所以操作时的液气比为

吸收液的组成为 X1?qn,Vqn,L?Y?Y??X122?1??0.0417?0.002??0?7.054?10?4 56.27E4.13?103 （2） m????4.077

pt?1013??Y1?Y20.0417?0.002???3.881 ??0.0417??minY1/m?X2?04.077???qn,L??qn,L? ?

?q???1.45??q???1.45?3.881?5.627?n,V??n,V?min?q ?n,L?q?n,V??qn,V?1?3 X1??? Y?Y?X??0.0417?0.002?0?7.055?10?????122?q?5.627?n,L?

6. 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。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 2 kmol/(m·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?3

y10.032??0.0331 1?y11?0.032 Y2?Y1?1??A??0.0331??1?0.98??0.000662

Y10.0331??9.594?10?4 m34.5 X1?0.76X1*?0.76?9.594?10?4?7.291?10?4

X1*? 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?X2?43.56??0.0331?0.000662?kmol/h?1.938?103kmol/h ?47.291?10?0qm,L?1.938?103?18kg/h?3.488?104kg/h

求填料层高度 HOG?qn,VKYa??43.56/3600m?0.429m 20.0562?0.785?0.8?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??Y20.00795?0.000662??0.00293 ?Y10.00795lnln0.000662?Y2Y1?Y20.0331?0.000662??11.07 ?Ym0.002932

3

NOG? 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 m/m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，其用量为最小用量的倍；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

?42qn,V?50?(1?0.05)kmol/h?47.5kmol/h

对于纯溶剂吸收

?qn,L??q?n,V?Y1?Y2??m?A ??Y/m?X12?min