化工原理(第四版)習(xí)題解第五章吸收

1、第五章 吸收相組成的換算【5-1】 空氣和CO2的混合氣體中，CO2的體積分?jǐn)?shù)為20%，求其摩爾分?jǐn)?shù)y和摩爾比Y各為多少？解 因摩爾分?jǐn)?shù)=體積分?jǐn)?shù)，摩爾分?jǐn)?shù)摩爾比 【5-2】 20的l00g水中溶解lgNH3, NH3在溶液中的組成用摩爾分?jǐn)?shù)x、濃度c及摩爾比X表示時(shí)，各為多少？解 摩爾分?jǐn)?shù)濃度c的計(jì)算20，溶液的密度用水的密度代替。溶液中NH3的量為 溶液的體積 溶液中NH3的濃度或 NH3與水的摩爾比的計(jì)算或 【5-3】進(jìn)入吸收器的混合氣體中，NH3的體積分?jǐn)?shù)為10%，吸收率為90%，求離開吸收器時(shí)NH3的組成，以摩爾比Y和摩爾分?jǐn)?shù)y表示。吸收率的定義為解 原料氣中NH3的摩爾分?jǐn)?shù)摩爾比

2、吸收器出口混合氣中NH3的摩爾比為摩爾分?jǐn)?shù) 氣液相平衡【5-4】 l00g水中溶解，查得20時(shí)溶液上方的平衡分壓為798Pa。此稀溶液的氣液相平衡關(guān)系服從亨利定律，試求亨利系數(shù)E(單位為)、溶解度系數(shù)H單位為和相平衡常數(shù)m?？倝簽?。解 液相中的摩爾分?jǐn)?shù)氣相中的平衡分壓 亨利系數(shù) 液相中的濃度 溶解度系數(shù) 液相中的摩爾分?jǐn)?shù) 氣相的平衡摩爾分?jǐn)?shù) 相平衡常數(shù) 或 【5-5】空氣中氧的體積分?jǐn)?shù)為21%，試求總壓為，溫度為10時(shí)，水中最大可能溶解多少克氧？已知10時(shí)氧在水中的溶解度表達(dá)式為，式中為氧在氣相中的平衡分壓，單位為為溶液中氧的摩爾分?jǐn)?shù)。解 總壓空氣中的壓力分?jǐn)?shù) 空氣中的分壓 亨利系數(shù) (1)

3、利用亨利定律計(jì)算與氣相分壓相平衡的液相組成為溶液此為水溶液中最大可能溶解因?yàn)槿芤汉芟?，其中溶質(zhì)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為(2) 利用亨利定律計(jì)算水中最大可能溶解的氧量為 溶液【5-6】含NH3體積分?jǐn)?shù)1.5%的空氣-NH3混合氣，在20下用水吸收其中的NH3總壓為203kPa。NH3在水中的溶解度服從亨利定律。在操作溫度下的亨利系數(shù)。試求氨水溶液的最大濃度，溶液。解 氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)總壓，氣相中的分壓(1) 利用亨利定律計(jì)算與氣相分壓相平衡的液相中NH3的摩爾分?jǐn)?shù)為水溶液的總濃度 水溶液中的最大濃度 溶液(2) 利用

4、亨利定律計(jì)算溶液【5-7】溫度為20，總壓為時(shí)，CO2水溶液的相平衡常數(shù)為m=1660。若總壓為時(shí)，相平衡常數(shù)m為多少？溫度為20時(shí)的亨利系數(shù)E為多少?解 相平衡常數(shù)m與總壓p成反比， 時(shí)亨利系數(shù) 【5-8】用清水吸收混合氣中的NH3，進(jìn)入吸收塔的混合氣中，含NH3體積分?jǐn)?shù)為6%，吸收后混合氣中含NH3的體積分?jǐn)?shù)為0.4%，出口溶液的摩爾比為水。此物系的平衡關(guān)系為。氣液逆流流動(dòng)，試求塔頂、塔底的氣相傳質(zhì)推動(dòng)力各為多少？解 已知，則已知，則已知，則已知，則塔頂氣相推動(dòng)力 塔底氣相推動(dòng)力 【5-9】CO2分壓力為50kPa的混合氣體，分別與CO2濃度為的水溶液和CO2濃度為的水溶液接觸。物系溫度均

5、為25，氣液相平衡關(guān)系。試求上述兩種情況下兩相的推動(dòng)力（分別以氣相分壓力差和液相濃度差表示），并說明CO2在兩種情況下屬于吸收還是解吸。解 溫度，水的密度為混合氣中CO2的分壓為水溶液的總濃度水溶液(1) 以氣相分壓差表示的吸收推動(dòng)力液相中CO2的濃度水溶液液相中CO2的摩爾分?jǐn)?shù)與液相平衡的氣相平衡分壓為氣相分壓差表示的推動(dòng)力 （吸收） 液相中CO2的濃度水溶液液相中CO2的摩爾分?jǐn)?shù)與液相平衡的氣相平衡分壓為氣相分壓差表示的推動(dòng)力 （解吸）(2) 以液相濃度差表示的吸收推動(dòng)力與氣相平衡的液相組成為平衡的液相濃度 液相中CO2的濃度水溶液液相濃度差表示的推動(dòng)力為 （吸收）液相中CO2的濃度水溶液

6、液相濃度差表示的推動(dòng)力為 （解吸）習(xí)題5-10附圖吸收過程的速率【5-10】如習(xí)題5-10附圖所示，在一細(xì)金屬管中的水保持25，在管的上口有大量干空氣(溫度25，總壓101.325kPa)流過，管中的水汽化后在管中的空氣中擴(kuò)散，擴(kuò)散距離為l00mm。試計(jì)算在穩(wěn)定狀態(tài)下的汽化速率，。解 25時(shí)水的飽和蒸氣壓為從教材表5-2中查得，25，條件下，H2O在空氣中的分子擴(kuò)散系數(shù)。擴(kuò)散距離，總壓水表面處的水汽分壓 空氣分壓 管上口處有大量干空氣流過，水汽分壓空氣分壓空氣分壓的對(duì)數(shù)平均值為水的汽化速率 【5-11】 用教材圖5-10（例5-4附圖）所示的裝置，在溫度為48、總壓力為條件下，測(cè)定CCl4蒸氣

7、在空氣中的分子擴(kuò)散系數(shù)。48時(shí)，CCl4的飽和蒸氣壓為37.6kPa，液體密度為。垂直管中液面到上端管口的距離，實(shí)驗(yàn)開始為2cm，終了為3cm，CCl4的蒸發(fā)時(shí)間為。試求48時(shí)，CCl4蒸氣在空氣中的分子擴(kuò)散系數(shù)。解 計(jì)算48時(shí)CCl4蒸氣在空氣中的分子擴(kuò)散系數(shù)，計(jì)算式為已知CCl4液體密度48時(shí)CCl4的飽和蒸氣壓總壓開始，終了CCl4的蒸發(fā)時(shí)間CCl4的摩爾質(zhì)量摩爾氣體常數(shù)已知數(shù)據(jù)代入計(jì)算式，得擴(kuò)散系數(shù)【5-12】用清水在吸收塔中吸收混合氣中的溶質(zhì)A，吸收塔某截面上，氣相主體中溶質(zhì)A的分壓為5kPa，液相中溶質(zhì)A的摩爾分?jǐn)?shù)為0.015。氣膜傳質(zhì)系數(shù)，液膜傳質(zhì)系數(shù)。氣液平衡關(guān)系可用亨利定律表

8、示，相平衡常數(shù)?？倝簽椤Ｔ嚽螅?1)氣相總傳質(zhì)系數(shù)，并分析吸收過程是氣膜控制還是液膜控制；(2)試求吸收塔該截面上溶質(zhì)A的傳質(zhì)速率。解 (1)氣相總傳質(zhì)系數(shù) 氣膜阻力，液膜阻為。氣膜阻力與總阻力的比值為，為氣膜控制。(2)傳質(zhì)速率【5-13】根據(jù)及，試將傳質(zhì)速率方程變換成的形式。有何關(guān)系。解 式中 式中 吸收塔的計(jì)算【5-14】從礦石焙燒爐送出的氣體含體積分?jǐn)?shù)為9%的，其余視為惰性氣體。冷卻后送入吸收塔，用水吸收其中所含的95%。吸收塔的操作溫度為30，壓力為，每小時(shí)處理的爐氣量為時(shí)的體積流量），所用液-氣比為最小值的1.2倍。求每小時(shí)的用水量和出塔時(shí)水溶液組成。平衡關(guān)系數(shù)據(jù)為液相中溶解度7.

9、5 5.0 2.5 1.5 1.0 0.5 0.2 0.1氣相中平衡分壓91.7 60.3 28.8 16.7 10.5 4.8 1.57 0.63解 最小液一-比的計(jì)算吸收劑為水，總壓原料氣中分壓從平衡數(shù)據(jù)內(nèi)插，得液相平衡溶解度換算為摩爾比 最小液-氣比 用水量計(jì)算已知爐氣流量 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下理想氣體的摩爾體積為爐氣的摩爾流量為惰性氣體流量 吸收用水量 出塔水溶液的組成【5-15】在一吸收塔中，用清水在總壓、溫度20條件下吸收混合氣體中的CO2，將其組成從2%降至0.1%（摩爾分?jǐn)?shù)）。20時(shí)CO2水溶液的亨利系數(shù)。吸收劑用量為最小用量的1.2倍。試求：(1)液-氣比L/G及溶液出口組成。(2)試

10、求總壓改為時(shí)的L/G及。解 (1)總壓(2) 總壓時(shí)的從上述計(jì)算結(jié)果可知，總壓從0.1MPa增大到1MPa，溶液出口組成從增加到?！?-16】用煤油從苯蒸氣與空氣的混合物中回收苯，要求回收99%。入塔的混合氣中含苯2%（摩爾分?jǐn)?shù)）；入塔的煤油中含苯0.02%（摩爾分?jǐn)?shù)）。溶劑用量為最小用量的1.5倍，操作溫度為50，壓力為100kPa，相平衡關(guān)系為，氣相總傳質(zhì)系數(shù)。入塔混合氣單位塔截面上的摩爾流量為。試求填料塔的填料層高度，氣相總傳質(zhì)單元數(shù)用對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法及吸收因數(shù)法的計(jì)算式計(jì)算。解 (1)氣相總傳質(zhì)單元高度計(jì)算入塔混合氣的流量 惰性氣體流量 (2) 氣相總傳質(zhì)單元數(shù)計(jì)算，回收率吸收因數(shù)法計(jì)

11、算 對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法計(jì)算 (3)填料層高度Z計(jì)算【5-17】混合氣含CO2體積分?jǐn)?shù)為10%，其余為空氣。在30、2MPa下用水吸收，使CO2的體積分?jǐn)?shù)降到0.5%，水溶液出口組成（摩爾比）?；旌蠚怏w處理量為（按標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，），塔徑為1.5m。亨利系數(shù)，液相體積總傳質(zhì)系數(shù)。試求每小時(shí)用水量及填料塔的填料層高度。解 (1)用水量計(jì)算，混合氣流量 惰性氣體流量 用水量 (2) 填料層高度Z計(jì)算水溶液的總濃度 體積傳質(zhì)系數(shù) 液相總傳質(zhì)單元高度 對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法計(jì)算氣液相平衡常數(shù) 液相總傳質(zhì)單元數(shù)吸收因數(shù)法計(jì)算 填料層高度 【5-18】氣體混合物中溶質(zhì)的組成（摩爾比），要在吸收塔中用吸收劑回收。氣液相平衡

12、關(guān)系為。(1)試求下列3種情況下的液相出口組成與氣相總傳質(zhì)單元數(shù) (利用教材中圖5-23)，并迸行比較，用推動(dòng)力分析的改變。3種情況的溶質(zhì)回收率均為99%。入塔液體為純吸收劑，液-氣比；入塔液體為純吸收劑，液-氣比；入塔液體中含溶質(zhì)的組成（摩爾比），液-氣比。(2)入塔液體為純吸收劑，最小液-氣比，溶質(zhì)的回收率最大可達(dá)多少？解 (1)求回收率，相平衡常數(shù)m=1 查圖5-23，得 查圖5-23，得 查圖5-23，得 計(jì)算結(jié)果比較：與比較，相同，減小時(shí)，操作線斜率減小，向平衡線靠近，推動(dòng)力減小。為達(dá)到一定的溶質(zhì)回收率要求（即達(dá)到一定的要求），需要增大，同時(shí)也增大了。與比較，相同，使增大，即操作線斜

13、率相同，操作線向平衡線平行靠近，使推動(dòng)力減小，增大，同時(shí)也增大了。(2) 當(dāng)液體出口組成與氣體進(jìn)口組成達(dá)平衡時(shí)，溶質(zhì)的回收率為最大，即由物料衡算得 回收率 溶質(zhì)的回收率最大可達(dá)80%?！?-19】某廠有一填料塔，直徑880mm，填料層高6m，所用填料為50mm瓷拉西環(huán)，亂堆。每小時(shí)處理混合氣（體積按計(jì)），其中含丙酮摩爾分?jǐn)?shù)為5%。用清水作吸收劑。塔頂送出的廢氣含丙酮摩爾分?jǐn)?shù)為0.263%。塔底送出來的溶液，lkg含丙酮61.2g。根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算氣相體積總傳質(zhì)系數(shù)。操作條件下的平衡關(guān)系為。上述情況下，每小時(shí)可回收多少千克丙酮？若把填料層加高3m，可以多回收多少丙酮？解 (1)計(jì)算體積總傳質(zhì)

14、系數(shù)先從已知數(shù)據(jù)求相平衡常數(shù) 塔底排出的水溶液，每l000g含丙酮61.2g丙酮的摩爾質(zhì)量為傳質(zhì)單元數(shù) 也可用吸收因數(shù)法計(jì)算從教材圖5-23查得或用計(jì)算式求出 =8.03已知填料層高度，計(jì)算再?gòu)氖?計(jì)算惰性氣體流量理想氣體在時(shí)的摩爾體積為在下的摩爾體積為塔截面積 體積總傳質(zhì)系數(shù)(2)每小時(shí)丙酮回收量為(3)填料層加高則 從教材圖5-23查得 填料層時(shí)，丙酮的回收量為多回收丙酮 也可以如下計(jì)算【5-20】有一填料吸收塔，用清水吸收混合氣中的溶質(zhì)A，以逆流方式操作。進(jìn)入塔底混合氣中溶質(zhì)A的摩爾分?jǐn)?shù)為1%，溶質(zhì)A的吸收率為90%。此時(shí)，水的流量為最小流量的1.5倍。平衡線的斜率m=l。試求：(1)氣

15、相總傳質(zhì)單元數(shù)；(2)若想使混合氣中溶質(zhì)A的吸收率為95%，仍用原塔操作，且假設(shè)不存在液泛，氣相總傳質(zhì)單元高度不受液體流量變化的影響。此時(shí)，可調(diào)節(jié)什么變量，簡(jiǎn)便而有效地完成任務(wù)？試計(jì)算該變量改變的百分?jǐn)?shù)。解 已知(1)計(jì)算氣相總傳質(zhì)單元數(shù)(2)要想使吸收率從90%提高到95%，可增大吸收劑用量填料層高度 對(duì)于已有的填料塔，其填料層高度已定，吸收劑用量改變不會(huì)改變。因此，不會(huì)改變，仍為。新工況下， 用與，從圖523查得【5-21】某填料吸收塔的填料層高度已定，用清水吸收煙道氣中的CO2 ，CO2的組成為 0.1（摩爾比），余下氣體為惰性氣體，液一氣比為180，吸收率為95%。操作溫度為30， 總

16、壓為2MPa。CO2水溶液的亨利系數(shù)由教材中表5-1查取。試計(jì)算下列3種情況的溶質(zhì)吸收率、吸收液（塔底排出液體）組成、塔內(nèi)平均傳質(zhì)推動(dòng)力，并與原有情況進(jìn)行比較：(1)吸收劑由清水改為組成為0.0001（摩爾比）的CO2水溶液；(2)吸收劑仍為清水，操作溫度從30改為20；(3)吸收劑為清水，溫度為30。由于吸收劑用量的增加，使液-氣比從180增加到200。解 總壓(1) 新工況的計(jì)算此時(shí)，不會(huì)改變，因填料層高度Z為一定值，所以不變。原工況 新工況 因，故 查得30時(shí)CO2水溶液的將上述數(shù)據(jù)代入式(a) 解得新工況的吸收率吸收液組成計(jì)算 已知原工況 新工況 平均傳質(zhì)推動(dòng)力的計(jì)算方法按原工況計(jì)算

17、原工況 因 新工況 方法原工況 新工況 從上述計(jì)算結(jié)果可以看出：當(dāng)吸收劑組成 由增加到時(shí)，傳質(zhì)推動(dòng)力 由降為溶質(zhì)吸收率 由降為吸收液組成 由增至對(duì)現(xiàn)有吸收塔，吸收劑入塔組成增大，使傳質(zhì)推動(dòng)力降低，而導(dǎo)致溶質(zhì)吸收率下降。如果不需要計(jì)算平均傳質(zhì)推動(dòng)力的數(shù)值，而只需對(duì)比，則可如下計(jì)算。 (2) ，操作溫度從30改為20查得20時(shí)CO2水溶液的 新工況的計(jì)算 原工況 （前面已計(jì)算）新工況 因 新工況的吸收率 吸收液組成計(jì)算原工況 (前面已計(jì)算)新工況 平均傳質(zhì)推動(dòng)力計(jì)算原工況 （前面已計(jì)算）因 新工況 從上述計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)現(xiàn)有吸收塔，當(dāng)操作溫度降低，平衡線斜率減?。磎減?。瑐髻|(zhì)推動(dòng)力增大，導(dǎo)致溶

18、質(zhì)的吸收率增大。(3) ，溫度30，m=94原工況 新工況 新工況的計(jì)算原工況 （前面已計(jì)算）新工況 因 解得 新工況的吸收率 吸收液組成計(jì)算原工況 新工況 平均傳質(zhì)推動(dòng)力計(jì)算 原工況 新工況 從上述計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)現(xiàn)有吸收塔，當(dāng)吸收劑用量增加，操作線斜率增大，傳質(zhì)推動(dòng)力增大，導(dǎo)致溶質(zhì)的吸收率增大。【5-22】有一逆流操作的吸收塔，其塔徑及填料層高度各為一定值，用清水吸收某混合氣體中的溶質(zhì)。若混合氣體流量G，吸收劑清水流量L及操作溫度與壓力分別保持不變，而使進(jìn)口混合氣體中的溶質(zhì)組成Y1增大。試問氣相總傳質(zhì)單元數(shù)NOG、混合氣出口組成Y2、吸收液組成X1及溶質(zhì)的吸收率將如何變化？并畫出操作示意圖

19、。解 填料層高度Z已定，且氣象總傳質(zhì)單元高度不變，故不變。物系一定，操作溫度及壓力不變，故氣液相平衡常數(shù)m一定，且G及L不變，故L/Gm一定。因NOG與L/Gm各為一定值，從教材中NOG的計(jì)算式（5-76）或圖5-23可知為一定值。且吸收劑為清水，故X2=0，則為一定值。即隨著Y1的增大，Y2按一定比例增大。如習(xí)題5-22附圖所示，氣相進(jìn)口組成由Y1增大到，則氣相出口組成由Y2增大到.操作線斜率L/G不變，因Y1增大到，附圖中的操作線由TB線平行上移為TB線。TB線與水平的等Y線交墊橫坐標(biāo)為新條件下的液相出口組成。即吸收液組成由X1增大到。由第問的分析結(jié)果可知=一定值，故吸收率不變。習(xí)題5-2

20、3附圖 習(xí)題5-22附圖解吸塔計(jì)算【5-23】由某種碳?xì)浠衔?摩爾質(zhì)量為)與另一種不揮發(fā)性有機(jī)化合物（摩爾質(zhì)量為）組成的溶液，其中碳?xì)浠衔镎?%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。要在100、101. 325kPa（絕對(duì)壓力）下，用過熱水蒸氣進(jìn)行解吸，使溶液中碳?xì)浠衔餁埩?.2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）以內(nèi)，水蒸氣用量為最小用量的2倍。氣液相平衡常數(shù)m=0.526，填料塔的液相總傳質(zhì)單元高度。試求解吸塔的填料層高度。解 傳質(zhì)系數(shù)計(jì)算和吸收劑部分循環(huán)【5-24】 現(xiàn)一逆流吸收填料塔，填料層高度為8m，用流量為100kmol/（·h）的清水吸收空氣混合氣體中某溶質(zhì)，混合氣體流量為600Nm3/（·h），入

21、塔氣體中含溶質(zhì)0.05（摩爾分?jǐn)?shù)，下同），實(shí)驗(yàn)測(cè)得出塔氣體中溶質(zhì)的吸收率為95。已知操作條件下的氣液相平衡關(guān)系為Y=2.8X。設(shè)吸收過程為氣膜控制。（1） 計(jì)算該填料的氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)；（2） 吸收過程中，將吸收后吸收液的50送入解吸塔解吸后循環(huán)使用，解吸后的液體含氨0.004，若維持進(jìn)吸收塔總液體量不變，計(jì)算純水和解吸后液體混合后從塔頂加入情況下，出塔氣體中溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)。解（1） 吸收率為95時(shí)，y2=0.05（10.95）0.0025，混合氣體流量G60022.4=26.8 kmol/（·h）液氣比吸收因數(shù)氣相總傳質(zhì)單元數(shù)NOG氣相總傳質(zhì)單元高度HOG氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)（3） 純水和解吸后液體混合后的組成X2X2=0.002出塔氣體中溶質(zhì)摩爾分?jǐn)?shù)多股進(jìn)料進(jìn)料位置和方式不同對(duì)填料層高度的影響【5-25】在101.3kPa、25的條件下，采用塔截面積為1.54的填料塔,用純?nèi)軇┠媪魑諆晒蓺怏w混合物的溶質(zhì)，一股氣體中惰性氣體流量為5