天津大学化工原理第二版下答案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 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/m3 溶解度系数为 H??EMS

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

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

200.0?18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

5作条件下，亨利系数E?1.66?10kPa，水溶液的密度为997.8 kg/m3。

解：水溶液中CO2的浓度为

c?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

ct55.43 由 p*?Ex?1.66?105?1.443?10?4kPa?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

1

c?1.06koml/m。气、液相组成分别为y?0.032、气膜吸收系数kG=5.2×10-6 kmol/(m2·s·kPa)，液膜吸收系数kL=1.55

3×10-4 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＝0.725 kmol/(m3·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

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

2

KG?4.97?10?6kmol/(m·s·kPa)

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% ?61/KGkG5.2?10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

??997.0kg/m3

溶液的总浓度为

997.0kmol/m3?55.39kmol/m3 182 kx?ctk＝55.3?92.?12?510km?ol?/(mLct?s?)?3 mol/(m1.1741?20 ks)111112???(?)(m?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)

2

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

H2.126?997.0 m???0.248

Hp总MS2.126?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4.13×103 kPa，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?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

?pt1013??qn,L?Y1?Y20.0417?0.002 ????3.881 ??q?0.0417?n,V?minY1/m??X2?04.077 3

??qn,L??q ?5?q???1.4???n,V??q??qn,V? X1????q???Y1??n,L?

??n,L453.?881 5.627???1.?n?,VminY??X?221??0.041?75.6270.?0?02??3 5100?7.056. 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?y10.032??0.0331 1?y11?0.032 Y2?Y1?1??A??0.0331??1?0.98??0.000662 X1*?Y10.0331??9.594?10?4 m34.5 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?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

0.0562?0.785?0.82 ?Y1?Y1?Y1*?0.0331?34.5?7.291?10?4?0.00795 ?Y2?Y2?Y2*?0.000662?34.5?0?0.000662

1...........098765432100.

y 0000000000a5de

.b11cxW00.10.20.30.xF04.50.60.70.80.9xX D1 NOG?Y1?Y20.0331?0.000662??11.07 ?Ym0.00293 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

对于纯溶剂吸收

4

0

?qn,L??q?n,V?qn,L??q?n,V?Y1?Y2??m?A ???minY1/m?X2?200??2.632 ??47.5?1.6?min依题意

(qn,L/qn,V)min2.632??95.71%

m2.75y10.05（2）Y1???0.0526

1?y11?0.05?A? Y2?Y1?1??A??0.0526??1?0.9571??0.00226 X1?qn,Vqn,L?Y1?Y2??X2?47.5??0.0526?0.00226??0?0.0120

200 ?Y1?Y1?Y1*?0.0526?2.75?0.0120?0.0196 ?Y2?Y2?Y2*?0.00226?2.75?0?0.00226 ?Y??Y1??Y2?0.0196?0.00226?0.0080 3m?Y0.0196lnln10.00226?Y2 NOG? HOG?Y1?Y20.0526?0.00226??6.269 ?Ym0.00803Z5?m?0.798m NOG6.269由 HOG? Ω?qn,VKYa?qn,V

KYaHOG4Ω?π?47.5/3600m2?0.277m2 ?43?10?221?0.9?0.798填料塔的直径为

D?4?0.277 m?0.594m 3.148. 在101.3 kPa及20 ℃的条件下，用清水在填料塔内逆流吸收混于空气中的氨气。已知混合气的质量流速G为600 kg/(m2·h)，气相进、出塔的摩尔分数分别为0.05、0.000526，水的质量流速W为800 kg/(m2·h)，填料层高度为3 m。已知操作条件下平衡关系为Y= 0.9 X，KGa正比于G 0.8而于W无关。若（1）操作压力提高一倍；（2）气体流速增加一倍；(3) 液体流速增加一倍，试分别计算填料层高度应如何变化，才能保持尾气组成不变。

解：首先计算操作条件变化前的传质单元高度和传质单元数 Y1?y10.05??0.0526 1?y11?0.05 5

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