化工原理-气体吸收作业(含答案)..

气体吸收

1.向盛有一定量水的鼓泡吸收器中通入纯的CO2气体，经充分接触后，测得水中的CO2平衡浓度为2.875×10kmol/m，鼓泡器内总压为101.3kPa，水温30℃，溶液密度为1000 kg/m。试求亨利系数E、溶解度系数H及相平衡常数m。 解：

查得u30℃，水的ps?4.2kPa p稀溶液：c?*A－2

3

3

?p?ps?101.3?4.2?97.1kPa

1000?55.56kmol/m3 18?MS?cA2.875?10?2??5.17?10?4 x?c55.56p*97.15?1.876?10kPa E?A?x5.17?10?4 H?cAp*A2.875?10?2??2.96?10?4kmol/(kPa?m3)

97.1E1.876?105?1854 m??p101.32．在总压101.3kPa，温度30℃的条件下, SO2摩尔分率为0.3的混合气体与SO2摩尔分率为0.01的水

溶液相接触，试问：

（1） 从液相分析SO2的传质方向；

（2） 从气相分析，其他条件不变，温度降到0℃时SO2的传质方向；

（3） 其他条件不变，从气相分析，总压提高到202.6kPa时SO2的传质方向，并计算以液相摩尔分率差及气相摩尔率差表示的传质推动力。

解：(1)查得在总压101.3kPa，温度30℃条件下SO2在水中的亨利系数E=4850kPa 所以 m? 从液相分析

E4850? 47.88 ?p101.3x*?y0.3??0.00627< x=0.01 m47.88故SO2必然从液相转移到气相，进行解吸过程。

（2）查得在总压101.3kPa，温度0℃的条件下，SO2在水中的亨利系数E=1670kPa

m?从气相分析

E1670? =16.49 p101.3

y*=mx=16.49×0.01=0.16

故SO2必然从气相转移到液相，进行吸收过程。

（3）在总压202.6kPa，温度30℃条件下，SO2在水中的亨利系数E=4850kPa

m?从气相分析

E4850? =23.94 p202.6y*=mx=23.94×0.01=0.24

故SO2必然从气相转移到液相，进行吸收过程。

x*?y0.3??0.0125 m23.94以液相摩尔分数表示的吸收推动力为:

?x=x*－x=0.0125－0.01=0.0025

以气相摩尔分数表示的吸收推动力为:

?y= y － y*=0.3－0.24=0.06

3．在总压为100kPa、温度为30℃时，用清水吸收混合气体中的氨，气相传质系数kG=3.84×10-6 kmol/（m2·s·kPa），液相传质系数kL=1.83×10-4 m/s，假设此操作条件下的平衡关系服从亨利定律，测得液相溶质摩尔分率为0.05，其气相平衡分压为6.7kPa。求当塔内某截面上气、液组成分别为y=0.05，x=0.01时

*（1） 以（pA?pA）、（cA?cA）表示的传质总推动力及相应的传质速率、总传质系数；

*（2） 分析该过程的控制因素。

p*6.7?134kPa 解：（1）根据亨利定律E?A?x0.05相平衡常数m?E134??1.34 p100溶解度常数H??sEMs?1000?0.4146

134?18*以气相分压差（pA?pA）表示总推动力时：

*=100×0.05-134×0.01=3.66kPa pA?pA11111=????13180?260417?273597

KGHkLkG0.4146?1.83?10?43.86?10?6KG?3.66?10?6 kmol/（m·s·kPa）

-6-52*NA?KG(pA?pA)=3.66×10×3.66=1.34×10 kmol/（m·s）

*以（cA?cA）表示的传质总推动力时：

2

cA?0.013

?0.56 kmol/m

0.99?18/10003

*cA?cA=0.4146×100×0.05－0.56=1.513 kmol/m

KG3.66?10?6KL???8.8?10?6m/s

H0.4146*NA?KL(cA?cA)=8.8×10-6×1.513=1.3314×10-5 kmol/（m2·s）

*（2）与（pA?pA）表示的传质总推动力相应的传质阻力为273597（m2·s·kPa）/ kmol；

其中气相阻力为

1?13180m2·s·kPa/ kmol； kG液相阻力

1?260417m2·s·kPa/ kmol； HkL气相阻力占总阻力的百分数为

260417?100%?95.2%。

273597故该传质过程为气膜控制过程。

4 ．若吸收系统服从亨利定律或平衡关系在计算范围为直线，界面上气液两相平衡，推导出KL与kL、kG的关系。

解：因吸收系统服从亨利定律或平衡关系在计算范围为直线 c＊A?HpA 界面上气液两相平衡 cAi?HpAi的关系式 由 NA?KL(cA?cA)得

*1*NA?(cA?cA) （1）

KL由NA?kG(pA?pAi)得

NAcAic*A?kG(?)

HHHNA?(c*A?cAi) （2） kG由NA?kL(cAi?cA)得

1NA?(cAi?cA) （3） kL（2）式＋（3）式，并与（1）式比较得

11H ??KLkLkG5．在逆流吸收的填料吸收塔中，用清水吸收空气～氨混合气中的氨，气相流率为 0.65kg/(m·S)。操作液气比为最小液气比的1.6倍，平衡关系为 y*?0.92x，气相总传质系数Kya为0.043kmol/(m·S)。

3

2

试求：

(1)吸收率由95％提高到99％，填料层高度的变化。 （2）吸收率由95％提高到99％，吸收剂用量之比为多少？ 解：（1）吸收率为95％时：

V＝0.65／29＝0.0224 kmol/(m2·S)

HOG?V0.0224??0.521m Kya0.043Y1?Y2Y1?Y2?L????m??0.92?0.95?0.874 ??*Y2/m?V?minX1?X2L?L??1.6???1.6?0.874?1.398 V?V?minL＝0.0224×1.398＝0.0313 kmol/(m2·S)

S?mV0.92??0.658 L1.398NOG???Y?mX21ln?(1?S)1?S? 1?S?Y2?mX2?NOG?11??ln?(1?0.658)?0.658??5.89

1?0.658?1?0.95?Z?NOG?HOG?5.89?0.521?3.1m

吸收率为99％时：

H'OG?HOG?'V0.0224??0.521m Kya0.043Y1?Y'2Y1?Y2?L?'???m??0.92?0.99?0.911 min??*'X1?X2Y2/m?V?L?L?()'?1.6??min?1.6?0.911?1.457 V?V?L‘＝0.0224×1.457＝0.0326 kmol/(m2·S)

'S'?mV0.92??0.631 'L1.457N'OG??1'Y1?mX2'?ln?(1?S)'?S? 1?S'?Y2?mX2?11??ln?(1?0.631)?0.631?9.82 ?1?0.631?1?0.99?N'OG?Z'?N'OG?HOG?9.82?0.521?5.1m

Z'5.11??1.65 Z3.1(2) L＝0.0224×1.398＝0.0313 kmol/(m·S)

2

L‘＝0.0224×1.457＝0.0326 kmol/(m2·S)

L'0.0326??1.04 L0.03136．在一填料塔中用清水吸收氨－空气中的低浓氨气，若清水量适量加大，其余操作条件不变，则Y2、

X1如何变化？（已知体积传质系数随气量变化关系为kYa?V0.8）

解： 用水吸收混合气中的氨为气膜控制过程，故KYa?kYa?V0.8

因气体流量V不变，所以kYa、KYa近似不变，HOG不变。

因塔高不变，故根据Z=NOG?HOG可知NOG不变。 当清水量加大时，因S?Y?mX2m，故S降低，由图5-25可以看出1会增大，故Y2将下降。 L/VY2?mX2 根据物料衡算L(X1?X2)?V(Y1?Y2)?VY1,VY不变，L增大，可近似推出X1将下降。

*7．在一逆流操作的吸收塔中，如果脱吸因数为0.75，气液相平衡关系为Y?2.0X，吸收剂进塔浓度

为0.001（摩尔比，下同），入塔混合气体中溶质的浓度为0.05时，溶质的吸收率为90%。试求入塔气体中溶质浓度为0.04时，其吸收率为多少？若吸收剂进口浓度为零，其他条件不变，则其吸收率又如何？此结果说明了什么？ 解： X2?0.001时：

原工况 S?0.75 Y2?Y1(1??)?0.05(1?0.9)?0.005

NOG???Y?mX21ln?(1?S)1?S? 1?S?Y2?mX2?10.05?2?0.001??ln?(1?0.75)?0.75??6.233

1?0.75?0.005?2?0.001?NOG?新工况 H'OG?HOG Z'?Z

N'OG??Y1'?mX21?ln?(1?S)'?S? 1?S?Y2?mX2?OGN'OG?N'???10.04?2?0.001ln?(1?0.75)'?0.75??6.233

1?0.75?Y2?2?0.001??3解得Y2?4.375?10

Y1'?Y2'0.04?4.375?10?3????0.8906?89.06% 'Y10.04'X2?0时：

原工况 S?0.75 Y2?Y1(1??)?0.05(1?0.9)?0.005

NOG???Y1?mX21ln?(1?S)?S? 1?S?Y2?mX2?NOG?10.05??ln?(1?0.75)?0.75??4.715

1?0.75?0.005?'新工况 H'OG?HOG Z?Z

N'OG??Y1'1?ln?(1?S)'?S? 1?S?Y2?OGN'OG?N'???10.04ln?(1?0.75)'?0.75??4.715

1?0.75?Y2??3解得Y2?4.00?10

Y1'?Y2'0.04?4.00?10?3????0.9?90% 'Y10.04' 从计算结果看，塔高一定，当用纯溶剂吸收混合气体中的溶质时，入塔气体组成变化，其他条件不变，其吸收率不变。

8.在一逆流操作的填料塔中，用纯溶剂吸收混合气体中溶质组分，当液气比为1.5时，溶质的吸收率为90％，在操作条件下气液平衡关系为Y?0.75X。如果改换新的填料时，在相同的条件下，溶质的吸收率提高到98％，求新填料的气相总体积吸收系数为原填料的多少倍？ 解：原工况： S? NOG?*mV0.75??0.5 L1.5????Y?mX2111ln?(1?S)?S? ln?(1?S)1?S??1??1?S?Y2?mX2??1?S?11??ln?(1?0.5)?0.5??3.41

1?0.5?1?0.90?NOG?新工况： S?S N''OG?11??ln?(1?0.5)?0.5??6.477

1?0.5?1?0.98?HOG?VZVZ'?? HOG? 'KYa?NOGKYa?N'OG'KY'aNOG6.477???1.900 KYaNOG3.419．用纯溶剂在一填料吸收塔内，逆流吸收某混合气体中的可溶组分。混合气体处理量为1.25Nm/s，要求溶质的回收率为99.2%。操作液气比为1.71，吸收过程为气膜控制。已知10℃下，相平衡关系

3

Y*?0.5X，气相总传质单元高度为0.8m。试求：

（1）吸收温度升为30℃时，溶质的吸收率降低到多少？ （30℃时，相平衡关系Y?1.2X） （2）若维持原吸收率，应采取什么措施（定量计算其中的2个措施）。 解：

（1）原工况：S? NOG?*mV0.5??0.292 L1.71????Y?mX2111ln?(1?S)?S? ln?(1?S)1?S??1??1?S?Y2?mX2??1?S?11??ln?(1?0.292)?0.292??6.34

1?0.292?1?0.992?NOG?Z?NOG?HOG?6.34?0.8?5.072m

新工况： H'OG?HOG Z'?Z

m'1.2S??0.292?0.7008 S?m0.5' NOG?N'OG? 解得??0.95

'??11ln?(1?0.7008)?0.7008??6.34

1?0.7008?1??'?（2）温度升高，平衡线上移，推动力减小，保持吸收率不变，可采取措施：

1）L/V增加，即增加溶剂量；

S?S'mVm'V ?'LLm'1.2L?L?L?2.4L

m0.5'2）增加填料层高度

m'1.2S??0.292?0.7008，推动力减小靠增加塔高弥补。 L/V不变，温度升高，S?m0.5' N'OG?11??ln?(1?0.7008)?0.7008?12.17 ?1?0.7008?1?0.992?'OG温度改变，对气膜控制吸收过程，传质单元高度不变，HZ'?N'OG?HOG?12.17?0.8?9.736m

?HOG?0.8

?Z?9.736?5.072?4.664m

10．在一塔高为4m填料塔内，用清水逆流吸收混合气中的氨，入塔气体中含氨0.03（摩尔比），混合气体流率为0.028kmol/(m·s), 清水流率为0.0573kmol/(m·s)要求吸收率为98％，气相总体积吸收

*系数与混合气体流率的0.7次方成正比。已知操作条件下物系的平衡关系为Y?0.8X，试求：

2

2

（1）当混合气体量增加20％时，吸收率不变，所需塔高？

（2）压力增加1倍时，吸收率不变，所需塔高？（设压力变化气相总体积吸收系数不变） 解：

原工况： y1?Y10.03??0.029 1?Y11?0.032 V?0.028?(1?0.029)?0.0272kmol/(m?s)

S?mV0.8?0.0272??0.38 L0.0573NOG???11ln?(1?S)?S? 1?S?1???11??ln?(1?0.38)?0.38??5.56

1?0.38?1?0.98?VZ4???0.720m KYa?NOG5.56NOG?HOG?（1）气体流量增加20％

因水吸收氨为气膜控制，所以V增加，传质单元高度变化

HOG?VV?0.7?V0.3

KYa?VH'OGV'0.30.3?()??1.2??1.056 HOGVH'OG?1.056?0.720?0.760m

mV'0.8?0.0272?1.2S???0.456

L0.0573'N'OG?11??ln?(1?0.456)?0.456??6.103

1?0.456?1?0.98?Z'?N'OG?H'OG?6.103?0.760?4.64m

（2）压力加1倍 m?'p0.8m??0.4 p'2S'?m'V0.4?0. L?02720.0573?0.19

N'OG?11?0.19ln???(1?0.19)11?0.98?0.19????4.58?HVOG?K Ya? ?HOG不变

Z'?N'OG?HOG?4.58?0.720?3.298m

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