化工原理第二版下册答案
更新时间:2024-07-01 23:26:01 阅读量: 综合文库 文档下载
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第七章 传质与分离过程概论
1.在吸收塔中用水吸收混于空气中的氨。已知入塔混合气中氨含量为5.5%(质量分数,下同),吸收后出塔气体中氨含量为0.2%,试计算进、出塔气体中氨的摩尔比Y1、Y2。
解:先计算进、出塔气体中氨的摩尔分数y1和y2。
y1?0.055/170.055/17?0.945/290.002/17?0.0903
y2?
?0.00340.002/17?0.998/29 进、出塔气体中氨的摩尔比Y1、Y2为
Y1? Y2?0.09031?0.0903?0.0993
0.00341?0.0034?0.0034
由计算可知,当混合物中某组分的摩尔分数很小时,摩尔比近似等于摩尔分数。
2. 试证明由组分A和B组成的双组分混合物系统,下列关系式成立: (1) dwA?MAMBdxA(xAMA?xBMB)2
(2)dxA?MAMB(dwAwAMA?wBMB)2
解:(1)
wA?MAxAxAMA?xBMB?MAxAxAMA?(1?xA)MB
dwMA(xAMA?xBMB)?xAMA(MA?MB)MAMB(xA?xB)A??dx22(xAMA?xBMB)A(xAMA?xBMB)由于 xA?xB?1 故
dwA?MAMBdxA(xAMA?xBMB)2
wA (2)
xA?MAwAMA?wBMB
1
dxA?MAdwA(wAMA?wBMBMAMAwAwB2(?)MAMB)?wA(1?1MB)
1(wA?wB)MMAB?wAwB2(?)MAMB
?MAMB(1wAMA?wBMB)2
1
故
dxA?MAMB(dwAwAMA?wBMB)2
3. 在直径为0.012 m、长度为0.35 m的圆管中,CO气体通过N2进行稳态分子扩散。管内N2的温度为373 K,总压为101.3 kPa,管两端CO的分压分别为70.0 kPa和7.0 kPa,试计算CO的扩散通量。
解:设 A-CO; B-N2 查附录一得 DAB?0.318?10?4m2s
pB1?p总?pA1??101.3?70?kPa a?31.3kPpB2?p总?pA2??101.3?7.0?kPa?94.3kPa
p?pB194.3?31.3?kPa?57.12kPa pBM ?B2 pB294.3lnln31.3pB1NA?DABP?pA1?pA2?RTzpBM?40.318?10?101.3??70.0-7.0?kmol?m2?s??3.273?10?6kmol?m2?s?8.314?373?0.35?57.124. 在总压为101.3 kPa,温度为273 K下,组分A自气相主体通过厚度为0.015 m的气膜扩散到催化剂表面,发生瞬态化学反应A?3B。生成的气体B离开催化剂表面通过气膜向气相主体扩散。已知气膜的气相主体一侧组分A的分压为22.5 kPa,组分A在组分B中的扩散系数为1.85×10-5 m2/s。试计算组分A和组分B的传质通量NA和NB。
解:由化学计量式 A?3B
?可得NB??3NA
N?NA
?NB??2NA
代入式(7-25),得 DdcNA?ABA?2yANAdz dpApANA??2NARTdzp总 分离变量,并积分得 p总?2pA11DABp总 NA?ln2RT?zp总11.85?10?5?101.3101.3?2?22.5??ln kmol/(m2?s)?1.012?10?5 kmol/(m2?s) 28.314?273?0.015101.3NB??3NA??3?1.012?10?5kmol/(m?s) ??3.036?102?5kmol/(m?s)
25. 在温度为278 K的条件下,令某有机溶剂与氨水接触,该有机溶剂与水不互溶。氨自水相向有机相扩散。
在两相界面处,水相中的氨维持平衡组成,其值为0.022(摩尔分数,下同),该处溶液的密度为998.2 kg/m3;在离界面5 mm的水相中,氨的组成为0.085,该处溶液的密度为997.0 kg/m3。278 K时氨在水中的扩散系数为1.24×10–9 m2/s。试计算稳态扩散下氨的传质通量。 解:设 A-NH3;B-H2O
离界面5 mm处为点1、两相界面处为点2,则氨的摩尔分数为
xA1?0.085xA2?0.022 ,
xx
B1?1?x?1?xA1?1?0.085?0.915
2
B2A2?1?0.022?0.978
xBM ?xB2?xB10.978?0.915??0.946 xB20.978lnln0.915xB1点1、点2处溶液的平均摩尔质量为
M1??0.85?17?0.915?18?kgkmol?17.92kgkmol
M2??0.022?17?0.978?18?kgkmol?17.98kgkmol 溶液的平均总物质的量浓度为
?1?11997.0998.2 c总?( +2)=?(?)kmol/m3?55.58kmol3/ m2MD?NA?1M2217.9217.98故氨的摩尔通量为
ABcx总?z(xA1?xA2)
BM?1.24?10?9?55.5770.005?0.946?(0.085?0.022)kmol/(m?s)?9.179?10kmol/(m?s)
2?726. 试用式(7-41)估算在105.5 kPa、288 K条件下,氢气(A)在甲烷(B)中的扩散系数DAB。 解:查表7-1,得
?vA?7.07 cm/mol
3
查表7-2,计算出
?vB?(16.5?1.98?4)cm/mol?24.42cm/mol
由式7-41
1.013?10?5T1.75(1?1)1/2MAMBD? 1/3p[(?vA)?(?vB)1/3]2AB总33111.013?10?5?2881.75(?)1/2216 ?m2s?6.24?10?5m2s 1/31/32105.5?(7.07?24.42)7. 试采用式(7-43)估算在293 时二氧化硫(A)在水(B)中的扩散系数D?。
AB
解:查得293 K时水的黏度为
?B?1.005?10Pa?s
查表7-3,得
Φ?2.6
查表7-4,得
3
VbA?44.8cm/mol 由式(7-43)
D?AB?7.4?10?15(ΦMB)1/2T 0.6?BVbA?151/2 ?7.4?10(2.6?18)293m2/s??1.508?10?9m2/s
1.005?10?3?44.80.6
8. 有一厚度为8 mm、长度为800 mm的萘板。在萘板的上层表面上有大量的45 ℃的常压空气沿水平方向吹过。
3
在45 ℃下,萘的饱和蒸汽压为73.9 Pa,固体萘的密度为1 152 kg/m,由有关公式计算得空气与萘板间的对流传质系数为0.016 5 m/s。 试计算萘板厚度减薄5%所需要的时间。
解:由式(7-45)计算萘的传质通量,即
3
NA?kL?cAi?cAb ?
为空气主体中萘的浓度,因空气流量很大,故可认为cAb?0;cAi为萘板表面
处气相中萘的饱和浓度,可通过萘的饱和蒸气压计算,即
p73.93?5cAi?Ai?kmol/m?2.795?10kmol / m3
RT8314?318式中
NA?kL(cAi?cAb)?0.0165?(2.795?10?5?0)kmol/(m?s)?4.612?10kmol/(m?s)
2?72设萘板表面积为S,由于扩散所减薄的厚度为b,物料衡算可得
Sb?A?NAMAS?
??
b?A10.05?0.008?1152?s?7.806?103s?2.168h ?7NAMA4.612?10?128 第8章
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
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
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?
c1.06?(110.5?0.032?)kPa?2.074kPa H0.7254
其对应的总吸收系数为
111112???(?)(m?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% 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)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?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)
5
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