化工原理 吸收课后答案

第二章 吸收习题解答

1从手册中查得101.33KPa、25℃时,若100g水中含氨1g,则此溶液上方的氨气平衡分压为0.987KPa。已知在此组成范围内溶液服从亨利定律,试求溶解度系数H(kmol/ (m3·kPa))及相平衡常数m。 解: (1) 求H 由PNH3??CNH3H.求算.

已知:PNH3??0.987kPa.相应的溶液浓度CNH3可用如下方法算出:

以100g水为基准,因为溶液很稀.故可近似认为其密度与水相同.并取其值为

1000kg/m3.则:

1CNH3?17?0.582kmol/m3100?1 1000CNH30.5823?H???0.590kmol/(m?kPa)?PNH30.987yNH3??mNH3xNH3P1(2).求m.由17xNH3??0.01051100?1718yNH3?0.00974m???0.928xNH30.0105yNH3??PNH3??0.987?0.00974101.33

2: 101.33kpa、1O℃时,氧气在水中的溶解度可用po2=3.31×106x表示。式中:Po2为氧在气相中的分压,kPa、x为氧在液相中的摩尔分数。试求在此温度及压强下与空气充分接触后的水中,每立方米溶有多少克氧. 解:氧在空气中的摩尔分数为0.21.故

1

PO2?PyO2?101.33?0.21?21.28kPa 21.28?6xO2???6.43?103.31?1063.31?106PO2因xO2值甚小,故可以认为X?x 即:XO2?xO2?6.43?10?6

?g(O)?kg(O2)6.43?10?6?32所以:溶解度??1.14?10?5?11.4?32?

1?18kg(H2O)?m(H2O)?3. 某混合气体中含有2%(体积)CO2,其余为空气。混合气体的温度为30℃,总压强为506.6kPa。从手册中查得30℃时C02在水中的亨利系数E=1.88x105KPa,试求溶解度系数H(kmol/（m3·kPa、）)及相平衡常数m,并计算每100克与该气体相平衡的水中溶有多少克CO2。 解:(1).求H由H??EMH2O求算

H??EMH2O?1000?2.955?10?4kmol/(m3?kPa) 51.88?10?18(2)求m

1.88?105m???371

?506.6E(2) 当y?0.02时.100g水溶解的CO2

PCO2??506.6?0.02?10.13kPa(3)

10.13?5x???5.39?10E1.88?105PCO2?因x很小,故可近似认为X?x

?kmol(CO2)?44?kg(CO2)??5X?5.39?10?5??5.39?10?()???kmol(HO)18?2??kg(H2O)?

?kg(CO2)??1.318?10?4??kg(HO)?2?故100克水中溶有CO20.01318gCO2

4．.在101.33kPa、0℃下的O2与CO混合气体中发生稳定的分子扩散过程。已知

2

相距0.2cm的两截面上O2的分压分别为13.33kPa和6.67kPa,又知扩散系数为0.185cm2/s,试计算下列两种情况下O2的传递速率,kmol/(m2·s): (1) O2与CO两种气体作等分子反向扩散; (2) CO气体为停滞组分。

解：（1）等分子反向扩散时O2的传递速率

D(PA1?PA2)RTZD?0.185cm2/s?1.85?10?5m2/s.T?273KNA?P?101.325kPa.Z?0.2cm?2?10?3mPA1?13.33kPa.PA2?6.67kPa1.85?10?5?52?NA??(13.33?6.67)?2.71?10(kmol/m?s)?38.314?273?2?10

（2）O2通过停滞CO的扩散速率

DPDPPB21.85?10?5?101.33101.33?6.67NA?(PA1?PA2)?ln?lnRTZPBmRTZPB18.314?273?2?10?3101.33?13.33 ?3.01?10?5kmol/m2?s5．一浅盘内存有2mm厚的水层,在20℃的恒定温度下逐渐蒸发并扩散到大气中。假定扩散始终是通过一层厚度为5mm的静止空气膜层,此空气膜层以外的水蒸气分压为零。扩散系数为2.60×10-5m2/s,大气压强为101.33KPa。求蒸干水层所需的时间。

解:这是属于组分(A)通过停滞组分的扩散。

已知扩散距离（静止空气膜厚度）为Z?5?10?3m.水层表面的水蒸气分压(20?C)的饱和水蒸气压力为PA1?2.3346kPa 静止空气膜层以外;水蒸气分压为PA2?0

D?2.6?10?5m2/s.P?101.33kPa.T?273?20?293K 单位面积上单位时间的水分蒸发量为

PB2DPDP2.6?10?5?101.33101.33NA?(PA1?PA2)?ln?lnRTZPBmRTZPB18.314?293?5?10?3101.33?2.3346 ?5.03?10?6kmol/(m2?s)

3

故液面下降速度:

d?NA?MA5.03?10?6?18???9.07?10?8m/s d??L998.2水层蒸干的时间:

h5?10?3????2.205?104s?6.125h ?8dh/d?9.07?106. 试根据马克斯韦尔-吉利兰公式分别估算0℃、101.33kPa时氨和氯化氢在空气中的扩散系数D(m2/s),并将计算结果与表2-2中的数据相比较。 解:(1):氨在空气中的扩散系数. 查表2.4知道,空气的分子体积:

VB?29.9cm3/mol 氨的分子体积:

VA?25.8cm3/mol

又知MB?29g/mol.MA?17g/mol

Maxwea?Gilliland式计算. 则0?C.101.33kPa时,氨在空气中的扩散系数可由

DNH3114.36?10?5?(273)3/2?(?)1/2?521729??10614?10m/s 1/31/3101.33???(25.8)?(29.9)??(2)同理求得

DHCl?1.323?10?5m2/s

7.在101.33kPa、27℃下用水吸收混于空气中的甲醇蒸气。甲醇在气、液两相中的组成都很低,平衡关系服从亨利定律。已知溶解度系数H=1.955kmol/(m3·kPa),气膜吸收系数

kG=1.55×10-5kmol/(m2·s·kPa),液膜吸收系数

kL=2.08×10-5kmol/(m2·kmol/m3)。试求总吸收系数KG,并算出气膜阻力在总阻力中所占百分数。 .解:总吸收系数

KG?111?kGHkC?111?1.55?10?51.955?2.08?10?54

?1.122?10?5kmol/(m2?s?kPa)

气膜P助在点P助中所占百分数.

1/kG1.122??72.3??

1/kG?1/HkC1.558. 在吸收塔内用水吸收棍子空气中的甲醇,操作温度27℃,压强101.33KPa。稳定操作状况下塔内某截面上的气相甲醇分压为5 kPa,液相中甲醇组成为2.11kmol/m3。试根据上题中的有关数据算出该截面上的吸收速率。 解:吸收速率NA?KG(PA?PA?)

由上题已求出kG?1.122?10?5kmol/(m2?s?kPa) 又知：H?1.955kmol/(m3?kPa) 则该截面上气相甲醇的平衡分压为

PA??C/H?2.11/1.955?1.08kPa.PA?5kPa.

则

NA?1.122?10?5?(5?1.08)?4.4?10?5kmol/(m2?s)?0.1583kmol/(m?h)2

9：在逆流操作的吸收塔中,于101.33kpa、25℃下用清水吸收混合气中的H2S,将其组成由2%降至0.196 (体积)。该系统符合亨利定律。亨利系数E=5.52×16kPa。若取吸收剂用量为理论最小用量的12倍,试计算操作液气比

L及出口液相组成VX1若压强改为1013kPa,其他条件不变,再求

L手及X1。 V解：（1）求101.33kPa下，操作液气比及出口液相组成。

E5.52?104m???545P101.33y0.02Y1?1??0.02041?y11?0.02 Y2?y20.001??0.0011?y21?0.001X2?0Y?YL0.0204?0.001最小液气比()min?12??518

Y1V0.0204/545?X2mLL操作液气比为?1.2?()min?1.2?518?622

VV

5

出口液相浓度

X1?X2?V(Y1?Y2)L1?0??(0.0204?0.001)?3.12?10?5622

（2）：求1013kPa下的操作液气比及出口液组成

E5.52?104m???545 P1013则：

Y?YL'0.0204?0.0001()min?12??51.8Y1V0.0204/545?X2 mL?1.2?51.8?62.2V出口液相组成：

V'1X?X2?'(Y1?Y2)?0??(0.0204?0.001)?3.12?10?4L62.2'1

11，在101.33kPa下用水吸收据于空气中的氨。已知氨的摩尔分数为0.1,混合气体于40℃下进入塔底,体积流量为0.556m3/s,空塔气速为1.2m/s。吸收剂用量为理论最小用量的1.1倍,氨的吸收率为95%,且已估算出塔内气相体积吸收总系数在操作条件下的气液平衡关系为Y*?2.6X,KYa的平均值为0.1112kmol/(m3?s)。试求塔径及填料层高度。 解：

6

0.1?0.11111?0.1Y2?Y1(1??)?0.1111?(1?0.95)?0.005555Y1?X2?0.Y?YL0.1111?0.005555()min?12??2.47Y10.1111V?X22.6m L?1.1?2.47?2.72VV1X1?(Y1?Y2)?X2??(0.1111?0.005555)?0?0.0388L2.72mV2.6S???0.956L2.72Y1?Y2?110.1111N?G?ln[(1?S)?S]?ln[(1?0.956)??0.956]?13.8?1?SY2?Y21?0.9560.005555塔截面积：

??0.556/1.2?0.463m2

塔径：

D?4??0.463?0.77m

0.556273??0.9?0.0195kmol/s 22.4273?40又知：V?则：

H?G?V0.0195??0.38m KYa?0.1112?0.463塔上填料层高度：

Z?H?G?N?G?0.38?13.8?5.23m

12．在吸收塔中用清水吸收混合气中的SO2,气体流量为5000m3(标准)/h,其中SO2占10%,要求SO2回收率为95%。气、液逆流接触,在塔的操作条件下SO2在两相间的平衡关系近似为Y*?26.7X。试求:

(1)若取用水量为最小用量的15倍,用水量应为多少? (2)在上述条件下,用图解法求所需理论塔板数;

(3)如仍用(2)中求出的理论板数,而要求回收率从95%提高到98%,用水量应

7

增加到多少? 解：

（1）求用水量：

0.10?0.11111?0.10Y2?0.1111?(1?0.95)?0.00556Y1?V?5000?(1?0.10)?201kmol/h 22.4V(Y?Y)201?(0.111?0.00556)Lmin??12??5100kmol/h0.1111X1?X2?026.7L?1.5Lmin?1.5?5100?7650kmol(水）/h（2）：求理论板数

(a)梯级图解法 X1?V201(Y1?Y2)?X2??(0.1111?0.00556)?0.00277 L7650在Y?X直角坐标图中给出平衡线oE.CY??26.7?7及操作线BT 由图中B点开始在操作线与平衡线之间画梯级 得理论板层数NT?5.5

(b)用克列姆塞尔算图

??95??.X2?0

则相对回收率??Y1?Y20.1111?0.00556??0.95

Y1?mX20.1111在理论最小用水量下，NT??，J据此查图2?21得：

Amin?0.95 而

Lmin?0.95 mVL?1.5Lmin?1.5?0.95mV?1.5?0.95?26.7?201?7650kmol(水）/h

查图2?21（或由式2?77c计算）可知当：

A?L?1.43.??0.95时 mVNT?5.5

8

两种方法解得的结果相同。 （3）求??98??时所需增加的水量

用克列姆塞尔法估算，已知：?'?0.98.NT?5.5 据此查图2?21得A'?1.75

则:L'?1.75mV?1.75?26.7?201?9390kmol/h 故需要增加的用水量

L'?L?9390?7650?1740kmol(水)/h?3.13?104kg(水）/h

13. 在一个接触效能相当于8层理论塔板的筛板塔内,用一种摩尔质量为250、密度为则900kg/m3的不挥发油吸收捏于空气中的丁烧。塔内操作压强为101.33kPa,温度为15℃,进塔气体含丁烷5%(体积),要求回收率为95%。丁烷在15℃时的蒸气压强为194.5kPa,液相密度为58Okg/m3假定拉乌尔定律及道尔顿定律适用,求:

(1)回收每1m3丁烷需用溶剂油多少(m3)?

(2)若操作压强改为304.OkPa,而其他条件不变,则上述溶剂油耗量将是多少(m3)? 解:

(1).由拉乌尔定律

y??p?194.5x??x?1.92x p101.33由于为低组成吸收,可以认为Y??1.92X

0.05?0.0526.X2?0.Y2??0 1?0.05Y2?Y1(1??)?0.0526?(1?0.95)?0.00263Y1?由克列姆塞尔方程得到:

?Y1?Y1?0.0526?Y1lnlnY2?Y2?0.0263?0NT??8? Y1?Y20.0526?0.00263lnln?Y1??0Y1?Y2?解得:

9

Y1??0.042 Y1?0.042X1???0.0221.921.92由此可知,每回收1kmol丁烷所需纯溶剂油数量为

11??45.5kmol/kmol(丁烷） （油）X1?X20.022?0丁烷的摩尔质量为58.08.则回收每1m3液体丁烷所需溶剂油的体积为

45.5?250/90033?126.2m（油）/m（丁烷）

58.08/580(2).若p?304.0kPa.则:

y??194.5x?0.6398x.?Y??0.6398X 304.0因为X2?0故Y2??0

Y1??0.042.(条件未变,仍用上法求得) Y1?0.042X1???0.0656m0.6398

11??15.24kmol（丁烷）（油）/kmolx1?x20.0656?015.24?250190033?42.28m（油）/m（液体丁烷）

58.08/58014. 在一逆流吸收塔中用三乙醇胶水溶液吸收混于气态烃中的H2S,进塔气相含H2S 2.91%(体积),要求吸收率不低于99%,操作温度300K,压强为101.33kPa,平衡关系为Y*?2X,进塔液体为新鲜溶剂,出塔液体中H2S组成为0.013kmol(H2S)/kmol(溶剂)。已知单位塔截面上单位时间流过的惰性气体量为0.015 kmol/(m2·s),气相体积吸收总系数为0.000395kmol/(m3·s·kPa),求所需填料层高度。

解:Z?H?G?N?G?已知:

V（Y1?Y2）

KYa??Ym 10

0.0291?0.031?0.0291Y2?Y1(1??)?0.03?(1?0.99)?0.0003 Y1?X1?0.013.Y1??mX1?2?0.013?0.026X2?0.Y2??0(0.03?0.026)?0.0003?0.001430.03?0.026ln则:

0.0003KYa?KGap?0.000395?101.33?0.04kmol/(m2?S)?Ym?又知:

V?0.015kmol/(m2?s)?0.015?H?G??0.375m 0.040.03?0.0003N?G??20.80.00143Z?0.375?20.8?7.8m15．有一吸收塔,填料层高度为3m,操作压强为101.33KPa,温度为20℃,用清水吸收棍于空气中的氨。混合气质量流速G=58Okg/(m2·h),含氨6%(体积),吸收率为99%;水的质量流速W=770kg/(m2·h)。该塔在等温下逆流操作,平衡关系为

Y*?0.9X。KGa与气相质量流速的0.8次方成正比而与液相质量流速大体无关。

试计算当操作条件分别作下列改变时,填料层高度应如何改变才能保持原来的吸收率(塔径 不变):(1)操作压强增大一倍;(2)液体流量增大一倍;(3)气体流量增大一倍。 解：已知

Z?3m,p?101.325kPa,T?293k0.06?0.0638.X2?0 1?0.06Y2?Y1(1??)?0.0638?(1?0.99)?0.000638Y1?混合气体的平均摩尔质量

11

M?29?O.94?17?0.06?28.28kg/kmolnV580??(1?0.06)?19.28kmol/(m2?h)?28.28L770??42.78kmol/(m2?h)?18mv0.9?19.28S???0.4056L42.78Y?mX21N?G?ln[(1?S)(1)?S]1?SY2?mX210.0638?0ln[?(1?0.4056)?0.4056]1?0.40560.000638?6.884?H?G?Z3??0.4358mN?G6.884

（1）p'?2p

1?0.452'mV0.45?19.28'S???0.2028L42.78'Y?mX21'''1'N?ln[()(1?S)?S]mp?G''1?SY2?mX2由于?'故

mp10.0638?0?ln[?(1?0.2028)?0.2028]1?0.20280.000638?0?5.496VV?H?G??KYa?KGap?m'?mp/p'?0.9?故：

H?G'P?'H?GPP1?0.4358??0.2179m P'2Z?H?G'?N?G'?0.2179?5.496?1.198mH?G'?H?G填料层高度比原来减少了3?1.198?1.802m

12

L'?2LmVmV1（2）：S'?'???40560.2080.L2LVN?G'?4965.（计算过程同（1））.

?

液体流速的增加对KGa无显著影响.

H?G'?H?G?0.4358m

则:Z'?N?G'?H?G'?5.496?0.4358?2.395m 即所需填料层高度较原来减少了3?2.395?0.605m (3)

V'?2VmV'm(2V) S???2?0.4056?0.8112LL1N?G'?ln[100?(1?0.8112)?0.8112]?15.81?0.8112'气体质量流速增大时,总吸收系数KGa相应增大.

KGa?V0.8KGaH?G'V'0.8?KGa()?20.8KGaV

V'2V??0.8?20.2H?G?20.2?0.4358?0.501m'KGap?2KGap?Z'?H?G'?N?G'?15.8?0.501?7.92m即所需填料层高度较原来增加7.92?3?4.92m

16. 要在一个板式塔中用清水吸收混于空气中的丙醇蒸气。混合气体流量为30kmol/h,其中含丙醇1%(体积)。要求吸收率达到90%,用水量为9Okmol/h。该塔在101.33KPa、27℃下等温操作,丙醇在气、液两相中的平衡关系为Y*?2.53X,求所需理论板数。 解:

13

V?30?(1?0.01)?29.7kmol/h0.01Y1??0.01011?0.01Y2?Y1(1??A)?0.0101?(1?0.90)?0.00101L?90kmol/hV(Y1?Y2)29.7?(0.0101?0.00101)X1?X2??0??0.003L90

由题意知m?2.53则:

A?L90??1.1977 mV2.53?29.7又因为X2?0.则:

???A?0.90A??ln?11??NT?lnAln?1.1977?0.90 1?0.90?1?5.05ln1.1977第三章

2. 聚氯乙烯生产过程中,需要将乙炔发生器送出来的粗乙炔气体净化,办法是在填料塔中用次氯酸钠稀溶液除去其中的硫、磷等杂质。粗乙炔气体通入填料塔的体积流量为7∞旷/h,密度为1.16kg/m3;次氯酸钠水洛液的用量为4000kg/h,密度为105Okg/m3,黏度为1.06mPa·s。所用填料为陶瓷拉西环,其尺寸有50mm×5Omnx4.5皿n及25mnx25mm×2.5mn两种。大填料在下层,小填料在上层,各高5m,乱堆。若取空塔气速为液泛气速的80%,试求此填料吸收塔的直径及流动阻力。 解:(1)塔径

两种填料的?值如下:

50mm?50mm?4.5mm陶瓷拉西环(乱堆):??2051/m 25mm?25mm?2.5mm陶瓷拉西环(乱堆):??4501/m

比较两种填料的?值可知,小填料的泛点气速应比大填料的低,故应接小填料计算塔径.

Wc?v0.540001.160.5()??()?0.163 Wv?L700?1.161050由图(3?18)中的乱堆填料泛点线查得

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?4?V0.2?L?0.12g?L

?1000??水??0.952?L1050?F2故:

?F?0.12g?L???V?L0.2?0.12?9.81?1050?1.568m/s450?0.952?1.16?1.060.2

??0.8?F?0.8?1.588?1.254m/s塔径:

D?4Vs/?u?4?700/(3600?3.14?1.254)?0.444m (2).压强降

因两段填料层具有不同的?值,故塔内流动阻力应分两段计算. 上层:25mm?25mm?2.5mm.乱堆瓷环

u2???V0.2(1.25)2?450?0.952?1.16?L??(1.06)2?0.0767g?L9.81?1050(WL?V0.5)()?0.163WV?L

由图(3?18)查得

?p?32?9.81Pa/m?314Pa/m Z则全塔压降?p总?1373.4?5?314?5?8437Pa

3在直径为0.8m的填料塔中,装填25mx25m×2.5m的瓷拉西环,用于常压及20℃下气体吸收操作。若液、气性质分别与水和空气相同,按质量计的液、气流量比为5。核算上升气量达3000m3/h时,是否会发生液泛现象?

若改用25m×25mx0.6m的金属鲍尔环,上升气量提高到多少才会液泛?

.解:查附录知.?V?1.205kg/m3,?L?998.2kg/m3,?L?1.005mPa?S 可查得两种填料的?值为 瓷拉西环

25mm?25mm?2.5mm

??450?1/m 15

金属鲍尔环:

25mm?25mm?0.6mm

??160?1/mW?1.2050.5(L)(V)0.5?5?()?0.174 WV?L998.2由图(3?18)查得

对应于此横坐标数值的纵坐标值(乱堆填料泛点线)

uF2???V0.2?L?0.1 g?L即:

?F2?450?1?1.2059.81?998.2?F?1.34m/s.?(1.005)0.2?0.0554?F2?0.1

液泛的气体体积流量

Vmax'??4D2?F?0.785?0.82?1.34?3600?2424m3/h

上升气量3000m3/h?Vmax,故会发生液泛.

改用鲍尔环,若鲍尔环的液泛速度为?F',填料因子为?' 因横坐标值不变,则纵坐标仍为0.1

?F'2?450()?'??F?160?F'2?1.805?450?5.08??F'?2.253m/s160

故改用鲍尔环后,发生液泛的上升气量为

Vmax'?0.785?0.82?2.253?3600?4075m3/h

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