化工原理（第四版）习题解 第五章 吸收

第五章 吸收

相组成的换算

【5-1】 空气和CO2的混合气体中，CO2的体积分数为20%，求其摩尔分数y和摩尔比Y各为多少？

解 因摩尔分数=体积分数，y?0.2摩尔分数 摩尔比

Y?y1?y?0.21?0.2?0．25

【5-2】 20℃的l00g水中溶解lgNH3, NH3在溶液中的组成用摩尔分数x、浓度c及摩尔比X表示时，各为多少？

解 摩尔分数x?1/171/17?100／18=0．0105

浓度c的计算20℃，溶液的密度用水的密度?s溶液中NH3的量为 溶液的体积

n?1?10/?3?3?998.2kg/m3代替。

1k7mo l3V?101?10/998.2 m

=0．581kmol／m3溶液中NH3的浓度c或

c??nV=1?10101?10?3/17/998.2?3

?sMsx?99.823?0．010?5．0km58ol2／m18

NH3与水的摩尔比的计算

X?1/17100/18X?x1?x?0．0106

?0．0106或

?0.01051?0.0105

【5-3】进入吸收器的混合气体中，NH3的体积分数为10%，吸收率为90%，求离开吸收器时NH3的组成，以摩尔比Y和摩尔分数y表示。

吸收率的定义为

???原料气中溶质量 被吸收的溶质量Y1?Y2Y1 ?1?Y2Y1

解 原料气中NH3的摩尔分数y摩尔比

Y1?y11?y1?0.11?0.1?0.1?0.111

吸收器出口混合气中NH3的摩尔比为

Y2?(1??)Y1?（1?0.9）?0.111?0.0111

摩尔分数

y2?Y21?Y2=0.0111?0.010 981?.00111气液相平衡

【5-4】 l00g水中溶解lg NH3，查得20℃时溶液上方NH3的平衡分压为798Pa。此稀溶液的

63

气液相平衡关系服从亨利定律，试求亨利系数E(单位为

kmol/(m3kPa)、溶解度系数H[单位为

?kPa)]和相平衡常数m。总压为100kPa。

?1/171/17?100/18*解 液相中NH3的摩尔分数x气相中NH3的平衡分压

?0.0105

P＝0.798k P a亨利系数 E?p*／x?0.798/0.01?05 76液相中NH3的浓度 溶解度系数

c?nV?1?10101?10?3/17/998.2?3?0.581 kmol／m33

H?c/p*?05.81/0.79?81/171／17?100/18.0k7m28ol/(m? Pak液相中NH3的摩尔分数

x??0．0105

气相的平衡摩尔分数 y*?p*／p?07.9／81 00相平衡常数

m?y*x?0.798100?0.0105?0.76

或 m?E/p?76/100?.0 76【5-5】空气中氧的体积分数为21%，试求总压为101.325kPa，温度为10℃时，1m3水中最大可能溶解多少克氧？已知10℃时氧在水中的溶解度表达式为p*?3.313?106x，式中p*为氧在气相中的平衡分压，单位为kPa；x为溶液中氧的摩尔分数。

解 总压p?10.132k5P a空气中O2的压力分数 pA／p?体积分数?0.21 空气中O2的分压 亨利系数

pA?0.21?101.325 kPa6*

E?3.31?31k0P a(1) 利用亨利定律

pA?Ex*计算

与气相分压pA?0.21?101.325kPa相平衡的液相组成为

x?pA0．21?101.32562? ?6.42?10kmol O／kmol6E3.313?10*溶液

此为1kmol水溶液中最大可能溶解6.42?10?6kmol O2 因为溶液很稀，其中溶质很少

1kmol水溶液≈1kmol水=18 kg水

9.9k7g／m

3310℃，水的密度 ??9故

1kmo水溶液l≈18／999.7m水

2?10kmo氧l

?6即

18999.7m3水中最大可能溶解6.4 64

故

1m3水中最大可能溶解的氧量为

?66.42?10?999.718?3.57?10?2?4kmolO2

3.57?10?4?32?1.14?10kgO2?11.4gO2(2) 利用亨利定律

H?1m3pA?*cAH计算

?5?sEMs=999.73.313?10?186= 1.676?10kmol／?m?kPa?3

水中最大可能溶解的氧量为

*?5?4cA?pAH?(0.21?101.325) (1.676?10)?3.57?10?4?2kmolO2／m3 溶液

3.57?10?32?1.14?10kgO2?11.4gO2

【5-6】含NH3体积分数1.5%的空气-NH3混合气，在20℃下用水吸收其中的NH3总压为203kPa。NH3在水中的溶解度服从亨利定律。在操作温度下的亨利系数E的最大浓度，kmolNH3／m3溶液。

解 气相中NH3的摩尔分数y?0.01 5总压p?203kPa，气相中NH3的分压p*A(1) 利用亨利定律p*?Ex计算

与气相分压p相平衡的液相中NH3的摩尔分数为

x?pAE*?80kPa。试求氨水溶液

?py?203?0.015kPa

?203?0.01580?0.0381

NH3水溶液的总浓度

c??sMs?998.218kmol/m3

水溶液中NH3的最大浓度

cA?cx?99.82?0．038 1183 (2) 利用亨利定律

E?80kPa,H??2.11kmol NH3/m溶液

pA?=*cAH计算

=0．693 kmol/(m?kPa)

33?sEMs998.280?18cA?pAH?(203?0.015)?0.693??2.11 kmol NH3/m*溶液

【5-7】温度为20℃，总压为0.1MPa时，CO2水溶液的相平衡常数为m=1660。若总压为1MPa时，相平衡常数m为多少？温度为20℃时的亨利系数E为多少MPa?

解 相平衡常数m与总压p成反比，

p?0.1MPa 时 m?1660，p'?1MPa

时

65

m'?mpp'= 1660?0.11=166

亨利系数 E?mp?m'p'?166 MPa

【5-8】用清水吸收混合气中的NH3，进入吸收塔的混合气中，含NH3体积分数为6%，吸收后混合气中含NH3的体积分数为0.4%，出口溶液的摩尔比为0．012kmol NH3／kmol水。此物系的平衡关系为Y*?0.76X。气液逆流流动，试求塔顶、塔底的气相传质推动力各为多少？

解 已知y1?0.06，则Y1?y1/?1?y?1?0.06/0.9?4已知y2?0.004，则Y2?0.004/?1?0.004?=4.02?103 已知X1?0.012，则Y1*已知X2?0，则Y2*?0.76?0.012?0.00912 638.00

?0

塔顶气相推动力 塔底气相推动力

?Y2?Y2?Y2=4.02?10**?3

0.0547?Y1?Y1?Y1?0.0638?0.009?12【5-9】CO2分压力为50kPa的混合气体，分别与CO2浓度为0.01kmol/m3的水溶液和CO2

浓度为0.05kmol／m3的水溶液接触。物系温度均为25℃，气液相平衡关系p*?1.662?105xkPa。试求上述两种情况下两相的推动力（分别以气相分压力差和液相浓度差表示），并说明CO2在两种情况下属于吸收还是解吸。

解 温度t?25℃，水的密度为?s?997kg/m3

混合气中CO2的分压为p?50kPa 水溶液的总浓度c??sMs?9718kmol/m3水溶液

(1) 以气相分压差表示的吸收推动力 ①液相中CO2的浓度 cA?0.01kmol CO2／m?cA/c?0.01997/183水溶液

?4液相中CO2的摩尔分数x=1.805?10

与液相平衡的气相平衡分压为

p*?1.662?10x?1.662?10?1.805?1055?4?30kPa

气相分压差表示的推动力 ?p?p?*（吸收） p5?0?30?2k0Pa② 液相中CO2的浓度cA?0.05kmol／m3水溶液

?9.027?10?4液相中CO2的摩尔分数x?cA/c?0.05997/18

与液相平衡的气相平衡分压为

66

p*?1.662?105x?1.662?105?9.027?10?4?150kPa

气相分压差表示的推动力 ?p?p*?p?150?50?100kPa （解吸） (2) 以液相浓度差表示的吸收推动力 与气相CO2分压p?50kPa平衡的液相组成为

x*?p501.662?105 ?1.662?105

平衡的液相浓度 ①液相中CO2的浓度cA?0.01kmol CO2/m3水溶液

液相浓度差表示的推动力为

?c?c*A?cA?0.01666?0.01?0.00666kmol／m3 （吸收）

②液相中CO2的浓度cA?0.05 kmol CO2/m3水溶液

液相浓度差表示的推动力为

?c?c*A?cA?0.05?0.01666?0.0333kmol/m3 （解吸）

吸收过程的速率

【5-10】如习题5-10附图所示，在一细金属管中的水保持25℃，在管的上口有大量干空气(温度25℃，总压101.325kPa)流过，管中的水汽化后在管中的空气中扩散，扩散距离为l00mm。试计算在稳定状态下的汽

化速率，kmol／(m2?s)。

解 25℃时水的饱和蒸气压为3.2895kPa

从教材表5-2中查得，25℃，101.325kPa条件下，H2O在空气中的分子扩散系数D?0.256cm2/s?0.256?10?4m2/s。

扩散距离Z?100mm?0.1m，总压p?101.325 kPa

水表面处的水汽分压 pA1?3.289k5P a空气分压 pB1?p?pA1?101.325?3.2895

?98.04k Pa

管上口处有大量干空气流过，水汽分压pA2?0 空气分压pB2?101.325kPa 空气分压的对数平均值为

pB2?pB1Bm?plnp?3.2895B2325?99.8kPa

pln101.B198.04水的汽化速率

习题5-10附图

67

NA?DRTZ?ppBm??pA1?pA2??4

??3.2895?0??3.45?10?7

?0.256?108.314?298?0.1?101.32599.8kmol/?m?s?2

【5-11】 用教材图5-10（例5-4附图）所示的装置，在温度为48℃、总压力为101.325kPa条件下，测定CCl4蒸气在空气中的分子扩散系数。48℃时，CCl4的饱和蒸气压为37.6kPa，液体密度为1540kg/m3。垂直管中液面到上端管口的距离，实验开始为2cm，终了为3cm，CCl4的蒸发

时间为1.556?104s。试求48℃时，CCl4蒸气在空气中的分子扩散系数。

解 计算48℃时CCl4蒸气在空气中的分子扩散系数，计算式为

D?RT??Z?Z022??2pM?lnpp?pA

已知CCl4液体密度??1540 kg/m3

48℃时CCl4的饱和蒸气压p?A?37.6kPa总压p?101.325kPa，T?273?48?321K 开始Z0?2cm，终了ZCCl4的蒸发时间??3cm

4?1.556?10s

CCl4的摩尔质量M?154 kg/kmol 摩尔气体常数R?8.314 kJ／(kmol?K) 已知数据代入计算式，得扩散系数D?0.0912cm/s2

【5-12】用清水在吸收塔中吸收混合气中的溶质A，吸收塔某截面上，气相主体中溶质A的分压为5kPa，液相中溶质A的摩尔分数为0.015。气膜传质系数kY传质系数kX?2.5?10kmol/(m?s)?52，液膜。总压

?32?3.5?10kmol/(m?s)。气液平衡关系可用亨利定律表示，相平衡常数m?0.7为101.325kPa。

试求：(1)气相总传质系数KY，并分析吸收过程是气膜控制还是液膜控制；(2)试求吸收塔该截面上溶质A的传质速率NA。

解 (1)气相总传质系数KY

1KY?1kY?mkX?12.5?10?5?0.73.5?10?3?4?10?2?1042

KY?2.488?10?5?4.0?241 0kmol/?m?s?

2气膜阻力1/kY?4?10(m?s)/kmol42，液膜阻为m／kx?2?10(m?s)/kmol22。

68

气膜阻力与总阻力的比值为(2)传质速率NA

Y?pAp?pA?5101.325?51/kY1/KY?4?10444.02?10?0.995，为气膜控制。

?0.0519

X?xx?1?0.0151?0.015?0．0152，Y*?mX?0.7?0．0152?0．0106?5

kmol/?m.s?2NA?KY?Y?Y*??2.488?10??0.0519?0.0106??1.03?10?6

【5-13】根据pA?py，pi?pyi及cA?cx，ci?cxi，试将传质速率方程

NA?kG(pA?pi)?kL?ci?cA?变换成NA?ky?y?yi??kx?xi?x?的形式。ky与kG、kx与kL有何关系。

解 NA?kG?pA?pi??kG?py?pyi?=pkG?y?yi??ky?y?yi? 式中

ky?pkG

NA?kL?ci?cA??kL?cxi?cx??ckL?xi?x??kx(xi?x)式中 kx?ckL

吸收塔的计算

【5-14】从矿石焙烧炉送出的气体含体积分数为9%的SO2，其余视为惰性气体。冷却后送入吸收塔，用水吸收其中所含SO2的95%。吸收塔的操作温度为30℃，压力为100kPa，每小时处理

330℃、100kPa时的体积流量）的炉气量为1000m（，所用液-气比为最小值的1.2倍。求每小时的用水

量和出塔时水溶液组成。平衡关系数据为

液相中SO2溶解度／kg?SO2???100kg(H2O)? 气相中SO2平衡分压/kPa ?17.5 5.0 2.5 1.5 1.0 0.5 0.2 0.1 91.7 60.3 28.8 16.7 10.5 4.8 1.57 0.63 解 ①最小液一-比?y1?0.09, Y1?Y?Y2?L??1?*X1?X2?G?min=0.091?0.09的计算

y11?y1=0.0989

??0.95,Y2?(1??)Y1??1?0.95??0.0989?0.00495

吸收剂为水，X2?0，总压p?100kPa

09?9kPa 原料气中SO2分压PSO?py1?100?0．2868从平衡数据内插，得液相平衡溶解度0．kgSO2100kgH2O?3

换算为摩尔比

X1?*0.868/64100/18?2.44?10

69

最小液-气比 ②用水量计算

?L????G?m?inY1 ?Y2X?X2*1?0.0989?0.004950.00244?38.5

?L?L/G?1.2???1.2?38.5?46.2?G?min

k1P0 0a)已知炉气流量

1000m /h( ℃3，03标准状态下理想气体的摩尔体积为22.4 m3/kmol(273.15K，101.325kPa) 炉气的摩尔流量为

1000?273.15303.15?100101.325?122.4?39.7kmol/h

惰性气体流量 G?39.（71?．）009?吸收用水量

L?46.2?3.6?1.3k6m1ol /16k6m8ol /h

?18?166?8?3k1g0/ h4③出塔水溶液的组成

X1?Y1?Y2L/G?0.0989?0.0049546.2?2.03?10?3

【5-15】在一吸收塔中，用清水在总压0.1MPa、温度20℃条件下吸收混合气体中的CO2，将其组成从2%降至0.1%（摩尔分数）。20℃时CO2水溶液的亨利系数EX1。

?144MPa。吸收剂用量为

最小用量的1.2倍。试求：(1)液-气比L/G及溶液出口组成X1。(2)试求总压改为1MPa时的L/G及

解 (1)总压p?0.1MPa时L/G及X1

Y1?y11?y1?0.021?0.02?0.02041, Y2?0.001，X2?0

m?E/p?144/0.1?1440

Y1?Y20.02041?0.001?L????1369??Y1/m?X20.02041/1440?0?G?min?L??1.2???1.2?1369?1643 G?G?minL

X1?X2?GL?Y1?Y2??0?0.02041?0.0011643?1.18?10-5

(2) 总压p?1MPa时的L/G及X1

m?E/p?144／1?144 (L/G)min?0.02041?0.0010.02041/144?136.9

L/G?1.2(L/G)min?1.2?136.9?164.3 X1?0.02041?0.001164.3?1.18?10?4

从上述计算结果可知，总压从0.1MPa增大到1MPa，溶液出口组成从1.18?10?5增加到

70

1.18?10?4。

【5-16】用煤油从苯蒸气与空气的混合物中回收苯，要求回收99%。入塔的混合气中含苯2%（摩尔分数）；入塔的煤油中含苯0.02%（摩尔分数）。溶剂用量为最小用量的1.5倍，操作温度为50℃，压力为100kPa，相平衡关系为Y*?0.36X，气相总传质系数KYa?0.015kmol／(m?s)3。入

2塔混合气单位塔截面上的摩尔流量为0.015kmol／(m?s)。试求填料塔的填料层高度，气相总传质单

元数用对数平均推动力法及吸收因数法的计算式计算。

解 (1)气相总传质单元高度HOG计算 入塔混合气的流量

G'2Ω=?0.015 kmol／(m?s)

y0.02,K?0.015 kmol／?m31?Ya?s?

惰性气体流量

GΩ?G'Ω?1?y1??0．015??1?0．02??0.0147kmol／(m2?s)

HG0.0147OG?K?

YaΩ0.015?0．98 m(2) 气相总传质单元数HOG计算

Yy10.021?1?y???0．99

10.98?0．0204，回收率Y?Y1???= 0.0204?1?0.99?= 2.04?10?421?

x2?0.0002,X2?x2?0.0002

①吸收因数法计算NOG

X*1?Y1／m?0.0204／0.36?0.0567

LY?Y20.0204?G?1.5?L??.5?10.000204?G??1?X*?1.5??0.536

min1?X20.0567?0.0002mG.36L?00.536?0.672

N1OG?ln??mG??1?Y1?mX2mG?

1?mG???L???YL?2?mX2?L1?.?

?1?0.67l2n7??0020?4.0?36.00?002??1?0.66??2?.0000?20.4?0.36??.0?000?072? 2?12② 对数平均推动力法计算NOG

L1?Y2G?YX1?X

2X1?Y21?X2?YL/G

71

*?0.0002?0.0204?0.0002040.536?0.0379

Y1?mX1?0.36?0.0379?0.0136*

?3Y2?mX2?0.36?0.0002?0.000072*?Y1?Y1?Y1?0.0204?0.0136?6.8?10*?3?3

?3?Y2?Y2?Y2?0.204?10?0.072?10?0.132?10

?Ym??Y1??Y2ln?Y1?Y2??6.8?10?3?0.132?106.80.132?12?3?1.69?10?3lnNOG?Y1?Y2?Ym0.0204?0.0002041.69?10?3

(3)填料层高度Z计算

Z?HOGNOG?0.98?12?11.8m

【5-17】混合气含CO2体积分数为10%，其余为空气。在30℃、2MPa下用水吸收，使CO2

的体积分数降到0.5%，水溶液出口组成X1?6?10?4（摩尔比）。混合气体处理量为2240m3?188MPa/h（按

标准状态，273.15K, 101325Pa），塔径为1.5m。亨利系数EKL?a?50kmol，(m?h?kmol/m)33，液相体积总传质系数

。试求每小时用水量及填料塔的填料层高度。

解 (1)用水量计算

y1?0.1，Y1?0.10.9?0.111，Y2?0．005,Y2 ?224022.4?100kmol／h0.0050.995?5.03?10?3，X1?6?10?4，X2?0

混合气流量

G'?

9k0／mo lh惰性气体流量 G?G?'1?1y??10?01??0.1?用水量

L?G(Y?12Y)90(0111.?000503.)?4??159.?10kmol /h?4X1?X26?1045

?1.59?10?18?286.?10kgh/

(2) 填料层高度Z计算 水溶液的总浓度 体积传质系数

c??s/Ms?995.7/18?55.3kmol/m5?03

3KXa?cKLa?55.3?27kmol65 /m(?h )液相总传质单元高度

HOL?LKXaΩ?1.59?276?51024?4

?(.1)5

?3.26m

72

因NmX21?mX'2OG?N'Y1?OG，故

Y ?a?

2?mX?Y2Y'2?mX' 2Y1?0.1,Y2?Y1(1??)?0.1?(1?0.95)?0.005 X2?0，X'2?0.0001

查得30℃时CO2水溶液的E?188MPa

m?E/ p?188/2?94

将上述数据代入式(a)

0.1?00.1?94?0.00010.005?0?Y'2?94?0.0001 Y'2?0.0139

解得新工况的吸收率?'?1?Y'2/Y1?1?0．0139/0.1?0.861 吸收液组成计算 已知L/G?180

原工况

X1?GL?Y1?Y.1?0.0052??X2?0180?0?0.000528

新工况

X'G1?L?Y1?Y'2??X'.1?0.01392?0180?0.0001?0．000578

平均传质推动力的计算 方法①

按原工况计算NOG

mG／L?94/180?0.5222

NOG?11?0.5222ln??1?0.5222??0.1?0?????0??0.5222???4.84

??0.005?原工况

?Y?Y2m?Y1N?0.1?0.005OG4.84?0.0196

因 N'OG?NOG?4.84 新工况 ?Y'Y1?Y'2m?N'?0.1?0.0139OG4.84?0.0178

方法② 原工况 ?Y1?Y*1?Y1?Y1?mX10.?19?4.0?00052.8?0 05037 ?Y-Y*2=Y22=Y2 ?mX2 ?0.005-0?0. 005

?Y?Y1??Y2005m??0.05037?0..0196

1n?Y1?Y1n0.05037?020.005新工况 ?Y1?Y1?mX'20?.1?94?.000057?.80 04567 ?Y''2?Y1?mX2?0.0139?94?0.0001?0.0045

?Y'Y20.04567?0.0045m??Y1??1n?Y?1?Y1n0.04567?0.0178

20.0045从上述计算结果可以看出：

78

当吸收剂组成 由X2?0增加到X'1?0.000时，1 传质推动力 由?Y'm?0.019降为6?Ym?0.017 8溶质吸收率 由??0.95降为?'?0.861

吸收液组成 由X增至28X'1?0.00051?0.0005 78对现有吸收塔，吸收剂入塔组成增大，使传质推动力降低，而导致溶质吸收率下降。

如果不需要计算平均传质推动力的数值，而只需对比，则可如下计算。N'OG?NOG

新工况?Y’mY''2?/NOG原工况???Y1?Y'?Y1?Y'2?0.1?0.0139m?Y1?Y2?/N'OGY1?Y20.1?0.005?0.906

(2) X2?0，操作温度从30℃改为20℃ 查得20℃时CO2水溶液的E?144 MPa

m?E/p?144/2?72 新工况的Y'2计算

mGL?72180?0.4

原工况 NOG?4.84（前面已计算） 新工况

N'1OG?mG1n???mG?1???Y1?mX2?mG?L??Y'?mX??L?

1??????22???L?10.61n?0.1?0??0.6?'?0

?Y?0.4?2?因

NOG?N'OG?4.84 4.84?10.61n?0.06???0.

?Y'4?2?1n?0?.06?0.4???2.904

?Y'2?e2.904?0.06Y'?0.4

2Y'2?0.00336

新工况的吸收率 ?'?1?Y'2/Y1?1?000336.0/1?.0966.

吸收液组成计算

原工况 X1?0.0005(2前面已计算8) 新工况

X'G'1?L?Y1?Y2??X2?0.1?0.00336180?0?0.000536

79

平均传质推动力计算 原工况 因

No'?Ym?Y1?Y2NOG?0.1?0.0054.84?0.0196（前面已计算）

G?N'moG ?4.84Y1?Y2NoG''新工况

?Y??0.1?0.003364.84?0.02

从上述计算结果可知，对现有吸收塔，当操作温度降低，平衡线斜率减小（即m减小），传质推动力增大，导致溶质的吸收率增大。

(3) X2?0，温度30℃，m=94

原工况 L/G?180 mG／L?94/180?0. 522 新工况

L/G?200 m?G/L9?4./20 00 47新工况的Y2'计算

原工况 NOG?4.84（前面已计算） 新工况

NOG?'??mG??Y1?mx2?mG?ln??1??????'mGLLY?mX?????22???1?L1oG

因

NO'G?N ?4.84?.?0 47??

4.84???0.1??0n1???1.0??47'??1?0.47??Y2?0??1解得

3Y2?0.0042'新工况的吸收率 ?'?1?Y2'/Y1?1?0.00423/0.1?0.958 吸收液组成计算 原工况 新工况

X1?0.0005(2前8已计算 )'X1?G2(Y1?Y2)?X2?'0.1?0.00423200?0?0.000479

平均传质推动力计算 原工况 新工况

?Ym?''Y1?Y2NOGoG?0.1?0.0054.84?0.019（6前已计算）

NO?YG?N ?4.84''m?Y1?Y2NOG'?0.1?0.004234.84?0.0198

从上述计算结果可知，对现有吸收塔，当吸收剂用量增加，操作线斜率增大，传质推动力增大，导致溶质的吸收率增大。

【5-22】有一逆流操作的吸收塔，其塔径及填料层高度各为一定值，用清水吸收某混合气体

80

中的溶质。若混合气体流量G，吸收剂清水流量L及操作温度与压力分别保持不变，而使进口混合气体中的溶质组成Y1增大。试问气相总传质单元数NOG、混合气出口组成Y2、吸收液组成X1及溶质的吸收率η将如何变化？并画出操作示意图。

解

①填料层高度Z已定，且气象总传质单元高度HOG?GKYaΩ不变，故NOG?ZHOG不变。

②物系一定，操作温度及压力不变，故气液相平衡常数m一定，且G及L不变，故L/Gm一定。因NOG与L/Gm各为一定值，从教材中NOG的计算式（5-76）或图5-23可知且吸收剂为清水，故X2=0，则

Y2Y1Y2?mX2Y1?mX2为一定值。

为一定值。即随着Y1的增大，Y2按一定比例增大。如习题5-22

附图所示，气相进口组成由Y1增大到Y1'，则气相出口组成由Y2增大到Y2'.

③操作线斜率L/G不变，因Y1增大到Y1'，附图中的操作线由TB线平行上移为T‘B’线。T‘B’

线与水平的等Y’线交垫横坐标X1'为新条件下的液相出口组成。即吸收液组成由X1增大到X1'。

④由第②问的分析结果可知

Y2Y1''?Y2Y1=一定值，故吸收率??1?Y2Y1不变。

Y'1

T'B'

Y2

'

B

Y1 T

Y2X2

X1

X1

'

习题5-22附图

解吸塔计算

【5-23】由某种碳氢化合物(摩尔质量为113 kg/kmol)与另一种不挥发性有机化合物（摩尔质量为135kg/kmol）组成的溶液，其中碳氢化合物占8%（质量分数）。要在100℃、101. 325kPa（绝对压力）下，用过热水蒸气进行解吸，使溶液中碳氢化合物残留0.2%（质量分数）以内，水蒸气用量为最小用量的2倍。气液相平衡常数m=0.526，填料塔的液相总传质单元高度HOL= 0.5m。试求解吸塔的填料层高度。

习题5-23附图

81

解

*?G????L?m?inX1?X2Y1?Y2*

Y1?mX1?0.526?0.104?0.0547 G0.104?0.00239?G??2???2??3.72 LL0.0547?0??minLmG?10.0526?3.72?0.511

NoL???L??X1?Y2/m?L?1n??1??????LmGX?Y/mmG?????22???1?mG1

?0.104??1n??1?0.511??0.511??6.31?0.511?0.00239?1

Z?HOL?NOL?0.5?6.3?3.15m

传质系数计算和吸收剂部分循环

【5-24】 现一逆流吸收填料塔，填料层高度为8m，用流量为100kmol/（㎡·h）的清水吸收空气混合气体中某溶质，混合气体流量为600Nm3/（㎡·h），入塔气体中含溶质0.05（摩尔分数，下同），实验测得出塔气体中溶质的吸收率为95％。已知操作条件下的气液相平衡关系为Y=2.8X。设吸收过程为气膜控制。

（1） 计算该填料的气相总体积传质系数；

（2） 吸收过程中，将吸收后吸收液的50％送入解吸塔解吸后循环使用，解吸后的液体含氨

0.004，若维持进吸收塔总液体量不变，计算纯水和解吸后液体混合后从塔顶加入情况下，出塔气体中溶质的摩尔分数。 解（1）Y1?y1?0.051-y11-0.05?0.0526

y21-y20.00251-0.0025吸收率为95％时，y2=0.05（1－0.95）＝0.0025，Y混合气体流量G＝600／22.4=26.8 kmol/（㎡·h） 液气比LG?10026.8?3.732???0.0025

?2.83.73?0.75

吸收因数S?mGL气相总传质单元数NOG

NOG??? Y-mX2ln??1-S?1?S?1-S?Y2-mX2?1NOG?0.0526-0??ln??1-0.75??0.75??7.171-0.750.0025-0??1

气相总传质单元高度HOG

HOG ?HNOG?87.17?1.12m

82

气相总体积传质系数KYa?GHOG?26.81.123?23.9kmol/(m?h)

（3） 纯水和解吸后液体混合后的组成X2

X2L?0?L2?0.004?L2

X2=0.002

出塔气体中溶质摩尔分数

NOG?Y1-mX?ln??1-S?'1-S?Y2-mX?1'2'2??S? ??7.17??0.0526-2.8?0.002ln??1-0.75??0.75'1-0.75?Y2-2.8?0.0021?? ?Y2?0.00784y?'2'

0.007841?0.00784?0.00777Y21?Y'2'?

多股进料进料位置和方式不同对填料层高度的影响

【5-25】在101.3kPa、25℃的条件下，采用塔截面积为1.54 Y2 G X2 L ㎡的填料塔,用纯溶剂逆流吸收两股气体混合物的溶质，一股气 体中惰性气体流量为50kmol/h，溶质含量为0.05（摩尔比，下同），另一股气体中惰性气体流量为50kmol/h，溶质含量为0.03，要求溶质总回收率不低于90％，操作条件下体系亨利系数为279 kPa，试求：

（1） 当两股气体混合后从塔底加入，液气比为最小液气比的

1.5倍时，出塔吸收液浓度和填料层高度（该条件下气相总体积传质系数为30 kmol/（h ·m3），且不随气体流量而变化）；

（2） 两股气体分别在塔底和塔中部适当位置（进气组成与塔

内气相组成相同）进入，所需填料层总高度和适宜进料位置，设尾气气体组成与（1）相同。

（3） 比较两种加料方式填料层高度变化，并示意绘出两种进料情况下的吸收操作线。

解 根据题意吸收流程如图5-14所示： （1） 混合后气体摩尔比浓度：

Y1m?GaYa?GbYbGa?GbY2 G X2 L YbVb Xb Y 1m G X1 L YaGa X1 L YaGa YbVb 习题5-25附图

?0.04

Y1m?50?0.05?50?0.0350?50 83

出塔气体浓度：

Y2?Y1m(1-?)?0.04??1-0.90??0.004

物系的相平衡常数m?EP?279101.3?2.75,X2=0

?1.5?m?1.5?0.90?2.75?3.72

L?操作液气比L?1.5???G?G?min?1.5Y1m-Y2Ym1m?X2X1＝X2?G?Y1m-Y2?L＝0.04-0.0043.72G??0.00968

?2.17m传质单元高度HOG?S?mGL?2.753.72?0.7450?5030?1.54

KYa?

NOG???1ln?(1?S)?S?1?S?1-??1

NOG?1??ln?(1?0.74)?0.74??4.64

1?0.741-0.90??1 Z?NOG?HOG ?2.17 ?4.64?10.07m（2）

当两股气体分别进入吸收塔，高浓度在塔底进入，低浓度在如图5-14所示塔中部进入，

吸收塔分为两部分，塔内液气比不同，填料层高度分两段计算。

上段填料层高度：

对于塔上部：进塔气体组成为Yb?0.03，出塔气体组成为Y2?0.004，液气比L/V＝3.72，塔中部液体组成Xb＝传质单元高度HOG1?S1?mGL?0.74

1??S1??G?Yb-Y2?LGKYa?＝0.03-0.0043.72?0.00699。

?2.17m

NOG1??Y?mXln?(1?S1)b1?S1?Y2?mX22

NOG1?0.03??ln?(1?0.74)?0.74??3.811?0.740.004??1

Y Ya Ym Yb Y2 Z1?NOG1?HOG1 ?3.81?2.17?8.27m

第二股气体进塔位置距塔顶8.27m处。

下段填料层高度：

对于塔下部：进塔气体组成为Ya?0.05，中部气体

A D C B E

O Xb X1 习题5-25附图 84 X 组成为Yb?0.03，液气比L/G＝3.72X2＝7.44，进塔液体组成Xb＝0.00699。 传质单元高度HS2?mG/2LOG2?G/2KYa??1.085m

?0.37

??S2??NOG2?11?S21?Ya?mXln?(1?S2)Yb?mX?bb

NOG2?0.05-2.75?0.0069??ln?(1?0.37)?0.37??1.211?0.370.03-2.75?0.0069??

Z2?NOG2?HOG2 ?1.21?1.085?1.31m

Z?Z1?Z2?8.27?1.31?9.58m

（3）气体混合后进入吸收塔的操作线如图5-15为ABC，分别在适宜位置进入吸收塔的操作线为ABD，从操作线距离平衡线的距离看，气体混合后进入吸收塔的操作线靠近平衡线，传质推动力降低，所以填料层高度增加。吸收是分离过程，而组成不同的气体先混合是返混，返混对吸收不利，故填料层高度增加。

85

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