化工原理第七章

1、第7 章 習(xí)題解答1.含量為0.02（摩爾分?jǐn)?shù)）的稀氨水在20時(shí)氨平衡的分壓為1.66kPa，氨水上方的總壓強(qiáng)為常壓，在此含量下相平衡關(guān)系服從亨利定律，氨水的密度可近似取1000kg/m3，試求算亨利系數(shù)E、H和m的數(shù)值各是多少？解: (1)由 可得 (2) 取1kmol氨水為基準(zhǔn)，其中含0.98kmol水與0.02kmol氨，總摩爾體積為 氨水的總摩爾濃度為氨的摩爾濃度 由 ,可得 (3)由 2. 在01.33kPa、20時(shí)，氧氣在水中的溶解度可用Po2=4.06×106x表示，式中PO2為氧在氣相中的分壓，kPa，x為氧在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)。試求在此溫度及壓強(qiáng)下與空氣充分接觸后的水

2、中，每立方米溶有多少克氧。解：氧在空氣中的摩爾分率為0.21,故 在本題濃度范圍內(nèi)亨利定律適用，由查附錄表1可知，20時(shí)氧在水中的亨利系數(shù)E=4.06×106kPa,因x值甚小,所以溶液密度可按純水計(jì)算,即取=1000kg/m3,所以單位體積溶液中的溶質(zhì)的摩爾濃度為則每立方米溶解氧氣質(zhì)量為3.一直徑為25mm的萘球懸掛于靜止空氣中，進(jìn)行分子擴(kuò)散。系統(tǒng)溫度為20，已知該溫度下萘的蒸汽壓為1.3×,萘在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)，距萘球足夠遠(yuǎn)處萘的濃度為零。求萘球單位表面、單位時(shí)間的揮發(fā)量。解:萘球的揮發(fā)屬單向擴(kuò)散，但因萘球的蒸汽壓很小，氣相濃度較低，故漂流因子可取為1。設(shè)萘的半徑為R，

3、距球心r處萘濃度為c（）。則萘球表面單位時(shí)間的揮發(fā)量為 單位時(shí)間通過(guò)半徑為r球面的擴(kuò)散量可根據(jù)費(fèi)克定律計(jì)算，即 因萘球揮發(fā)速度很慢，可作為擬定態(tài)處理，故 積分上式 式中C萘球表面空氣中的萘的濃度，。 4.氨氣通過(guò)靜止的空氣薄層進(jìn)行定態(tài)單向擴(kuò)散，系統(tǒng)總壓101.33kP，靜止氣層兩邊的氨氣分壓各為20kPa及13.33kPa,實(shí)驗(yàn)測(cè)得的傳質(zhì)系數(shù)為。如果在相同的操作條件和組分濃度下，氨和空氣進(jìn)行等分子反向擴(kuò)散，試求：(1)此時(shí)的傳質(zhì)系數(shù)(2)此時(shí)的傳質(zhì)速率。分析：?jiǎn)蜗驍U(kuò)散速率 等分子反向擴(kuò)散速率 可知在同樣操作條件和組分濃度下，單向擴(kuò)散速率和傳質(zhì)系數(shù)較之等分子反向擴(kuò)散的和分別大倍。解：（1） 由有

4、5.某低濃度氣體在被吸收時(shí)，平衡關(guān)系符合亨利定律，溶解度系數(shù)H=1.3kmol/(m3.kPa),若已知?dú)庀鄠髻|(zhì)系數(shù)kG=2.50×10-7kmol/(m2.s.kPa)，液相傳質(zhì)系數(shù)kL=6.85×10-5m/s，試求氣相總傳質(zhì)系數(shù)KG,并分析該吸收過(guò)程的控制因素及氣體溶解的難易程度。解: 因系統(tǒng)符合亨利定律,所以 由于 ,該吸收為氣相控制,為易溶氣體.6.在101.33kPa、0下的,O2與H2S混合氣體發(fā)生穩(wěn)定的分子擴(kuò)散過(guò)程。已知相距0.2cm的兩截面上的 O2的分壓分別為13.43kPa和 6.70kPa，又知擴(kuò)散系數(shù)為0.180cm2/s，試計(jì)算下列兩種情況下 O

5、2的傳遞速率，（1） O2與H2S兩種氣體作等分子反向擴(kuò)散；（2）H2S氣體為停滯組分。解: (1) 等分子反向擴(kuò)散時(shí)O2的傳遞速率 已知 D=0.180cm2/s=1.80×10-5 (m2/s) T=273K, P=101.3kPa, z=0.2cm=2×10-3m pA1=13.43kPa, pA2=6.70kPa,代入上式得(2) O2通過(guò)停滯H2S的擴(kuò)散速率7.對(duì)低含量氣體吸收或解吸，由出發(fā)，試證明 證明 已知?jiǎng)t同理可得 即 得 所以 8.在直徑為1m的填料吸收塔內(nèi)，用清水作溶劑，入塔混合氣流量為100 kmol/h，其中溶質(zhì)含量為6%（體積），要求溶質(zhì)回收率為9

6、5%，取實(shí)際液氣比為最小液氣比的1.4倍，已知在操作條件下的平衡關(guān)系為，總體積傳質(zhì)系數(shù)，試求：（1）出塔液體組成；（2）所需填料層高； （3）若其他條件不變，將填料層在原有基礎(chǔ)上，加高，吸收率可增加到多少？解：（1）利用液氣比與組成的關(guān)系可求出塔液體組成 填料層高可由傳質(zhì)單元數(shù)法計(jì)算 (3)其他條件不變，僅增加填料層高度，實(shí)際就是不改變傳質(zhì)單元高度而增加傳質(zhì)單元數(shù)。故可通過(guò)傳質(zhì)單元數(shù)與組成的關(guān)系計(jì)算出塔高增加后的出塔氣相組成，進(jìn)而求出吸收率。 9.在填料塔內(nèi)用清水逆流吸收空氣中的丙酮蒸氣，丙酮初始含量為（體積），若在該塔中將其吸收掉，混合氣入塔流率，操作壓力，溫度，此時(shí)平衡關(guān)系可用表示，體積總

7、傳質(zhì)系數(shù)，若出塔水溶液的丙酮溶度為平衡濃度的，求所需水量和填料層高。該塔逆流操作。解：所需水量可由全塔物料衡算求出 由，得 填料層高度可由傳質(zhì)單元數(shù)法計(jì)算。在計(jì)算傳質(zhì)單元高度時(shí)應(yīng)注意體積總傳質(zhì)系數(shù)的表達(dá)方式要符合要求。 10.流率為50 kmol/(m2.h)的空氣混合氣中含氨體積分?jǐn)?shù)為2%，逆流吸收操作回收其中95%的氨。塔淋入摩爾分?jǐn)?shù)為0.0004的稀氨水溶液,設(shè)計(jì)采用的液氣比為最小液氣比的1.5倍。已知相平衡關(guān)系為y=1.2x , 所用填料的體積總傳質(zhì)系數(shù)。試求：（1）液體在塔底的摩爾分?jǐn)?shù)x1；（2）所需塔高。解：(1) 吸收塔出口空氣中含氨的摩爾分?jǐn)?shù)為 根據(jù)物料衡算 ，得（2）則吸收塔

8、的平均推動(dòng)力為傳質(zhì)單元數(shù)為傳質(zhì)單元高度為所以吸收塔填料層高度11.在一逆流操作的填料吸收塔中用清水吸收空氣中某組分A，已知操作條件下平衡關(guān)系為，入塔氣體中A的含量為6%(體積)，吸收率為96%，取吸收劑用量為最小用量的1.2倍，試求：(1)出塔水溶液的濃度；(2)若氣相總傳質(zhì)單元高度為0.8，現(xiàn)有一填料層高為8的塔，問(wèn)是否能用？解：對(duì)低濃度系統(tǒng)，計(jì)算時(shí)可用摩爾分?jǐn)?shù)代替摩爾比，用混合氣體量代替惰性氣體量，用溶液量代替溶劑量。 (1) (2) 故此塔不能用。12.在某填料吸收塔中用清水逆流吸收空氣-氨低濃度混合氣中的氨，已知操作條件下平衡關(guān)系滿足亨利定律，該塔的氣相總傳質(zhì)單元高度為0.6m，當(dāng)液氣

9、比為最小液氣比的1.4倍時(shí)，吸收率可達(dá)95%，試求：(1) 該塔填料層高度；(2) 液相總傳質(zhì)單元數(shù)。 解：此題沒(méi)有給出氣液流量，只給出了入塔液相為清水，故要用解吸因數(shù)法計(jì)算。 (1) (2) 以乘得 以 乘得 故 又 所以 13.有一填料塔，填料層高1.3m ，用清水吸收空氣中的丙酮，氣液作穩(wěn)定逆流操作。進(jìn)入塔內(nèi)的混合氣中含有5%(體積)丙酮，其余為空氣。操作時(shí)液氣比為。實(shí)驗(yàn)測(cè)得出口氣體中的丙酮為1.8%(體積)。設(shè)此時(shí)的平衡關(guān)系可按y=1.6x 計(jì)算(y、x均為摩爾分?jǐn)?shù))。本題按低濃度吸收計(jì)算。（1）試求在上述操作條件下該填料層的氣相總傳質(zhì)單元高度； (2) 假設(shè)將氣液逆流操作改為并流向下

10、操作，并設(shè)此時(shí)的傳質(zhì)單元高度與逆流時(shí)相同，又若進(jìn)口水、氣的流量和濃度與逆流時(shí)相同，則出口氣體中的丙酮含量為多少？解：(1) (2) 分析：可通過(guò)傳質(zhì)單元數(shù)與氣相組成 的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。通常傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算方法有兩種：一種是解吸因子法，該法是從逆流操作條件下推出的，故不能用于并流；另一種是對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法，從對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力的物 理意義可知該法對(duì)逆流、并流皆適用。 方法一 如7-13附圖 所示，并流操作時(shí)出塔氣體 中丙酮濃度為yB。已知填料塔高度一定， 習(xí)題7-13 附圖 由題給條件可知不變，故也不變，仍為1.52。 得 代入 代入 所以 解出 方法二 由傳質(zhì)單元數(shù)的定義積分求解 由物料衡算，得 代

11、入上式積分，并將已知值代入可求得 解出 14. 某填料吸收塔，用清水吸收某氣體混合物中的有害物質(zhì)A，若進(jìn)塔氣中含A 5%（體積），要求吸收率為99%，液體流率為3000m3/h，此時(shí)的液氣比是最小液氣比的1.5倍。如果物系服從亨利定律，已知塔內(nèi)操作溫度為25,平衡關(guān)系為，取空塔氣速為1.1m/s，氣相體積傳質(zhì)分系數(shù)，試求：(1)用水量和塔底排出液組成x1；(2)填料層高度Z；(3)若入塔水中A的含量為0.001%(摩爾分?jǐn)?shù))，問(wèn)即使填料塔層高度可隨意增加，能否達(dá)到99%的去除率? 解: (1) (2) (3) 當(dāng)x2=0.001時(shí)，有，比要求的大，故增高填料層不能達(dá)到要求。15混合氣含CO2體

12、積分?jǐn)?shù)為10%，其余為空氣。在30、2MPa下用水吸收，使CO2的體積分?jǐn)?shù)降至0.5%，水溶液出口組成X1=0.0006（摩爾比）?；旌蠚怏w處理量為2240 m/h（按標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），塔徑為1.5m。亨利系數(shù)E=188 MPa，液相體積總傳質(zhì)系數(shù)，試求每小時(shí)用水量及填料層高度。解: (1)用水量計(jì)算混合物氣流量 惰性氣體流量 用水量 (2)填料層高度Z計(jì)算水溶液的總濃度 體積傳質(zhì)系數(shù) 液相總傳質(zhì)單元高度 對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法計(jì)算NOG氣液相平衡常數(shù) 液相總傳質(zhì)單元數(shù) 吸收因數(shù)法計(jì)算NOL填料層高度16.有一吸收塔，填料層高度為3m，在常壓、20用清水來(lái)吸收氨和空氣混合氣體中的氨。吸收率為99%，進(jìn)口氣

13、體中含氨6 %（體積），進(jìn)口氣體速率為600 kg/(m2.h)，進(jìn)口清水速率為800kg/(m2.h)，假設(shè)在等溫條件下逆流吸收操作，平衡關(guān)系，且與氣體質(zhì)量流速的0.8次方成正比，分別計(jì)算改變下列操作條件后，達(dá)到相同分離程度所需填料層高度。(1)將操作壓強(qiáng)增加一倍（p=202.6kPa），其他條件不變；(2)將進(jìn)口清水量增加一倍，其他條件不變；(3)將進(jìn)口氣體流量增加一倍，其他條件不變。解：Z=3m，P=101.3kPa，T=293K混合氣體平均分子量（1） 由 ，可知故 故知HOG隨操作壓強(qiáng)而變化：則 即所需填料層高度較原來(lái)減少1.801m。（2） 則 液體質(zhì)量流速的增加對(duì)總吸收系數(shù)KGa

14、無(wú)顯著影響。故 則 即所需填料層高度較原來(lái)減少0.603m。（3）氣體質(zhì)量流速增加，總吸收系數(shù)KGa相應(yīng)增大，依題意可知故 則 即所需填料層高度較原來(lái)增加4.82m。 17.用洗油從焦?fàn)t氣中吸收芳烴，所得到的吸收液在解吸塔內(nèi)用過(guò)熱蒸汽進(jìn)行解吸，待解吸的液體初始含量為0.05（摩爾分?jǐn)?shù)），解吸收塔內(nèi)液體流率為108 kmol/（m2.h）。已知在操作條件下的氣液平衡關(guān)系為，總傳質(zhì)系數(shù)Kya為36kmol/m3.h），過(guò)熱蒸汽用量取最小用量的1.2倍，再生后的洗油中芳烴的含量不得超過(guò)0.005，求解吸塔的高度應(yīng)為多少？解: 在最小氣液比下,氣液兩相在塔頂(即氣相出口)達(dá)到平衡狀態(tài),過(guò)熱蒸汽的最小用量為過(guò)熱蒸汽實(shí)際用量為解吸塔出口芳烴含量為解吸塔頂與塔底的傳質(zhì)推動(dòng)力分別為平均推動(dòng)力為解吸塔高度為18.一吸收解吸流程附圖所示：脫苯煤氣 25 120 含苯水蒸氣含苯煤氣 水蒸氣 25 120 富吸收油 貧吸收油 習(xí)題7-18 附圖已知吸收塔塔內(nèi)平均溫度25，平均壓力106.4kPa,進(jìn)氣量，進(jìn)氣中苯含量0.02（摩爾分?jǐn)?shù)，下同），苯的回收率為95%，入塔