化工原理第五章吸收課后習(xí)題及答案

化工原理第五章吸收課后習(xí)題及答案

第五章吸收相組成的換算【5-1】空氣和CO2的混合氣體中，CO2的體積分?jǐn)?shù)為20%，求其摩爾分?jǐn)?shù)y和摩爾比Y各為多少？解因摩爾分?jǐn)?shù)=體積分?jǐn)?shù)，.02y=摩爾分?jǐn)?shù)摩爾比..020251102yYy===--．【5-2】20℃的l00g水中溶解lgNH3,NH3在溶液中的組成用摩爾分?jǐn)?shù)x、濃度c及摩爾比X表示時，各為多少？解摩爾分?jǐn)?shù)//117=0．010*******／18x=+濃度c的計算20℃，溶液的密度用水的密度./39982skgmρ=代替。溶液中NH3的量為/311017nkmol-=?溶液的體積/.33101109982Vm-=?溶液中NH3的濃度//.33311017==0．581／101109982nckmolmV--?=?或.3998200105058218sscxkmolmMρ==?=．．／NH3與水的摩爾比的計算或..00105001061100105xXx===--．【5-3】進(jìn)入吸收器的混合氣體中，NH3的體積分?jǐn)?shù)為10%，吸收率為90%，求離開吸收器時NH3的組成，以摩爾比Y和摩爾分?jǐn)?shù)y表示。吸收率的定義為解原料氣中NH3的摩爾分?jǐn)?shù)0.1y=摩爾比(11101)01111101yYy===--吸收器出口混合氣中NH3的摩爾比為摩爾分?jǐn)?shù)(22200111)=0010981100111YyY==++氣液相平衡【5-4】l00g水中溶解lg3NH，查得20℃時溶液上方3NH的平衡分壓為798Pa。此稀溶液的氣液相平衡關(guān)系服從亨利定律，試求亨利系數(shù)E(單位為kPa)、溶解度系數(shù)H[單位為/()3kmolmkPa?]和相平衡常數(shù)m?？倝簽?00kPa。解液相中3NH的摩爾分?jǐn)?shù)/.//1170010511710018x==+氣相中3NH的平衡分壓*.0798PkPa＝亨利系數(shù)*./.0798*******Epx===／液相中3NH的濃度/./.333110170581101109982nckmolmV--?===?／溶解度系數(shù)/*./../(3058107980728HcpkmolmkPa===?液相中3NH的摩爾分?jǐn)?shù)//1170010511710018x==+．／氣相的平衡摩爾分?jǐn)?shù)**.0798100ypp==／／相平衡常數(shù)*(079807610000105)ymx===?或//.76100076mEp===【5-5】空氣中氧的體積分?jǐn)?shù)為21%，試求總壓為.101325kPa，溫度為10℃時，31m水中最大可能溶解多少克氧？已知10℃時氧在水中的溶解度表達(dá)式為*.6331310px=?，式中*p為氧在氣相中的平衡分壓，單位為kPax；為溶液中氧的摩爾分?jǐn)?shù)。解總壓.101325pkPa=空氣中2O的壓力分?jǐn)?shù).021App==／體積分?jǐn)?shù)空氣中2O的分壓*..021101325ApkPa=?亨利系數(shù).6331310EkPa=?(1)利用亨利定律*ApEx=計算與氣相分壓..021101325ApkPa=?相平衡的液相組成為*...62602110132564210331310ApxkmolOkmolE?===??．／溶液此為1kmol水溶液中最大可能溶解.6264210kmolO-?因為溶液很稀，其中溶質(zhì)很少1kmol水溶液≈1kmol水=18kg水10℃，水的密度.39997kgmρ=／故1kmol水溶液≈.3189997m／水即.3189997m水中最大可能溶解.664210kmol-?氧故31m水中最大可能溶解的氧量為(2)利用亨利定律*AAcpH=計算31m水中最大可能溶解的氧量為*(..)(.).543202110132516761035710AAcpHkmolOm--==??=?／溶液【5-6】含NH3體積分?jǐn)?shù)1.5%的空氣-NH3混合氣，在20℃下用水吸收其中的NH3總壓為203kPa。NH3在水中的溶解度服從亨利定律。在操作溫度下的亨利系數(shù)80EkPa=。試求氨水溶液的最大濃度，33NH／kmolm溶液。解氣相中3NH的摩爾分?jǐn)?shù).0015y=總壓203pkPa=，氣相中3NH的分壓*.2030015AppykPa==?(1)利用亨利定律*pEx=計算與氣相分壓p相平衡的液相中NH3的摩爾分?jǐn)?shù)為3NH水溶液的總濃度./3998218ssckmolmMρ≈=水溶液中3NH的最大濃度.99820038118Accx==?．./33211kmolNHm=溶液(2)利用亨利定律*AAcpH=計算()*(.)..3320300150693211kmolNH/mAAcpH==?=溶液【5-7】溫度為20℃，總壓為0.1MPa時，CO2水溶液的相平衡常數(shù)為m=1660。若總壓為1MPa時，相平衡常數(shù)m為多少？溫度為20℃時的亨利系數(shù)E為多少MPa?解相平衡常數(shù)m與總壓p成反比，.'01時1660，1pMPampMPa===時亨利系數(shù)''166EmpmpMPa===【5-8】用清水吸收混合氣中的NH3，進(jìn)入吸收塔的混合氣中，含NH3體積分?jǐn)?shù)為6%，吸收后混合氣中含NH3的體積分?jǐn)?shù)為0.4%，出口溶液的摩爾比為30012kmolNHkmol．／水。此物系的平衡關(guān)系為*.076YX=。氣液逆流流動，試求塔頂、塔底的氣相傳質(zhì)推動力各為多少？解已知.1006y=，則()/./..111100609400638Yyy=-==已知.20004y=，則()./..32000410004=40210Y=-?已知10.012X=，則*10.760.0120.00912Y=?=已知20X=，則*20Y=塔頂氣相推動力*32224.0210=YYY-?=-?塔底氣相推動力*1110.06380.009120.0547YYY?=-=-=【5-9】CO2分壓力為50kPa的混合氣體，分別與CO2濃度為./3001kmolm的水溶液和CO2濃度為.3005kmolm／的水溶液接觸。物系溫度均為25℃，氣液相平衡關(guān)系*.5166210pxkPa=?。試求上述兩種情況下兩相的推動力（分別以氣相分壓力差和液相濃度差表示），并說明CO2在兩種情況下屬于吸收還是解吸。解溫度25℃t=，水的密度為/3s997kgmρ=混合氣中CO2的分壓為50pkPa=水溶液的總濃度/39718ssckmolmMρ≈=水溶液(1)以氣相分壓差表示的吸收推動力①液相中CO2的濃度.32001AckmolCOm=／水溶液液相中CO2的摩爾分?jǐn)?shù)././4001=180********Axcc-==?與液相平衡的氣相平衡分壓為氣相分壓差表示的推動力*503020pppkPa?=-=-=（吸收）②液相中CO2的濃度30.05kmolm／Ac=水溶液液相中CO2的摩爾分?jǐn)?shù)40.05/9.02710997/18Axcc-===?與液相平衡的氣相平衡分壓為氣相分壓差表示的推動力*15050100pppkPa?=-=-=（解吸）(2)以液相濃度差表示的吸收推動力與氣相250COpkPa=分壓平衡的液相組成為平衡的液相濃度①液相中CO2的濃度./32001AckmolCOm=水溶液液相濃度差表示的推動力為*...3001666001000666kmol／mAAccc?=-=-=（吸收）②液相中CO2的濃度320.05CO/Ackmolm=水溶液液相濃度差表示的推動力為*.../300500166600333AAccckmolm?=-=-=（解吸）吸收過程的速率【5-10】如習(xí)題5-10附圖所示，在一細(xì)金屬管中的水保持25℃，在管的上口有大量干空氣(溫度25℃，總壓101.325kPa)流過，管中的水汽化后在管中的空氣中擴散，擴散距離為l00mm。試計算在穩(wěn)定狀態(tài)下的汽化速率，習(xí)題5-10附圖()2kmolms?／。解25℃時水的飽和蒸氣壓為.32895kPa從教材表5-2中查得，25℃，.101325kPa條件下，H2O在空氣中的分子擴散系數(shù)././2420256025610Dcmsms-==?。擴散距離.m10001Zmm==，總壓101.325pkPa=水表面處的水汽分壓.132895ApkPa=空氣分壓..1110132532895BAppp=-=-管上口處有大量干空氣流過，水汽分壓20Ap=空氣分壓.2101325BpkPa=空氣分壓的對數(shù)平均值為水的汽化速率【5-11】用教材圖5-10（例5-4附圖）所示的裝置，在溫度為48℃、總壓力為.101325kPa條件下，測定CCl4蒸氣在空氣中的分子擴散系數(shù)。48℃時，CCl4的飽和蒸氣壓為37.6kPa，液體密度為/31540kgm。垂直管中液面到上端管口的距離，實驗開始為2cm，終了為3cm，CCl4的蒸發(fā)時間為.4155610s?。試求48℃時，CCl4蒸氣在空氣中的分子擴散系數(shù)。解計算48℃時CCl4蒸氣在空氣中的分子擴散系數(shù)，計算式為已知CCl4液體密度/31540kgmρ=48℃時CCl4的飽和蒸氣壓.376ApkPa=總壓.10132527348321pkPaTK==+=，開始02Zcm=，終了3Zcm=CCl4的蒸發(fā)時間.4155610sθ=?CCl4的摩爾質(zhì)量/154Mkgkmol=摩爾氣體常數(shù).()8314RkJkmolK=?／已知數(shù)據(jù)代入計算式，得擴散系數(shù)./200912Dcms=【5-12】用清水在吸收塔中吸收混合氣中的溶質(zhì)A，吸收塔某截面上，氣相主體中溶質(zhì)A的分壓為5kPa，液相中溶質(zhì)A的摩爾分?jǐn)?shù)為0.015。氣膜傳質(zhì)系數(shù)./()522510Ykkmolms-=??，液膜傳質(zhì)系數(shù)./()323510Xkkmolms-=??。氣液平衡關(guān)系可用亨利定律表示，相平衡常數(shù)0.7m=?？倝簽?101325kPa。試求：(1)氣相總傳質(zhì)系數(shù)YK，并分析吸收過程是氣膜控制還是液膜控制；(2)試求吸收塔該截面上溶質(zhì)A的傳質(zhì)速率AN。解(1)氣相總傳質(zhì)系數(shù)YK氣膜阻力/()/421410Ykmskmol=??，液膜阻為22210()/／xmkmskmol=??。氣膜阻力與總阻力的比值為441/4100.9951/4.0210YYkK?==?，為氣膜控制。(2)傳質(zhì)速率AN【5-13】根據(jù)，Aiippyppy==及，Aiiccxccx==，試將傳質(zhì)速率方程()()AGAiLiANkppkcc=-=-變換成()()AyixiNkyykxx=-=-的形式。yGxLkkkk與、與有何關(guān)系。解()()()()=AGAiGiGiyiNkppkpypypkyykyy=-=--=-式中yGkpk=式中xLkck=吸收塔的計算【5-14】從礦石焙燒爐送出的氣體含體積分?jǐn)?shù)為9%的2SO，其余視為惰性氣體。冷卻后送入吸收塔，用水吸收其中所含2SO的95%。吸收塔的操作溫度為30℃，壓力為100kPa，每小時處理的爐氣量為31000m30100kPa（℃、時的體積流量），所用液-氣比為最小值的1.2倍。求每小時的用水量和出塔時水溶液組成。平衡關(guān)系數(shù)據(jù)為解①最小液一-比*min1212GXX??=?-??的計算吸收劑為水，20X=，總壓100pkPa=原料氣中2SO分壓211000099SOPpykPa==?=．從平衡數(shù)據(jù)內(nèi)插，得液相平衡溶解度220868100kgSOkgHO．換算為摩爾比*././310868642441010018X-==?最小液-氣比*min(1212)00989000495385000244YYLGXX--??===?-??②用水量計算已知爐氣流量/()3100030100mhkPa，℃標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下理想氣體的摩爾體積為3.m/kmol(..)22427315101325KkPa，爐氣的摩爾流量為惰性氣體流量G..kmol/3971009361=-=（．）吸收用水量L..kmol/h4623611668=?=③出塔水溶液的組成【5-15】在一吸收塔中，用清水在總壓.01MPa、溫度20℃條件下吸收混合氣體中的CO2，將其組成從2%降至0.1%（摩爾分?jǐn)?shù)）。20℃時CO2水溶液的亨利系數(shù)144EMPa=。吸收劑用量為最小用量的1.2倍。試求：(1)液-氣比L/G及溶液出口組成1X。(2)試求總壓改為1MPa時的L/G及1X。解(1)總壓./101pMPaLGX=時及(2)總壓1pMPa=時的/1LGX及從上述計算結(jié)果可知，總壓從0.1MPa增大到1MPa，溶液出口組成從.511810-?增加到.411810-??！?-16】用煤油從苯蒸氣與空氣的混合物中回收苯，要求回收99%。入塔的混合氣中含苯2%（摩爾分?jǐn)?shù)）；入塔的煤油中含苯0.02%（摩爾分?jǐn)?shù)）。溶劑用量為最小用量的1.5倍，操作溫度為50℃，壓力為100kPa，相平衡關(guān)系為*.036YX=，氣相總傳質(zhì)系數(shù).()30015／YKakmolms=?。入塔混合氣單位塔截面上的摩爾流量為.()20015kmolms?／。試求填料塔的填料層高度，氣相總傳質(zhì)單元數(shù)用對數(shù)平均推動力法及吸收因數(shù)法的計算式計算。解(1)氣相總傳質(zhì)單元高度OGH計算入塔混合氣的流量G'.kmol(ms)20015Ω=?=／惰性氣體流量()()GG'y.kmol(ms)2110015100200147ΩΩ=-=?-=?．．／(2)氣相總傳質(zhì)單元數(shù)OGH計算..111002002041098yYy===-．，回收率099η=．①吸收因數(shù)法計算OGN②對數(shù)平均推動力法計算OGN(3)填料層高度Z計算【5-17】混合氣含CO2體積分?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)降到0.5%，水溶液出口組成41610X-=?（摩爾比）。混合氣體處理量為/32240mh（按標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，.,27315101325KPa），塔徑為1.5m。亨利系數(shù)188EMPa=，液相體積總傳質(zhì)系數(shù)(/)3350LKakmolmhkmolm?=??，。試求每小時用水量及填料塔的填料層高度。解(1)用水量計算....,...31122010005010111000550310090995yYYY-======?，，．，41610X-=?，20X=混合氣流量2240'10022.4Gkmolh==／惰性氣體流量()()GG'y.kmolh1110010190=-=-=／用水量G(YY)(..)L.kmol/hXX41241290011100050315910610----===?-?(2)填料層高度Z計算水溶液的總濃度/././3995718553sscMkmolmρ≈==體積傳質(zhì)系數(shù)./()3553502765XLKacKakmolmh==?=?液相總傳質(zhì)單元高度.(.)42159102765154OLXLHKaΩπ?==??①對數(shù)平均推動力法計算OLN氣液相平衡常數(shù)188942Emp===液相總傳質(zhì)單元數(shù)②吸收因數(shù)法計算OLN填料層高度...32627389OLOLZHNm=?=?=【5-18】氣體混合物中溶質(zhì)的組成.1002Y=（摩爾比），要在吸收塔中用吸收劑回收。氣液相平衡關(guān)系為*.10YX=。(1)試求下列3種情況下的液相出口組成1X與氣相總傳質(zhì)單元數(shù)OGN(利用教材中圖5-23)，并迸行比較，用推動力分析OGN的改變。3種情況的溶質(zhì)回收率均為99%。①入塔液體為純吸收劑，液-氣比/.20LG=；②入塔液體為純吸收劑，液-氣比.12LG=／；③入塔液體中含溶質(zhì)的組成.200001X=（摩爾比），液-氣比.12LG=／。(2)入塔液體為純吸收劑，最小液-氣比min().／08LG=，溶質(zhì)的回收率最大可達(dá)多少？解(1)求1OGXN與回收率..1099002Yη==，，相平衡常數(shù)m=1①2022XLGLmG===，／，／(2212000020)0010020YmXYmX--==--查圖5-23，得.78OGN=②,.,.201212XLGLmG===／／.2212001YmXYmX-=-查圖5-23，得17OGN=③.,.,.2000011212XLGLmG===／／查圖5-23，得21OGN=計算結(jié)果比較：②與①比較，2X相同，/LG減小時，操作線斜率減小，向平衡線靠近，推動力減小。為達(dá)到一定的溶質(zhì)回收率要求（即達(dá)到一定的2Y要求），OGN需要增大，同時1X也增大了。③與②比較，/LG相同，使2X增大，即操作線斜率相同，操作線向平衡線平行靠近，使推動力減小，OGN增大，同時1X也增大了。(2)minmin(/),/).20(08，0．8LGXLGm===當(dāng)液體出口組成1X與氣體進(jìn)口組成達(dá)平衡時，溶質(zhì)的回收率為最大，即*11XYm=／由物料衡算得min*()12121211122YYYYYYLYYGXXXmm---===--回收率()min/..1210808LGYYLYmGmη-=====溶質(zhì)的回收率最大可達(dá)80%。【5-19】某廠有一填料塔，直徑880mm，填料層高6m，所用填料為50mm瓷拉西環(huán)，亂堆。每小時處理32000m混合氣（體積按25101.33與kPa℃計），其中含丙酮摩爾分?jǐn)?shù)為5%。用清水作吸收劑。塔頂送出的廢氣含丙酮摩爾分?jǐn)?shù)為0.263%。塔底送出來的溶液，lkg含丙酮61.2g。根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)計算氣相體積總傳質(zhì)系數(shù)YKa。操作條件下的平衡關(guān)系為*2.0YX=。上述情況下，每小時可回收多少千克丙酮？若把填料層加高3m，可以多回收多少丙酮？解(1)計算體積總傳質(zhì)系數(shù)YKa先從已知數(shù)據(jù)求OGN相平衡常數(shù)2m=塔底排出的水溶液，每l000g含丙酮61.2g丙酮的摩爾質(zhì)量為/58kgkmol傳質(zhì)單元數(shù)()()****ln121211221122OGmYYYYNYYYYYYYYY--==?---??-?-??OGN也可用吸收因數(shù)法計算從教材圖5-23查得8OGN=或用計算式求出OGN..2081247mGL===8.03已知填料層高度6Zm=，計算.60758OGOGZHN===再從式OGYGHKaΩ=計算YKa惰性氣體流量(.).(.)32000100520000952010133GmhkPa=?-=?／℃，理想氣體在.273101325KkPa、時的摩爾體積為./3224mkmol在.298101325KkPa、下的摩爾體積為塔截面積().2220880．60844TΩDmππ==?=體積總傳質(zhì)系數(shù)(2)每小時丙酮回收量為(3)填料層加高.3，Z639，075OGmmH=+==則,..912124075OGOGZLNHmG====從教材圖5-23查得'210023YY=．填料層9Zm=時，丙酮的回收量為多回收丙酮.../399388011kmolh-=也可以如下計算【5-20】有一填料吸收塔，用清水吸收混合氣中的溶質(zhì)A，以逆流方式操作。進(jìn)入塔底混合氣中溶質(zhì)A的摩爾分?jǐn)?shù)為1%，溶質(zhì)A的吸收率為90%。此時，水的流量為最小流量的1.5倍。平衡線的斜率m=l。試求：(1)氣相總傳質(zhì)單元數(shù)OGN；(2)若想使混合氣中溶質(zhì)A的吸收率為95%，仍用原塔操作，且假設(shè)不存在液泛，氣相總傳質(zhì)單元高度OGH不受液體流量變化的影響。此時，可調(diào)節(jié)什么變量，簡便而有效地完成任務(wù)？試計算該變量改變的百分?jǐn)?shù)。解已知.120010810ymXη====，．，，(1)計算氣相總傳質(zhì)單元數(shù)OGN(2)要想使吸收率從90%提高到95%，可增大吸收劑用量填料層高度OGOGZHN=對于已有的填料塔，其填料層高度已定，吸收劑用量改變不會改變OGH。因此，OGN不會改變，仍為.464OGN=。新工況下，()()'.421110950010150510YYη-=-=-?=?．．用.464OGN=與'2212005YmXYmX-=-．，從圖5—23查得為了使吸收率從90%提高到95%，L／G需要從1.35增加到2.1，增加的百分?jǐn)?shù)為【5-21】某填料吸收塔的填料層高度已定，用清水吸收煙道氣中的CO2，CO2的組成為0.1（摩爾比），余下氣體為惰性氣體，液一氣比為180，吸收率為95%。操作溫度為30℃，總壓為2MPa。CO2水溶液的亨利系數(shù)由教材中表5-1查取。試計算下列3種情況的溶質(zhì)吸收率η、吸收液（塔底排出液體）組成1X、塔內(nèi)平均傳質(zhì)推動力mY?，并與原有情況進(jìn)行比較：(1)吸收劑由清水改為組成為0.0001（摩爾比）的CO2水溶液；(2)吸收劑仍為清水，操作溫度從30℃改為20℃；(3)吸收劑為清水，溫度為30℃