新版化工原理习题答案(08)第八章__气体吸收[1]

1. 在温度为40 ℃、压力为101.3 kPa的条件下，测得溶液上方氨的平衡分压为15.0 kPa时，氨在水中的溶解度为76.6 g (NH3)/1 000 g(H2O)。试求在此温度和压力下的亨利系数E、相平衡常数m及溶解度系数H。

解：水溶液中氨的摩尔分数为

由  

亨利系数为  

        kPa

    相平衡常数为

由于氨水的浓度较低，溶液的密度可按纯水的密度计算。40 ℃时水的密度为

        kg/m3

    溶解度系数为

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。已知操作条件下，亨利系数kPa，水溶液的密度为997.8 kg/m3。

解：水溶液中CO2的浓度为

对于稀水溶液，总浓度为

     kmol/m3

水溶液中CO2的摩尔分数为

    由  kPa

气相中CO2的分压为

         kPa <

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

        kPa

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，氨的气、液相组成分别为、。气膜吸收系数kG=5.2×10-6 kmol/(m2·s·kPa)，液膜吸收系数kL=1.55×10-4 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、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

        kPa

    其对应的总吸收系数为

kmol/(m2·s·kPa)

    以液相组成差表示的总推动力为

    其对应的总吸收系数为

    （2）吸收过程的控制因素

气膜阻力占总阻力的百分数为

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

        kg/m3

溶液的总浓度为

kmol/m3

    （2）由m/s

     因溶质组成很低，故有        

    （3）吸收速率为             

5. 在101.3 kPa及25 ℃的条件下，用清水在填料塔中逆流吸收某混合气中的二氧化硫。已知混合气进塔和出塔的组成分别为y1=0.04、y2=0.002。假设操作条件下平衡关系服从亨利定律，亨利系数为4.13×103  kPa，吸收剂用量为最小用量的1.45倍。

（1） 试计算吸收液的组成；

   （2） 若操作压力提高到1013 kPa而其他条件不变，再求吸收液的组成。

     解：（1）

吸收剂为清水，所以     

     所以操作时的液气比为

     吸收液的组成为        

    （2）  

6. 在一直径为0.8 m的填料塔内，用清水吸收某工业废气中所含的二氧化硫气体。已知混合气的流量为45 kmol/h，二氧化硫的体积分数为0.032。操作条件下气液平衡关系为，气相总体积吸收系数为0.056 2 kmol/(m3·s)。若吸收液中二氧化硫的摩尔比为饱和摩尔比的76%，要求回收率为98%。求水的用量（kg/h）及所需的填料层高度。

解：

    惰性气体的流量为

水的用量为

    求填料层高度

7. 某填料吸收塔内装有5 m高，比表面积为221 m2/m3的金属阶梯环填料，在该填料塔中，用清水逆流吸收某混合气体中的溶质组分。已知混合气的流量为50 kmol/h，溶质的含量为5％（体积分数％）；进塔清水流量为200 kmol/h，其用量为最小用量的1.6倍；操作条件下的气液平衡关系为；气相总吸收系数为；填料的有效比表面积近似取为填料比表面积的90％。试计算（1）填料塔的吸收率；（2）填料塔的直径。

解：（1）惰性气体的流量为

对于纯溶剂吸收

依题意

（2）

由              

填料塔的直径为

8. 在101.3 kPa及20 ℃的条件下，用清水在填料塔内逆流吸收混于空气中的氨气。已知混合气的质量流速G为600 kg/(m2·h)，气相进、出塔的摩尔分数分别为0.05、0.000526，水的质量流速W为800 kg/(m2·h)，填料层高度为3 m。已知操作条件下平衡关系为Y= 0.9 X，KGa正比于G 0.8而于W无关。若（1）操作压力提高一倍；（2）气体流速增加一倍；(3) 液体流速增加一倍，试分别计算填料层高度应如何变化，才能保持尾气组成不变。

解：首先计算操作条件变化前的传质单元高度和传质单元数

    操作条件下，混合气的平均摩尔质量为

        m

    （1）

      若气相出塔组成不变，则液相出塔组成也不变。所以

         m

         m

         m

    即所需填料层高度比原来减少1.801m。

   （2）

    若保持气相出塔组成不变，则液相出塔组成要加倍，即

故 

        m

        m

        m

    即所需填料层高度要比原来增加4.910 m。

   （3） 

    W对KGa无影响，即对KGa无影响，所以传质单元高度不变，即

        m

    即所需填料层高度比原来减少0.609 m。

9. 某制药厂现有一直径为1.2 m，填料层高度为3 m的吸收塔，用纯溶剂吸收某气体混合物中的溶质组分。入塔混合气的流量为40 kmol/h，溶质的含量为0.06（摩尔分数）；要求溶质的回收率不低于95%；操作条件下气液平衡关系为Y = 2.2X ；溶剂用量为最小用量的1.5倍；气相总吸收系数为0.35 kmol/ (m2·h)。填料的有效比表面积近似取为填料比表面积的90％。试计算（1）出塔的液相组成；（2）所用填料的总比表面积和等板高度。

解：（1）

    惰性气体的流量为

（2）

         m

由   

填料的有效比表面积为

填料的总比表面积为

由   

由    

填料的等板高度为

    10. 用清水在塔中逆流吸收混于空气中的二氧化硫。已知混合气中二氧化硫的体积分数为0.085，操作条件下物系的相平衡常数为26.7，载气的流量为250 kmol/h。若吸收剂用量为最小用量的1.55倍，要求二氧化硫的回收率为92%。试求水的用量（kg/h）及所需理论级数。

    解：

    用清水吸收，

    操作液气比为

水的用量为

    用清水吸收，

     由  

11. 某制药厂现有一直径为 0.6 m，填料层高度为6 m的吸收塔，用纯溶剂吸收某混合气体中的有害组分。现场测得的数据如下：V=500 m3/h、Y1=0.02、Y2=0.004、X1=0.004。已知操作条件下的气液平衡关系为 Y = 1.5 X 。现因环保要求的提高，要求出塔气体组成低于0.002（摩尔比）。该制药厂拟采用以下改造方案：维持液气比不变，在原塔的基础上将填料塔加高。试计算填料层增加的高度。

解：改造前填料层高度为

改造后填料层高度为

故有

由于气体处理量、操作液气比及操作条件不变，故

对于纯溶剂吸收，

由  

故  

因此，有

操作液气比为

填料层增加的高度为

12. 若吸收过程为低组成气体吸收，试推导。

解：

   由  

　 故     　 

13. 在装填有25 mm拉西环的填料塔中，用清水吸收空气中低含量的氨。操作条件为20 ℃及101.3 kPa，气相的质量速度为0.525 kg/(m2·s)，液相的质量速度为2.850 kg/(m2·s)。已知20 ℃及101.3 kPa时氨在空气中的扩散系数为m2/s，20 ℃时氨在水中的扩散系数为m2/s。试估算传质单元高度HG、HL 。

解：查得20 ℃下，空气的有关物性数据如下：

    Pa·s    kg/m3

由    

查表8-6，，，

查得20 ℃下，水的有关物性数据如下：

     Pa·s    kg/m3

由    

查表8-7，， 

14. 用填料塔解吸某含二氧化碳的碳酸丙烯酯吸收液，已知进、出解吸塔的液相组成分别为0.008 5和0.001 6（均为摩尔比）。解吸所用载气为含二氧化碳0.000 5（摩尔分数）的空气，解吸的操作条件为35 ℃、101.3 kPa，此时平衡关系为Y=106.03X。操作气液比为最小气液比的1.45倍。若取m，求所需填料层的高度。

解：进塔载气中二氧化碳的摩尔比为

最小气液比为

操作气液比为

吸收因数为

液相总传质单元数为

填料层高度为

15. 某操作中的填料塔，其直径为0.8 m，液相负荷为8.2 m3/h，操作液气比（质量比）为6.25。塔内装有DN50金属阶梯环填料，其比表面积为109 m2/m3。操作条件下，液相的平均密度为995.6 kg/m3，气相的平均密度为1.562 kg/m3。

（1）计算该填料塔的操作空塔气速；     

 （2）计算该填料塔的液体喷淋密度，并判断是否达到最小喷淋密度的要求。

解：（1）填料塔的气相负荷为

填料塔的操作空塔气速为

（2）填料塔的液体喷淋密度为

最小喷淋密度为

，达到最小喷淋密度的要求。

16. 矿石焙烧炉送出的气体冷却后送入填料塔中，用清水洗涤以除去其中的二氧化硫。已知入塔的炉气流量为2400 m3/h，其平均密度为1.315 kg/m3；洗涤水的消耗量为50 000 kg/h。吸收塔为常压操作，吸收温度为20 ℃。填料采用DN50塑料阶梯环，泛点率取为60％。试计算该填料吸收塔的塔径。

解：查得20 ℃下，水的有关物性数据如下：

    Pa·s    kg/m3

炉气的质量流量为

    采用埃克特通用关联图计算泛点气速， 横坐标为

    查图8-23，得纵坐标为

    对于 DN50塑料阶梯环，由表8-10 和附录二分别查得

1/m

    故   

    解出 m/s

    操作空塔气速为

由   

    圆整塔径，取=1.0 m

    校核  ，故所选填料规格适宜。

    取   m3/（m·h）

    最小喷淋密度为

    操作喷淋密度为

  >

    操作空塔气速为

    泛点率为

    经校核，选用=1.0 m 合理。