分离工程 第三章 吸收作业答案

2.何谓传质模型？试述双膜论、渗透论、和表面更新论等传质模型的优缺点并加以比较。（p116.119.137）•答：（1）传质也称质量传递，是指物质在浓度差，温度差，压力差等推动下，从一处移到另一处的转移，包括相内传质和相间传质。传质模型即为用来描述物质进行传递的机理的模型。思考题（2）双膜论、渗透论、和表面更新论等传质模型的优缺点传质模型优点缺点双模论较简单，假设具有一定合理性，应用广泛，特别对固定传质表面、周围流体又是高湍动的系统适用。往往传质设备的内构件已不能使气液相接触形成相对固定的相界面（如喷射式、鼓泡型）；无法形成稳定的膜，也就无法建立稳定的浓度梯度；膜厚度𝜹也是无法测量，没有描述k与𝑫𝟎.𝟓成正比的正确关系;唯有清洁的界面才有可能使界面阻力小到可以忽略，但对于液液系统往往不可忽略。渗透论描述k与𝑫𝟎.𝟓成正比的正确关系,比较符合实际。液相微元在界面的停留时间𝒕𝒆无法定量获得;错误地认为微元的寿命是一样的，导致未能摆脱脱滞流膜的假设条件，具有一定局限性。表面更新论更接近于实际，吸收机理，十分接近传质的一般表达式理论最完善。表面更新率S无法确定（3)双膜论、渗透论和表面更新论传质模型的比较•1）液相传质系数表达式不同:双膜论𝒌𝒍=𝑫𝑨𝑩𝜹𝒍渗透论𝒌𝒍=2𝑫𝒕𝒆表面更新论𝒌𝒍=𝑫𝑺•2）双膜论由于比较简单应用最广泛；表面更新论最接近于实际，且最完善，当所有表面更新率S相同时（各微元的寿命相等），表面更新论就是渗透论，当接触时间趋于无穷时，彼此停留时间一样，且到达建立分子扩散所需的时间也一样，此时表面更新论与双膜论一致。•3)对于一级不可逆反应，尽管化学反应增强因子𝛃的表达式有很大的不同，但随M值的变化，三者的𝛽相差不大，对于二级，m级以及（m,n）化学反应都有类似的结果。3.化学吸收增强因子β的意义是什么？提高它的目的是什么？(p122)答：（1）化学吸收增强因子β:在推动力相同时，化学吸收速率比纯物理吸收速率所增加的倍数。𝜷简便化学反应速率计算，可以把化学反应速率看作纯物理吸收速率的倍数。只要求得物理吸收速率和确定𝜷，就求可得化学反应速率。（2）提高它的目的是降低液膜阻力，提高吸收速率。4.对一级不可逆化学反应：。在什么情况下可看做物理吸收？在什么情况下可看做气膜控制？（p126）•答:(1)当液相中总反应量远小于扩散传递总量，即𝑽∙𝒓≪𝑸(𝒄𝑨−𝒄𝑨𝟎)，此时化学反应可忽略，可看物理吸收。•(2)当反应在液膜中某个面瞬间完成，即M趋向于无穷大时，可看做气膜控制。tanhMM5.归纳教材中讨论的三类不可逆反应化学吸收速率式，并画出相应的溶质在气液两相中的浓度分布线。（p130，133,134）(2）三类反应相应的溶质在气液两相中的浓度分布线分别如下快速中速慢速答：（1）快速化学反应吸收：𝑵𝑨=𝑴𝒌𝒍𝒄𝑨𝒊中速化学反应吸收：𝑵𝑨=𝑴𝒕𝒉𝑴𝒌𝒍𝒄𝑨𝒊慢速化学反应吸收：𝑵𝑨=𝜶𝒍𝑴𝜶𝒍𝑴−𝑴+𝟏𝒌𝒍𝒄𝑨𝒊6.对于瞬时反应和慢反应的化学吸收，应分别用何种塔型？答：填料塔反应器主要用于气液相反应，由于液体沿填料表面下流，在填料表面形成液膜而气相接触进行反应，故液相主体量较少，适用于快速和瞬间反应过程，能获得较大的液相转化率。所以瞬时反应用填料塔。鼓泡塔反应器适用于液相也参与反应的中速、慢速反应和放热量大的反应，所以慢反应用鼓泡塔。7.用硫酸吸收混合气中氨气，反应式如下NH3+𝟏𝟐H2SO4→𝟏𝟐(NH4)2SO4已知：氨的分压为0.05atm。气相传质分系数kg=8.33×10-3kmol/(m2·atm·s),液相传质分系数kl=3×10-3m/s，𝑫𝑯𝟐𝑺𝑶𝟒=𝑫𝑵𝑯𝟑，问：（1）为使吸收过程以较快的速度进行，不受液膜中液膜扩散的限制，过程为气膜控制时吸收剂硫酸的浓度至少应为多少？（p140）（2）当吸收剂硫酸浓度为0.08kmol/m3时，吸收速率为多少？分别增加气液相扰动对吸收速率有何影响？计算题•解：（1）已知：A+bBQ•𝒃=𝟏𝟐𝑷𝑨=0.05atm•𝒌𝒈=8.33×10-3kmol/(m2⋅atm⋅s)𝒌𝒍=3×𝟏𝟎−𝟑m/s𝑫𝑨𝑫𝑩=𝑫𝑵𝑯𝟑𝑫𝑯𝟐𝑺𝑶𝟒=1此吸收剂的临界浓度为：•𝒄𝑩𝒍𝒄=𝒃𝒌𝒈𝒌𝒍⋅𝑫𝑨𝑫𝑩⋅𝑷𝑨=𝟏𝟐×𝟖.𝟑𝟑×𝟏𝟎−𝟑𝟑×𝟏𝟎−𝟑×𝟏×𝟎.𝟎𝟓𝐤𝐦𝐨𝐥𝐦𝟑•=0.069𝐤𝐦𝐨𝐥𝐦𝟑•由不等式𝒄𝑩𝒍≥𝒄𝑩𝒍𝒄•要使其为气膜控制则吸收剂的浓度至少为0.069kmol/m3•（2）当𝒄𝑩𝒍=0.08kmol/m3时有𝒄𝑩𝒍𝒄𝑩𝒍𝒄其过程为气膜控制，吸收速率为𝑵𝑨=𝒌𝒈𝑷𝑨=8.33×10-3×0.05=4.165×10-4kmol/(m2·s)•其吸收速率仅取决于𝑘𝐼∗,DAl和𝒄𝑨𝒊，而与𝒌𝒍,𝜹𝒍无关，所以增加液相扰动对其吸收速率无影响，增加气相扰动提高A的浓度可提高吸收速率。(p133)8.空气中含有有A杂质需要除去，要求其含量（摩尔分率）由0.1%减至0.02%。试计算下列三种逆流吸收的填料塔高度。（1）纯水吸收。已知𝒌𝒈𝒂=32kmol/(𝐦𝟑∙𝐡∙𝐚𝐭𝐦),𝒌𝒍𝒂=0.1𝐡−𝟏。A在纯水中的溶解常数𝑯𝑨=0.125atm/（𝐤𝐦𝐨𝐥/𝐦𝟐),气液两相流率分别为L=63.5kmol/(𝐦𝟑∙h),G=9.1kmol/(𝐦𝟐∙h),液相的摩尔密度𝑪𝑴=56.1kmol/𝒎𝟑.常压吸收。（2)用𝑪𝑩=0.8kmol/𝐦𝟑即𝟎.𝟖𝐍的强酸溶液进行吸收，已知：𝑫𝑨𝑳=𝑫𝑩𝑳,,𝒌𝑨𝑳=𝒌𝑩𝑳,瞬间反应A+B→𝐏。（3）用𝑪𝑩=0.128kmol/𝐦𝟑即𝟎.𝟏𝟐𝟖𝐍的强酸溶液进行吸收。解：（1）由物料衡算得𝒄𝑨𝟏=𝒄𝑨𝟐+𝑮（𝒚𝑨𝟏−𝒚𝑨𝟐)𝑳𝑪𝑴=0.00643𝐤𝐦𝐨𝐥/𝐦𝟑𝑲𝑮𝒂=(𝟏𝒌𝒈𝒂+𝑯𝑨′𝒌𝒍𝒂)−𝟏=0.7805kmol/(𝐦𝟑∙𝐡∙𝐚𝐭𝐦)∆𝑷𝑨𝟐=𝑷𝑨𝟐-𝑷𝑨𝟐∗=𝑷𝑨𝟐=0.0002atm∆𝑷𝑨𝟏=𝑷𝑨𝟏-𝑷𝑨𝟏∗=𝑷𝑨𝟏−𝑯𝑨′𝒄𝑨𝟏≈0.0002atm∆𝑷𝒎=0.0002atm𝒉=𝑵𝑶𝑮∙𝑯𝟎𝑮𝑯𝟎𝑮=𝑮𝑲𝑮𝒂=11.6592m𝑵𝑶𝑮=𝒅𝒚𝒚−𝒚𝒆𝒚𝟏𝒚𝟐≈𝒚𝟏−𝒚𝟐∆𝒚𝒎≈𝑷𝟏−𝑷𝟐∆𝑷𝒎=4𝒉=46.64mP=1atm𝑷𝑨𝟐∗=0𝒄𝑨𝟐=𝟎𝑷𝑨𝟐=0.0002𝒚𝑨𝟐=0.0002𝑷𝑨𝟏=0.001𝒚𝑨𝟏=0.001𝑷𝑨𝟏∗=𝑯𝑨′𝒄𝑨𝟏𝒄𝑨𝟏=?解：（2）由物料衡算i)𝑪𝑩𝟏=𝑪𝑩𝟐−𝒃𝑮𝑪𝑴𝑳𝒚𝟏−𝒚𝟐=0.7936kmol/𝒎𝟑ii)确定用什么速率式（瞬间反应）？𝒄𝑩𝒍𝒄=𝒃𝒌𝒈𝒌𝒍⋅𝑫𝑨𝑳𝑫𝑩𝑳⋅𝑷𝑨=320𝑷𝑨塔顶（𝒄𝑩𝒍𝒄）𝟐=320×𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟐=𝟎.𝟎𝟔𝟒kmol/𝒎𝟑塔底（𝒄𝑩𝒍𝒄）𝟏=320×𝟎.𝟎𝟎𝟏=𝟎.𝟑𝟐kmol/𝒎𝟑所以（𝒄𝑩𝒍）𝟏（𝒄𝑩𝒍𝒄）𝟏，（𝒄𝑩𝒍）𝟐（𝒄𝑩𝒍𝒄）𝟐全塔气膜控制𝑵𝑨=𝒌𝒈𝑷𝑨iii)计算塔高𝒉=𝑮𝒌𝒈𝒂𝑺𝒅𝑷𝑨𝑷𝑨𝑷𝑨𝟏𝑷𝑨𝟐=𝑮𝒌𝒈𝒂ln𝑷𝑨𝟏𝑷𝑨𝟐=0.4576P=1atm𝑪𝑩𝟐=𝟎.𝟖𝑪𝑨𝟏=0𝑷𝑨𝟐=0.0002𝒚𝑨𝟐=0.0002𝑷𝑨𝟏=0.001𝒚𝑨𝟏=0.001𝑪𝑩𝟏=?（3）i)由物料衡算𝑪𝑩𝟏=𝑪𝑩𝟐−𝒃𝑮𝑪𝑴𝑳𝒚𝟏−𝒚𝟐=0.1216kmol/𝒎𝟑ii)判断：𝒄𝑩𝒍𝒄=320𝑷𝑨，（𝒄𝑩𝒍𝒄）𝟏=0.32（𝒄𝑩𝒍𝒄）𝟐=0.064可见：（𝒄𝑩𝒍）𝟐（𝒄𝑩𝒍𝒄）𝟐上部气膜控制（𝒄𝑩𝒍）𝟏（𝒄𝑩𝒍𝒄）𝟏下部双膜控制iii)求分界浓度𝒄𝑩𝒍∗=0.128-𝒃𝑮𝑪𝑴𝑳𝑷𝑨∗−𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟐𝒄𝑩𝒍∗=𝒄𝑩𝒍𝒄=320𝑷𝑨∗联立解得：𝑷𝑨∗=0.000395atm𝒄𝑩𝒍∗=0.1264kmol/𝒎𝟑iv)求塔高上部：𝒉𝟏=𝑮𝒌𝒈𝒂ln𝑷𝑨∗𝑷𝑨𝟐=0.1935m下部：𝒄𝑩𝒍=f𝑷𝑨=0.1296-8.04𝑷𝑨𝑵𝑨=𝑲𝑮𝑷𝑨+𝑯𝑨′𝑫𝑩𝑳𝒄𝑩𝒍𝒃𝑫𝑨𝑳=0.00126-0.0039𝑷𝑨𝒉𝟐=𝑮𝑷𝒅𝑷𝑨𝑵𝑨𝑷𝑨𝟏𝑷𝑨∗=0.437m∴𝒉=𝒉𝟏+𝒉𝟐=0.63P=1atm𝑪𝑩𝟐=𝟎.𝟏𝟐𝟖𝑪𝑨𝟏=0𝑷𝑨𝟐=0.0002𝒚𝑨𝟐=0.0002𝑷𝑨𝟏=0.001𝒚𝑨𝟏=0.001𝑪𝑩𝟏=?9.某厂脱乙烷塔塔顶的气体组成见下表，拟采用丙酮做吸收剂除去其中的乙炔，操作压力为18atm(绝压），操作温度为−20℃，此条件下个组分的相平衡常数已给，乙炔的回收率为0.9995.组分𝐂𝟐𝐇𝟔𝐂𝟐𝐇𝟒𝐂𝟐𝐇𝟐∑进料/(kmol/h)12.687.00.4100相平衡常数K3.262.250.3求（1）完成此任务所需的最小液气比（𝑳𝑮）𝒎𝒊𝒏。（2）取操作液气比为最小液气比的1.83倍所需的理论塔板数N。（3）各组分的回收率𝜼和出塔尾气组成𝒚𝟏。（4）进料为100kmol/h,塔顶应加入吸收剂丙酮的用量𝑳𝟎。解：（1）𝑳𝑮𝒎𝒊𝒏=𝒎𝑲（1−∅𝑨𝑲）=𝒎𝑲𝜼=𝟎.𝟑×𝟎.𝟗𝟗𝟗𝟓=𝟎.𝟑(2)𝑳𝑮=1.83𝑳𝑮𝒎𝒊𝒏=1.83×0.3=0.549用关键组分乙炔计算：𝝓𝑨𝑲=1−𝜼=𝟏−𝟎.𝟗𝟗𝟗𝟓=0.0005𝑨𝒆=𝑳𝑮𝒎𝑲=𝟎.𝟓𝟒𝟗𝟎.𝟑=1.831283.1ln83.110005.083.111lnln111lneeAKeAAAN(3)回收率𝜼的计算：𝑨𝒆,𝒊=𝑳𝑮𝒎𝒊𝝓𝑨,𝒊=𝑨𝒆,𝒊−𝟏𝑨𝑵+𝟏−𝟏𝜼𝒊=1−𝝓𝑨,𝒊尾气组成𝒚𝟏的计算：𝒈𝟏,𝒊=𝒈𝑵+𝟏,𝒊𝝓𝑨,𝒊𝑮𝟏=𝒈𝟏,𝒊𝒚𝟏.𝒊=𝒈𝟏,𝒊𝑮𝟏计算结果如下表组分𝒈𝑵+𝟏,𝒊𝑨𝒆,𝒊𝝓𝑨,𝒊𝜼𝒊𝒈𝟏,𝒊𝒚𝟏.𝒊乙烷12.60.16890.83110.168910.470.137乙烯87.40.2440.7560.24465.770.863乙炔0.41.830.00050.99950.00020𝑮𝑵+𝟏=100𝑮𝟏=76.24（𝟒）𝑳𝑮=0.549𝑳𝑵=𝑳𝟎+𝑮𝑵+𝟏−𝑮𝟏𝑳=𝑳=𝟏𝟐𝑳𝑵+𝑳𝟎=𝟏𝟐𝑳𝟎+𝟐𝟑.𝟕𝟔+𝑳𝟎𝑮=𝑮=𝟏𝟐𝑮𝑵+𝟏+𝑮𝟏=𝟏𝟐𝟏𝟎𝟎+𝟕𝟔.𝟐𝟒𝑳𝑮=𝟐𝑳𝟎+𝟐𝟑.