化工原理气体吸收经典习题

1、掌握的内容相组成的表示法及换算；气体在液体中溶解度，亨利定律及各种表达式和相互间的关系；相平衡的应用；分子扩散、菲克定律及其在等摩尔反向扩散和单向扩散的应用；对流传质概念；双膜理论要点；总传质系数及总传质速率方程；吸收过程物料衡算，操作线方程推导、物理意义；最小液气比概念及吸收剂用量的计算；填料层高度的计算，传质单元高度与传质单元数的定义、物理意义，传质单元数的计算（平均推动力法和吸收因数法）；吸收塔的设计计算。2、熟悉的内容吸收剂的选择；各种形式的单相传质速率方程、膜传质系数和传质推动力的对应关系；各种传质系数间的关系；气膜控制与液膜控制；传质单元数的图解积分法；吸收塔的操作型分析；解吸的特点及计算。3、了解的内容分子扩散系数及影响因素；塔高计算基本方程的推导。6．在总压101.3kPa，温度30℃的条件下,SO2摩尔分率为0.3的混合气体与SO2摩尔分率为0.01的水溶液相接触，试问：（1）从液相分析SO2的传质方向；（2）从气相分析，其他条件不变，温度降到0℃时SO2的传质方向；（3）其他条件不变，从气相分析，总压提高到202.6kPa时SO2的传质方向，并计算以液相摩尔分率差及气相摩尔率差表示的传质推动力。查得在总压101.3kPa，温度0℃的条件下，SO2在水中的亨利系数E=1670kPa查得在总压101.3kPa，温度30℃条件下SO2在水中的亨利系数E=4850kPa在总压202.6kPa，温度30℃条件下，SO2在水中的亨利系数E=4850kPa解：(1)pEm3.101485047.88从液相分析00627.088.473.0*myxx=0.01故SO2必然从液相转移到气相，进行解吸过程。（2）pEm3.1011670=16.49从气相分析y*=mx=16.49×0.01=0.16y=0.3故SO2必然从气相转移到液相，进行吸收过程。（3）pEm6.2024850=23.94从气相分析y*=mx=23.94×0.01=0.24y=0.3故SO2必然从气相转移到液相，进行吸收过程。0125.094.233.0*myx以液相摩尔分数表示的吸收推动力为:∆x=x*－x=0.0125－0.01=0.0025以气相摩尔分数表示的吸收推动力为:∆y=y－y*=0.3－0.24=0.068．在总压为100kPa、温度为30℃时，用清水吸收混合气体中的氨，气相传质系数Gk=3.84×10-6kmol/（m2·s·kPa），液相传质系数Lk=1.83×10-4m/s，假设此操作条件下的平衡关系服从亨利定律，测得液相溶质摩尔分率为0.05，其气相平衡分压为6.7kPa。求当塔内某截面上气、液组成分别为y=0.05，x=0.01时（1）以（*AApp）、（A*Acc）表示的传质总推动力及相应的传质速率、总传质系数；（2）分析该过程的控制因素。解：（1）根据亨利定律kPa13405076A..xpE*相平衡常数34.1100134pEm溶解度常数4146.0181341000ss*EMPCHAA以气相分压差（*AApp）表示总推动力时：*AApp=100×0.05-134×0.01=3.66kPaGLG111kHkK=273597260417131801086.311083.14146.01646G1066.3Kkmol/（m2·s·kPa）)(*AAGAppKN=3.66×10-6×3.66=1.34×10-5kmol/（m2·s）以（A*Acc）表示的传质总推动力时：56.01000/1899.001.0Ackmol/m3A*Acc=0.4146×100×0.05－0.56=1.513kmol/m3m/s108.84146.01066.366GLHKK)(A*ALAccKN=8.8×10-6×1.513=1.3314×10-5kmol/（m2·s）（2）与（*AApp）表示的传质总推动力相应的传质阻力为273597（m2·s·kPa）/kmol；其中气相阻力为131801Gkm2·s·kPa/kmol；液相阻力2604171LHkm2·s·kPa/kmol；气相阻力占总阻力的百分数为%2.95%100273597260417。故该传质过程为气膜控制过程。【例5-11】在一填料塔中用清水吸收氨－空气中的低浓氨气，若清水量适量加大，其余操作条件不变，则2Y、1X如何变化？（已知体积传质系数随气量变化关系为8.0VakY）解：用水吸收混合气中的氨为气膜控制过程，故8.0VakaKYY因气体流量V不变，所以akY、aKY近似不变，HOG不变。因塔高不变，故根据Z=OGOGHN可知OGN不变。当清水量加大时，因VLmS/，故S降低，由图5-25可以看出2221mXYmXY会增大，故2Y将下降。根据物料衡算12121)()(VYYYVXXL可近似推出1X将下降。17．某填料吸收塔在101.3kPa，293K下用清水逆流吸收丙酮—空气混合气中的丙酮，操作液气比为2.0，丙酮的回收率为95%。已知该吸收为低浓度吸收，操作条件下气液平衡关系为XY18.1，吸收过程为气膜控制，气相总体积吸收系数aKY与气体流率的0.8次方成正比。（塔截面积为1m2）（1）若气体流量增加15%，而液体流量及气、液进口组成不变，试求丙酮的回收率有何变化？（2）若丙酮回收率由95%提高到98%，而气体流量，气、液进口组成，吸收塔的操作温度和压力皆不变，试求吸收剂用量提高到原来的多少倍。解：（1）设操作条件变化前为原工况LmVS=59.00.218.1X2=0，2221mXYmXY=2095.0111121YYSmXYmXYSSN2221OG1ln11301.559.02059.01ln59.011设气量增加15%时为新工况因aΩKVHYOG，aKY8.0V所以2.08.0OGVVVH故新工况下OG2.0OG2.0'OG'OG028.115.1HHVVHH因塔高未变，故OGOGHN=OG'OG'HN'OGOGOG'OGHHNN028.1301.5028.1OGOGOGHHN=5.157LmVS，LmVS''679.059.015.1''SVVS新工况下：'22'21''OG'1ln11SmXYmXYSSN679.0679.01ln679.011157.52'1YY679.011679.01ln679.011157.5'解得丙酮吸收率变为92.95%(2)当气体流量不变时，对于气膜控制的吸收过程，OGH不变，故吸收塔塔高不变时，OGN也不变化，即将丙酮回收率由95%提高到98%，提高吸收剂用量时，新工况下OG''NOGN=5.301''''LmVS，98.0''''''''''OG''11ln11SSSN''''''98.0111ln11301.5SSS用试差法解得''S=0.338746.1338.059.0''''LLSS所以吸收剂用量应提高到原来的1.746倍。【例5-7】在填料吸收塔内用水吸收混合于空气中的甲醇，已知某截面上的气、液两相组成为pA=5kPa，cA=2kmol/m3，设在一定的操作温度、压力下，甲醇在水中的溶解度系数H为0.5kmol/(m3·kPa)，液相传质分系数为kL＝2×10－5m/s，气相传质分系数为kG＝1.55×10－5kmol/(m2·s·kPa)。(1)试求以分压表示吸收总推动力、总阻力、总传质速率、及液相阻力的分配。(2)若吸收温度降低，甲醇在水中的溶解度系数H变为5.8kmol/(m3·kPa)，设气、液相传质分系数与两相浓度近似不变，试求液相阻力分配为多少？并分析其结果。解：(1)以分压表示吸收总推动力kPa45.02A*AHcpkPa145*AAAppp总阻力kPa)/kmols(m10645.11045.61011055.111025.01111254555GLGkHkK总传质速率s)kmol/(m1008.6110645.11)(265*AAGAppKN液相阻力的分配%8.60608.010645.11011155GLKHk由计算结果可以看出此吸收过程为液相传质阻力控制过程。(2)吸收温度降低时总传质阻力kPa)/kmols(m1031.71045.6106.81055.111028.51111244355GLGkHkK液相阻力的分配%76.111176.01031.7106.81143GLKHk由液相阻力占吸收过程总阻力的11.76%，可知此吸收过程为气相传质阻力控制过程。当低温吸收时，溶解度系数增大，液相阻力LHk1减少，由液相传质阻力控制转化为气相传质阻力控制，在这里相平衡对传质阻力的分配起着很重要的作用。【例5-5】某矿石焙烧炉排出含SO2的混合气体，除SO2外其余组分可看作惰性气体。冷却后送入填料吸收塔中，用清水洗涤以除去其中的SO2。吸收塔的操作温度为20℃，压力为101.3kPa。混合气的流量为1000m3/h，其中含SO2体积百分数为9%，要求SO2的回收率为90%。若吸收剂用量为理论最小用量的1.2倍，试计算：（1）吸收剂用量及塔底吸收液的组成X1；（2）当用含SO20.0003（摩尔比）的水溶液作吸收剂时，保持二氧化硫回收率不变，吸收剂用量比原情况增加还是减少？塔底吸收液组成变为多少？已知101.3kPa，20℃条件下SO2在水中的平衡数据与Y1相平衡的液相组成=0.0032解：按题意进行组成换算：进塔气体中SO2的组成为099.009.0109.01111yyY出塔气体中SO2的组成为0099.0)9.01(099.0)1(12YY进吸收塔惰性气体的摩尔流量为V=kmol/h6.41)09.01(202732734.221000（1）kmol/h10530032.0)0099.0099.0(6.412*121minXXYYVL实际吸收剂用量L=1.2Lmin=1.2×1053=1264kmol/h塔底吸收液的组成X1由全塔物料衡算求得：X1=X2+V（Y1-Y2）/L=0+00267.01264)0099.0099.0(6.41（2）吸收率不变，即出塔气体中SO2的组成Y2不变，0099.02Y，而X2=0.0003所以kmol/h12770003.00032.0)0099.0099.0(6.412*121minXXYYVL实际吸收剂用量L=1.2Lmin=1.2×1277=1532kmol/h塔底吸收液的组成X1由全塔物料衡算求得：X1=X2+V（Y1-Y2）/L=0.0003+0027.01532)0099.0099.0(6.41由该题计算结果可见，当保持溶质回收率不变，吸收剂所含溶质越低，所需溶剂量越小，塔底吸收液浓度越低。【例5-9】在一塔径为0.8m的填料塔内，用清水逆流吸收空气中的氨，要求氨的吸收率为99.5%。已知空气和氨的混合气质量流量为1400kg/h，气体总压为101.3kPa，其中氨的分压为1.333kPa。若实际吸收剂用量为最小用量的1.4倍，操作温度（293K）下的气液相平衡关系为Y*=0.75X，气相总体积吸收系数为0.088kmol/m3·s，试求（1）每小时用水量；（2）用平均推动力法求出所需填料层高度。解(1)0132.03.101333.11y0134.00132.010132.01111yyY0000669.0)9