题目

在101.3kPa、20 ℃下用清水在填料塔内逆流吸收空气中所含的二氧化硫气体。已知混合-|||-气摩尔流速为 .025kmol/((m)^2cdot s) ,二氧化硫的组成为0.032(体积分数)。操作条件下气液平-|||-衡关系为 Y=34.6X ,气相总体积吸收系数为 https:/img.cdnjtzy.com/zyb_46f6869435155f94981f4be2fa46e28d.jpg.98kmol/((m)^3cdot hcdot kpa) ,操作时吸收剂用量为最-|||-小用量的1.55倍,要求二氧化硫的回收率为98.2%。试求:-|||-(1)吸收剂的摩尔流速[单位: /((m)^2cdot s)] =-|||-(2)填料层高度。

题目解答

答案

解析

本题主要考查吸收塔的物料衡算、最小液气比、操作液气比、对数平均推动力法计算传质单元数以及填料层高度的计算。解题思路如下：

  1. 计算气相摩尔比：根据已知的气相体积分数，利用公式$Y = \frac{y}{1 - y}$计算进塔和出塔气相中二氧化硫的摩尔比。
  2. 计算最小液气比：因为吸收剂为清水，所以进塔液相中二氧化硫的摩尔比$X_2 = 0$。根据平衡关系$Y = 34.6X$求出与进塔气相成平衡的液相摩尔比$X_1^*$，再利用最小液气比公式$(\frac{L}{V})_{min}=\frac{Y_1 - Y_2}{X_1^* - X_2}$计算最小液气比。
  3. 计算操作液气比：已知操作时吸收剂用量为最小用量的$1.55$倍，根据操作液气比与最小液气比的关系$\frac{L}{V}=1.55(\frac{L}{V})_{min}$计算操作液气比。
  4. 计算吸收剂的摩尔流速：先根据混合气摩尔流速和二氧化硫的体积分数求出惰性气体的摩尔流速$V$，再由操作液气比$\frac{L}{V}$计算吸收剂的摩尔流速$L$。
  5. 计算对数平均推动力：分别计算进塔和出塔的气相与液相之间的传质推动力$\Delta Y_1$和$\Delta Y_2$，再利用对数平均推动力公式$\Delta Y_m=\frac{\Delta Y_1 - \Delta Y_2}{\ln\frac{\Delta Y_1}{\Delta Y_2}}$计算对数平均推动力。
  6. 计算传质单元数：根据气相摩尔比的变化和对数平均推动力，利用公式$N_{OG}=\frac{Y_1 - Y_2}{\Delta Y_m}$计算传质单元数。
  7. 计算填料层高度：已知气相总体积吸收系数$K_Ya$，根据公式$Z = H_{OG}N_{OG}=\frac{V}{K_Ya}\cdot N_{OG}$计算填料层高度。

具体计算过程

  1. 计算气相摩尔比
    • 进塔气相中二氧化硫的摩尔比$Y_1$：
      已知$y_1 = 0.032$，根据公式$Y = \frac{y}{1 - y}$可得：
      $Y_1=\frac{y_1}{1 - y_1}=\frac{0.032}{1 - 0.032}=0.0331$
    • 出塔气相中二氧化硫的摩尔比$Y_2$：
      已知回收率$\varphi = 0.982$，则$Y_2 = Y_1(1 - \varphi)=0.0331\times(1 - 0.982)=0.000596$
  2. 计算最小液气比
    因为吸收剂为清水，所以$X_2 = 0$。
    与进塔气相成平衡的液相摩尔比$X_1^*$：
    由平衡关系$Y = 34.6X$可得$X_1^*=\frac{Y_1}{34.6}=\frac{0.0331}{34.6}=0.000957$
    最小液气比$(\frac{L}{V})_{min}$：
    $(\frac{L}{V})_{min}=\frac{Y_1 - Y_2}{X_1^* - X_2}=\frac{0.0331 - 0.000596}{0.000957 - 0}=33.98$
  3. 计算操作液气比
    已知操作时吸收剂用量为最小用量的$1.55$倍，则操作液气比$\frac{L}{V}$为：
    $\frac{L}{V}=1.55(\frac{L}{V})_{min}=1.55\times33.98 = 52.67$
  4. 计算吸收剂的摩尔流速
    惰性气体的摩尔流速$V$：
    已知混合气摩尔流速为$0.025kmol/(m^2\cdot s)$，则$V = 0.025\times(1 - 0.032)=0.0242kmol/(m^2\cdot s)$
    吸收剂的摩尔流速$L$：
    由$\frac{L}{V}=52.67$可得$L = 52.67\times V = 52.67\times0.0242 = 1.2746kmol/(m^2\cdot s)$
  5. 计算对数平均推动力
    • 进塔的气相与液相之间的传质推动力$\Delta Y_1$：
      出塔液相中二氧化硫的摩尔比$X_1$：
      根据物料衡算$L(X_1 - X_2)=V(Y_1 - Y_2)$，可得$X_1=\frac{V}{L}(Y_1 - Y_2)+X_2=\frac{1}{52.67}\times(0.0331 - 0.000596)+0 = 0.000614$
      $\Delta Y_1 = Y_1 - Y_1^* = Y_1 - 34.6X_1 = 0.0331 - 34.6\times0.000614 = 0.0117$
    • 出塔的气相与液相之间的传质推动力$\Delta Y_2$：
      $\Delta Y_2 = Y_2 - Y_2^* = Y_2 - 34.6X_2 = 0.000596 - 0 = 0.000596$
    • 对数平均推动力$\Delta Y_m$：
      $\Delta Y_m=\frac{\Delta Y_1 - \Delta Y_2}{\ln\frac{\Delta Y_1}{\Delta Y_2}}=\frac{0.0117 - 0.000596}{\ln\frac{0.0117}{0.000596}} = 0.00373$
  6. 计算传质单元数
    $N_{OG}=\frac{Y_1 - Y_2}{\Delta Y_m}=\frac{0.0331 - 0.000596}{0.00373}=8.714$
  7. 计算填料层高度
    已知气相总体积吸收系数$K_Ya = 1.98kmol/(m^3\cdot h\cdot kPa)$，将其单位换算为$kmol/(m^3\cdot s\cdot kPa)$：
    $K_Ya = 1.98\div3600 = 5.5\times10^{-4}kmol/(m^3\cdot s\cdot kPa)$
    填料层高度$Z$：
    $Z = H_{OG}N_{OG}=\frac{V}{K_Ya}\cdot N_{OG}=\frac{0.0242}{5.5\times10^{-4}\times101.3}\times8.714 = 3.782m$