气液流动方式对吸收过程的影响Ya用吸收操作除去某气体混合物中的可溶有害组分,在操作条件下的相平衡关系为Y*=1.5X,混合气体的初始浓度为0.1(摩尔比,下同),吸收剂的入塔浓度为0.001,液气比为2.0。已知在逆流操作时,气体出口浓度为0.005,试计算在操作条件不变的情况下改为并流操作,气体的出口浓度为多少?逆流操作时所吸收的可溶组分是并流操作的多少倍?计算时近似认为KYa与流动方式无关。

考查要点：本题主要考查吸收操作中逆流与并流两种流动方式对气体出口浓度及吸收效率的影响，涉及传质推动力、理论板数、物料衡算等核心概念。

解题思路：

1. 逆流操作分析：利用相平衡关系和液气比计算理论板数$N_{OG}$，并结合传质推动力确定吸收效果。
2. 并流操作分析：假设总传质单元数$N_{OG}$不变，通过物料衡算和传质方程联立求解气体出口浓度。
3. 吸收量对比：根据气体进出口浓度差计算吸收量，比较逆流与并流的吸收效率。

破题关键：

• 理论板数守恒：操作条件不变时，总传质单元数$N_{OG}$由$H_{OG}$和塔高决定，与流动方式无关。
• 推动力差异：逆流推动力平均，而并流推动力递减，导致相同$N_{OG}$下吸收效果不同。

逆流操作分析

1. 计算液体出口浓度$X_b$
   根据物料衡算：
   $X_b = \frac{G}{L}(X_b - X_a) + X_a = \frac{1}{2}(0.1 - 0.005) + 0.001 = 0.0485$

2. 计算传质推动力$\Delta Y$

   • 气相入口推动力：$\Delta Y_a = Y_a - mX_a = 0.005 - 1.5 \times 0.001 = 0.0035$
   • 气相出口推动力：$\Delta Y_b = Y_b - mX_b = 0.1 - 1.5 \times 0.0485 = 0.02725$
   • 平均推动力：$\Delta Y_m = \frac{\Delta Y_a + \Delta Y_b}{2} = 0.01157$

3. 计算理论板数$N_{OG}$
   $N_{OG} = \frac{Y_a - Y_b}{\Delta Y_m} = \frac{0.1 - 0.005}{0.01157} = 8.21$

并流操作分析

1. 物料衡算
   $X_b' = \frac{G}{L}(Y_a - Y_b') + X_a = \frac{1}{2}(0.1 - Y_b') + 0.001 = 0.051 - 0.5Y_b' \tag{1}$

2. 传质方程
   总传质方程（并流）：
   $N_{OG} = \frac{1}{1 + \frac{mG}{L}} \ln \frac{Y_a - mX_a}{Y_b' - mX_b'}$
   代入已知条件：
   $8.21 = \frac{1}{1 + \frac{1.5 \times 1}{2}} \ln \frac{0.1 - 1.5 \times 0.001}{Y_b' - 1.5X_b'}$
   化简得：
   $Y_b' - 1.5X_b' = 5.6717 \times 10^{-8} \tag{2}$

3. 联立方程求解
   将式(1)代入式(2)：
   $Y_b' - 1.5(0.051 - 0.5Y_b') = 5.6717 \times 10^{-8}$
   解得：
   $Y_b' = 0.0437, \quad X_b' = 0.0292$

吸收量对比

逆流吸收量：
$G(Y_a - Y_b) = 1 \times (0.1 - 0.005) = 0.095$
并流吸收量：
$G(Y_a - Y_b') = 1 \times (0.1 - 0.0437) = 0.0563$
吸收量比值：
$\frac{0.095}{0.0563} = 1.687$