题目

-1已知在101.3 kPa(绝对压力下),100 g水中含氨1 g的溶液上方的平衡氨气分压为987 Pa。试求:(1) 溶解度系数H (kmol·m-3·Pa-1);(2) 亨利系数E(Pa);(3) 相平衡常数m;(4) 总压提高到200 kPa(表压)时的H,E,m值。(假设:在上述范围内气液平衡关系服从亨利定律,氨水密度均为10002-|||-m)

-1已知在101.3 kPa(绝对压力下),100 g水中含氨1 g的溶液上方的平衡氨气分压为987 Pa。试求:

(1) 溶解度系数H (kmol·m-3·Pa-1);

(2) 亨利系数E(Pa);

(3) 相平衡常数m;

(4) 总压提高到200 kPa(表压)时的H,E,m值。

(假设:在上述范围内气液平衡关系服从亨利定律,氨水密度均为1000)

题目解答

答案

解:(1)根据已知条件

定义

(2)根据已知条件可知

根据定义式

可得

(3)根据已知条件可知

于是得到

(4)由于和仅是温度的函数,故和不变;而,与和相关,故。

分析(1)注意一些近似处理并分析其误差。

(2)注意,和的影响因素,这是本题练习的主要内容之一。

6-2 在25℃下,CO2分压为50 kPa的混合气分别与下述溶液接触:

(1)含CO2为0.01 mol/L的水溶液;

(2)含CO2为0.05 mol/L的水溶液。

试求这两种情况下CO2的传质方向与推动力。

解: 由亨利定律得到

根据《化工原理》教材中表 8-1 查出

所以可以得到

又因为

所以得

于是:(1)为吸收过程,。

(2)为解吸过程,。

分析 (1)推动力的表示方法可以有很多种,比如,用压力差表示时:

①

推动力(吸收)

②

推动力(解吸)

或者 , 用摩尔分数差表示时

① 由,判断出将发生吸收过程,推动力;

②由,判断出将发生解吸过程,推动力

(2)推动力均用正值表示。

6-3 指出下列过程是吸收过程还是解吸过程,推动力是多少,并在x-y图上表示。

(1) 含SO2为0.001(摩尔分数)的水溶液与含SO2为0.03(摩尔分数)的混合气接触,总压为101.3 kPa,t=35℃;

(2) 气液组成及总压同(1) ,t=15℃;

(3) 气液组成及温度同(1) ,总压为300 kPa(绝对压力)。

解 (1) 根据《化工原理》教材中表 8-1 知T = 35℃时,SO2 的 , 故

6-11 什么是返混?返混对塔的分离结果有什么影响?

答:在有降液管的塔板上,液体横流过塔板与气体呈错流状态,液体中易挥发组分的浓度将沿着流动的方向逐渐下降,但是当上升气体在塔板上使液体形成涡流时,浓度高的液体和浓度低的液体就混在一起,破坏了液体沿流动方向的浓度变化,这种现象叫返混现象。

6-12 何谓最小液气比

答:操作先于平衡线相交或者相切时对应的L/V称为最小液气比。

6-13 x2,max与(L/G)min是如何受到技术上的限制的?

答:通常,,。因此,技术上的限制主要是指相平衡和物料衡算。

6-14 有哪几种NOG的计算方法?用对数平均推动力法和吸收因数求NOG的条件各是什么?

答:对数平均推动力法,吸收因数法,数值积分法。相平衡分别为直线和过原点直线。

6-15 HOG的物理含义是什么?常用吸收设备的HOG约为多少?

答:气体流经这一单元高度塔段的浓度变化等于该单元内的平均推动力。 0.15~1.5 m。

6-16 吸收剂的进塔条件有哪三个要素?操作中调节这三要素,分别对吸收结果有何影响?

答:t、x2、L。 t↓,x2↓,L↑均有利于吸收。

根据相平衡关系 , 得

由于,所以将发生解吸过程。传质推动力为

(2 )T = 15℃时 , SO2的 ,故

根据相平衡关系 , 得

由于,所以将发生吸收过程。传质推动力为

(3)同理可知 , 当T = 35℃,p = 300 kPa时 ,,故

由于,所以将发生吸收过程。推动力为

示意图见题6-3 图。

题6-3 图

分析体会通过改变温度和总压来实现气液之间传质方向的改变 ,即吸收和解吸。

6-4氨-空气混合气中含氨0.12(摩尔分数),在常压和25℃下用水吸收,过程中不断移走热量以使吸收在等温下进行。进气量为1000 m3 ,出口气体中含氨0.01(摩尔分数)。试求被吸收的氨量(kg)和出口气体的体积(m3)。

解惰性气体量,进口中 NH3 之量为,出口中NH3 之量为,于是总出气量= 880 + 9 =,被吸收的NH3量为,为 77.3kg。

分析 (1) 进行物料衡算时应以摩尔数或者质量为基准,一般不以体积为基准。此处由于温度和压力均不变,故摩尔数的变化正比于体积的变化,所以以体积作为衡算的基准。(2) 本题是并流还是逆流?有区别吗 ?(3) 如何才能不断移走热量? 该用填料塔还是板式塔 ?(4) 不移走热量对吸收有什么影响 ?

6-5 一浅盘内存有2mm厚的水层,在20℃的恒定温度下靠分子扩散逐渐蒸发到大气中。假定扩散始终是通过一层厚度为5mm的静止空气膜层,此空气膜层以外的水蒸气分压为零。扩散系数为2.6×10-5m2/s,大气压强为1.013×105Pa。求蒸干水层所需时间。

解:本题中水层Z的变化是时间的函数,且与扩散速率有关。

查教材附录水的物理性质得,20℃时水的蒸汽压为2.3346kPa。已知条件为:

代入上式得:

水的摩尔质量,设垂直管截面积为A,在时间内汽化的水量应等于水扩散出管口的量,即

则

在,到,之间积分,得

6-6 含组分A为0.1的混合气,用含A为0.01(均为摩尔分数)的液体吸收其中的A。已知A在气、液两相中的平衡关系为,液气比为0.8,求:

(1) 逆流操作时,吸收液出口最高组成是多少?此时的吸收率是多少?若,各量又是多少?分别在y-x图上表示;

(2) 若改为并流操作,液体出口最高组成是多少?此时的吸收率又是多少?

解 (1) 逆流操作(题6-6 图(a))时,已知

题6-6 图

① 当,以及塔高无穷高时,在塔底达到两相平衡(题8-9图(b)), 。根据物料衡算可知

此时 , 吸收率为

② 当,以及塔高无穷高时,在塔顶达到吸收平衡(题 8-9图(b)),。仍可以根据物料衡算,求出

(2) 并流操作且时(题8-9 图(c)),因为,所以有

根据操作线关系,有

式①,②联立,求得:

于是

分析逆流吸收操作中,操作线斜率比平衡线斜率大时,气液可能在塔顶呈平衡;此时吸收率最大,但吸收液浓度不是最高。

操作线斜率小于平衡线斜率时,气液在塔底呈平衡;吸收液浓度是最高的,但吸收率不是最高。

6-7 用水吸收气体中的SO2 ,气体中SO2 的平均组成为0.02(摩尔分数),水中SO2 的平均浓度为1g/1000g。塔中操作压力为10.13kPa(表压),现已知气相传质分系数=0.3×10-2kmol/(m2·h·kPa),液相传质分系数= 0.4 m/h。操作条件下平衡关系。求总传质系数KY(kmol/(m2·h))。

解根据

和

得

现已知,,,因此要先根据下式求出才能求出:

因此还要求出 :

于是便可求出

和

分析此题主要练习各种传质系数之间的转换关系,第二目的是了解各系数的量级。

6-8在1.013×105Pa、27℃下用水吸收混于空气中的甲醇蒸气。甲醇在气、液两相中的浓度很低,平衡关系服从亨利定律。已知H=0.511 kPa ·m3/kmol,气膜吸收分系数kG=1.55×105kmol/(m2·s·kPa),液膜吸收分系数kL=2.08×105 (m/s)。试求吸收总系数KG并算出气膜阻力在总阻力中所占的百分数。

解根据定义式和,可知

所以只要求出即可。又

所以

因为为气相阻力,为总阻力,故

分析此题应和题6-9一起综合考虑。

6-9 在吸收塔内用水吸收混于空气中的低浓度甲醇,操作温度为27℃,压强为1.013×105Pa。稳定操作状况下塔内某截面上的气相中甲醇分压为37.5mmHg,液相中甲醇浓度为2.11kmol/m3。试根据题6-8中有关数据计算出该截面的吸收速率。

解吸收速率可以用公式求出。其中

于是可得

分析 (1) 此时,根据, 还可以计算出气液界面气相侧中的甲醇分压()以及液相侧中的甲醇浓度 (),此值远高于主体溶液中的甲醇浓度。

(2) 是不是题目有些问题?含5%甲醇的空气似乎应是入口气体,因此应是出塔液体的浓度,而此液体的浓度也太低了 (质量分数仅为0.0064%),这些水又有何用呢?

(3) 若将题目中甲醇浓度改为,则质量分数为6.4 %,便可以用精馏法回收其中的甲醇。

6-10 附图为几种双塔吸收流程,试在y-x图上定性画出每种吸收流程中A、B两塔的操作线和平衡线,并标出两塔对应的气、液相进出口摩尔分数。

题6-10附图

(c)

(d)

6-11在某逆流吸收塔内,于101.3kPa、24℃下用清水吸收混合气体中的H2S,将其浓度由2%降至0.1%(体积分数)。系统符合亨利定律,E=545×101.3kPa。若吸收剂用量为最小用量的1.2倍,试计算操作液气比及出口液相组成。

解:已知 y1=0.02 y2=0.001 P =101.33KPa

则

又据全塔物料衡算

即操作液气比为776.25 出口液相组成X1为

6-12用纯水逆流吸收气体混合物中的SO2,SO2的初始浓度为5%(体积分数),操作条件下的相平衡关系为y=5.0x,分别计算液气比为4和6时气体的极限出口浓度。

解:当填料塔为无限高,气体出口浓度达极限值,此时操作线与平衡线相交。对于逆流操作,操作线与平衡线交点位置取决于液气比与相平衡常数m的相对大小。

当,时,操作线与与平衡线交于塔底,由相平衡关系可以计算液体出口的最大浓度为

由物料衡算关系可以求得气体的极限出口浓度为:

当,,操作线与平衡线交于塔顶,由平衡关系可以计算气体极限出口浓度为:

由物料衡算关系可求得液体出口浓度为:

从以上计算结果可知,当时,气体的极限残余浓度随增大而减小;当时,气体的极限浓度只取决于吸收剂初始浓度,而与吸收剂的用量无关。

6-13 在某填料吸收塔中,用清水处理含SO2的混合气体。逆流操作,进塔气体中含SO2为0.08(摩尔分数),其余为惰性气体。混合气的平均相对分子质量取28。水的用量比最小用量大65%,要求每小时从混合气中吸收2000kg的SO2。已知操作条件下气、液平衡关系为。计算每小时用水量为多少立方米。

解:根据题意得

根据吸收的SO2质量求得混合气中惰性气体的流量

根据物料衡算

解得

又

则

则每小时的用水量为

6-14 用纯溶剂对低浓度气体作逆流吸收,可溶组分的回收率为η,采用的液气比是最小液气比的β倍。物系平衡关系服从亨利定律。试以η、β两个参数列出计算NOG的表达式。

解:令进塔气体浓度为y1,则出塔气体浓度为 x2=0

由上题证明的结果:

又

6-15 在一填料吸收塔内,用含溶质为0.0099的吸收剂逆流吸收混合气体中溶质的85%,进塔气体中溶质浓度为0.091,操作液气比为0.9,已知操作条件下系统的平衡关系为,假设总体积传质系数与流动方式无关。试求:(1)逆流操作改为并流操作后所得吸收液的浓度;(2)逆流操作与并流操作平均吸收推动力之比。

解:逆流吸收时,已知y1=0.091,x2=0.0099

所以

改为并流吸收后,设出塔气、液相组成为、,进塔气。

物料衡算:

将物料衡算式代入NOG中整理得:

逆流改为并流后,因KYa不变,即传质单元高度HOG不变,故NOG不变

所以

由物料衡算式得:

将此两式联立得:

由计算结果可以看出,在逆流与并流的气、液两相进口组成相等及操作条件相同的

情况下,逆流操作可获得较高的吸收液浓度及较大的吸收推动力。

6-16 今有逆流操作的填料吸收塔,用清水吸收原料气中的甲醇。已知处理气量为1000m3/h(标准状况),原料气中含甲醇100g/m3,吸收后的水中含甲醇量等于与进料气体相平衡时组成的67%。设在标准状况下操作,吸收平衡关系为,甲醇的回收率为98%,Ky = 0.5 kmol/(m2·h),塔内填料的有效比表面积为190 m2/m3,塔内气体的空塔流速为0.5 m/s。试求:

(1) 水的用量;

(2) 塔径;

(3) 填料层高度。

解下面计算中下标1表示塔底,2表示塔顶。根据已知操作条件,有

(1)根据全塔的甲醇物料衡算式可以得出用水量

(2)塔径,可圆整到0.84m。

(3)由于是低浓度吸收,故可以将近似为,并存在,则可进行以下计算:

填料层高度

先计算气相总传质单元数:

再计算气相总传质单元高度

最终解得

分析 (1)这是一个典型的设计型问题,即已知工艺要求,希望设计出用水量、塔径和塔高。

(2)若不进行以上近似,则可按下述方法求解:

式中:-气体总流量。

于是

对上式进行积分得

(当然此时也会随着流量变化而变化,求解时还需要做另外的近似)

(3)或者做以下近似处理

得

其中,可取和的平均值;可取和的平均值。

取

则

以上两种方法的计算结果具有可比性。

6-17 在一填料吸收塔内,用清水逆流吸收空气中的NH3,入塔混合气中NH3的含量为0.01(摩尔分率,下同),吸收在常压、温度为10℃的条件下进行,吸收率达95%,吸收液中NH3含量为0.01。操作条件下的平衡关系为,试计算清水流量增加1倍时,吸收率、吸收推动力和阻力如何变化,并定性画出吸收操作线的变化。

解:吸收率增加,吸收推动力增加

2是清水增加一倍时的操作线,斜率增加,推动力增大。

6-18 某吸收塔用25mm×25mm的瓷环作填料,充填高度5m,塔径1m,用清水逆流吸收流量为2250m3/h的混合气。混合其中含有丙酮体积分数为5%,塔顶逸出废气含丙酮体积分数将为0.26%,塔底液体中每千克水带有60g丙酮。操作在101.3kPa、25℃下进行,物系的平衡关系为y=2x。试求(1)该塔的传质单元高数HOG及体积吸收系数Kya;(2)每小时回收的丙酮量,kg/h。

解:(1)M丙酮=58

∴

由全塔物料衡算:

∴

∵

∴

(2)每小时回收的丙酮量为:

6-19 在一填料层高度为5m的填料塔内,用纯溶剂吸收混合气中的溶质组分。当液气比为1.0时,溶质回收率可达90%。在操作条件下气液平衡关系为y=0.5x。现改用另一种性能较好的填料,在相同的操作条件下,溶质回收率可提高到95%,试问此填料的体积吸收总系数为原填料的多少倍?

解:本题为操作型计算,NOG宜用脱吸因数法求算。

原工况下:

因X2=0,则:

新工况(即新型填料)下:

则

即新型填料的体积传质系数为原填料的1.38倍。

讨论:对一定高度的填料塔。在其他条件不变下,采用新型填料,即可提高KYa,减小传质阻力,从而提高分离效果

6-20某填料吸收塔高2.7m,在常压下用清水逆流吸收混合气中的氮。混合气入塔的摩尔流率为0.03kmol/(m2·s),清水的喷淋密度0.018 kmol/(m2·s)。进口气体中含氮体积分数为2%,已知气相总体积吸收系数Kya=0.1 kmol/(m3·s),操作条件下亨利系数为60kPa。试求排出气体中氮的浓度。

解:

即操作线与平衡线平行,此时

故所以

解得

6-21 某填料吸收塔用含溶质x2=0.0002的溶剂逆流吸收混合气中的可溶组分,采用液气比是3,气体入口摩尔分数y1=0.001,回收率可达90%.已知物系的平衡关系为y=2x。

今因解吸不良使吸收剂入口摩尔分数x2升至0.00035,试求:(1)可溶组分的回收率下降至多少?(2)液相出塔摩尔分数升高至多少?

解:(1)

当上升时,由于H不变,不变

∴也不变,即

(3)物料衡算

6-22用一填料塔逆流吸收空气中的氨。单位塔截面上的混合气体流率为0.036 kmol/m2·s,含氨2%(摩尔分率,下同),新鲜吸收剂为含氨0.0003的水溶液,从塔顶加入。要求氨的回收率不低于91%,设计采用液气比为最小液气比的1.3倍。氨-水-空气物系的相平衡关系为y=1.2x。已知气相总传系数 Kya为0.0483 kmol/ m3·s ,过程为气膜控制。试求:

(1)所需塔高.

(2)若采用部分吸收剂再循环从塔顶加入,新鲜吸收剂用量不变,循环量与新鲜吸收剂量之比为1:10,为达到同样的回收率,所需塔高为多少?

解:(1)对吸收塔作物料衡算

吸收塔内液气比为

全塔物料衡算

其中

∴

全塔的传质单元数

所需塔高为

(2)当有部分吸收剂再循环后,吸收剂的入塔含量为



吸收塔内液气比

全塔物料衡算



联立  、两式可解得

全塔的传质单元数

所需塔高

6-23 为测定填料层的体积吸收系数Kya,在填料塔内以清水为溶剂,吸收空气中低浓度的溶质组分A。试画出流程示意图,指出需要知道哪些条件和测取哪些参数;写出计算Kya 的步骤;在液体流量和入塔气体中组分A浓度不变的情况下,加大气体流量,试问尾气中组分A的浓度是增大还是减小?

题6-23图

解流程如图(a)所示,由于

所以,为了测出,需要知道物系的平衡关系,因而需要测定温度,以便于从手册中查找有关数据,还需测量进、出口的气、液流量及组成、塔径和填料层的高度。

求的步骤如下:

(1)在稳定操作条件下测出L,V, 以及温度;

(2)依据平衡关系求出平均推动力;

(3)量出塔径及填料层高度H;

(4)将以上各量代入式,及求得。

若加入大气体流量,尾气中组分A的浓度将增高。其分析如图b所示。

分析(1)实验时要多测一些L和V条件下的数据以便总结出规律。

(2)试分析增大气体流量后 X1 会如何改变 ?

(3)测水流量 L 有何用途 ?

6-24 某逆流操作的填料吸收塔,塔截面积1m2,用清水吸收混合气中的氨气,混合气量为0.06kmol/s,其中氨的浓度为0.01(摩尔分率),要求氨的回收率至少为95%。已知吸收剂用量为最小用量的1.5倍,气相总体积吸收系数为0.06kmol/(m3·s),且∝G0.8。操作压力101.33kPa,操作温度30℃,在此条件下,气液平衡关系为,试求: