某化工厂现有一直径为0.8 m、填料层高度为3.8m的吸收塔,用纯溶剂吸收某气体混合物-|||-中的溶质组分。已知操作压力为160 kPa、温度为32℃,操作条件下的平衡关系为 =2.235X,-|||-气相总体积吸收系数为 .5kmol/((m)^3cdot h) 现场测得进塔混合气体的流量为 (m)^3/h, 混合-|||-气体中溶质的含量为5.27%(体积分数),出塔溶液中溶质的含量为0.0182(摩尔比)。试核算出-|||-塔尾气中溶质的含量(体积分数)。
题目解答
答案
解析
本题主要考察低浓度气体吸收的相关计算，关键思路是通过物料衡算、吸收因数法或对数平均推动力法来关联已知条件与待求的出塔尾气溶质含量。以下是详细步骤：
1. 关键参数定义与转换
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进塔气相摩尔比 $Y_1$：
已知进塔气体体积分数 $y_1 = 5.27\%$，摩尔比 $Y_1 = \frac{y_1}{1 - y_1}$，计算得：
$Y_1 = \frac{0.0527}{1 - 0.0527} = 0.0556$ -
出塔液相摩尔比 $X_1$：
题目给出出塔溶液中溶质含量 $X_1 = 0.0182$（摩尔比，无需转换）。
2. 物料衡算关联 $V$ 与 $Y_2$
惰性气体流量 $V$ 计算：
$V = \frac{q_{V,G,0}(1 - y_1)}{22.4} \cdot \frac{T_0}{T} \cdot \frac{p}{p_0}$
代入数据：$q_{V,G,0}=530\,\text{m}^3/\text{h}$，$T=305\,\text{K}$，$p=160\,\text{kPa}$，得：
$V = \frac{530(1 - 0.0527)}{22.4} \cdot \frac{273}{305} \cdot \frac{160}{101.3} \approx 31.69\,\text{kmol/h}$
物料衡算：$V(Y_1 - Y_2) = L(X_1 - X_2)$，纯溶剂 $X_2=0$，故：
$Y_2 = Y_1 - \frac{L}{V}X_1 \quad (1)$
3. 传质单元数 $N_{OG}$ 计算
气相总传质单元高度 $H_{OG} = \frac{V}{K_Ya \Omega}$，塔截面积 $\Omega = \frac{\pi}{4}d^2 = 0.785 \times 0.8^2 \approx 0.5027\,\text{m}^2$，代入 $K_Ya=68.5\,\text{kmol/(m}^3\text{·h)}$：
$H_{OG} = \frac{31.69}{68.5 \times 0.5027} \approx 0.921\,\text{m}$
传质单元数 $N_{OG} = \frac{Z}{H_{OG}} = \frac{3.8}{0.921} \approx 4.126$。
4. 对数平均推动力法求解 $Y_2$
平衡关系 $Y = 2.235X$，故：
- $\Delta Y_1 = Y_1 - mX_1 = 0.0556 - 2.235 \times 0.0182 \approx 0.0149$
- $\Delta Y_2 = Y_2 - mX_2 = Y_2$（$X_2=0$）
$N_{OG} = \frac{Y_1 - Y_2}{\Delta Y_m}$，假设 $\Delta Y_m \approx \frac{\Delta Y_1 + \Delta Y_2}{2}$（因 $\frac{\Delta Y_1}{\Delta Y_2} \approx 1.5 \sim 2$，误差小），代入得：
$4.126 = \frac{0.0556 - Y_2}{\frac{0.0149 + Y_2}{2}}$
解方程得 $Y_2 \approx 0.0081$。
5. 出塔尾气体积分数 $y_2$
$y_2 = \frac{Y_2}{1 + Y_2} = \frac{0.0081}{1 + 0.0081} \approx 0.00805 = 0.805\%$