在吸收塔中用清水吸收空气-氨混合气体中的氨，已知进塔混合气体中氨的含量为5.0%（质量分率，下同），吸收后出塔尾气中氨含量为0.15%。试计算进、出塔气体中氨的摩尔百分率(y_1、y_2)、质量比(bar(a)_1、bar(a)_2)、摩尔比(Y_1、Y_2)组成各为多少？
在吸收塔中用清水吸收空气-氨混合气体中的氨，已知进塔混合气体中氨的含量为5.0%（质量分率，下同），吸收后出塔尾气中氨含量为0.15%。试计算进、出塔气体中氨的摩尔百分率($y_1$、$y_2$)、质量比($\bar{a}_1$、$\bar{a}_2$)、摩尔比($Y_1$、$Y_2$)组成各为多少？
题目解答
答案
解析
本题主要考察吸收塔中气体组成的不同表示方法之间的换算，涉及摩尔百分率（$y$）、质量比（$\bar{a}$）、摩尔比（$Y$）三种组成的计算，关键是利用各组成的定义式及氨与空气的摩尔质量差异进行换算。
1. 进塔气体（$y_1$、$\bar{a}_1$、$Y_1$）计算
质量比（$\bar{a}_1$）
质量比定义为：$\bar{a}_1 = \frac{\text{氨的质量}}{\text{惰性气体（空气）的质量}}$
已知氨的质量分率为5.0%，则空气的质量分率为$1-5.0\%=95\%$，故：
$\bar{a}_1 = \frac{5}{95} \approx 0.05263$
摩尔百分率（$y_1$）
摩尔百分率需先将质量分率换算为摩尔分率：
- 氨（$NH_3$）的摩尔质量$M_{NH_3}=17\ \text{kg/kmol}$，空气的平均摩尔质量$M_{空气}=29\ \text{kg/kmol}$。
- 氨的摩尔分数：$n_{NH_3}=\frac{5/17}{5/17 + 95/29} \approx \frac{0.2941}{0.2941 + 3.2759} \approx 0.0824$（即8.24%）。
- 总摩尔数：$n_{总}=n_{NH_3}+n_{空气}\approx 0.2941 + 3.2759=3.57\ \text{kmol}$。
- 摩尔百分率：$y_1=\frac{n_{NH_3}}{n_{总}}\times100\%\approx 8.24\%$。
摩尔比（$Y_1$）
摩尔比定义为：$Y_1=\frac{\text{氨的物质的量}}{\text{惰性气体（空气）的物质的量}}$
空气的物质的量：$n_{空气}=\frac{95}{29}\approx 3.2759\ \text{kmol}$，故：
$Y_1=\frac{0.2941}{3.2759}\approx 0.0898$
2. 出塔气体（$y_2$、$\bar{a}_2$、$Y_2$）计算
质量比（$\bar{a}_2$）
同理，氨的质量分率为0.15%，空气的质量分率为$1-0.15\%=99.85\%$，故：
$\bar{a}_2=\frac{0.15}{99.85}\approx 0.001502$
摩尔百分率（$y_2$）
- 氨的摩尔分数：$n_{NH_3}=\frac{0.15/17}{0.15/17 + 99.85/29}\approx \frac{0.00882}{0.00882 + 3.4431}\approx 0.00255$（即0.255%）。
- 总摩尔数：$n_{总}=0.00882 + 3.4431 + 0.00882\approx 3.4519\ \text{kmol}$（此处原答案修正为$3.4519$）。
- 摩尔百分率：$y_2=\frac{0.00882}{3.4519}\times100\%\approx 0.255\%$。
摩尔比（$Y_2$）
空气的物质的量：$n_{空气}=\frac{99.85}{29}\approx 3.4431\ \text{kmol}$，故：
$Y_2=\frac{0.00882}{3.4431}\approx 0.00256$