流量为 0.03 cdot (kmol)/((m)^2 cdot (s)) 的空气混合气中含氨 2%（摩尔分率），拟用填料吸收塔逆流吸收以回收其中 95% 的氨。吸收液是摩尔分率为 0.0004 的稀氨水溶液，操作液气比为最小液气比的 1.5 倍，操作范围内的平衡关系为 y=1.2x，填料塔的气相总传质数 K_ya=0.041 cdot (kmol)/((m)^3 cdot (s))。试求：（2018-19·2B）（1）出塔液体浓度（摩尔分率）；（2）填料层高度，(m)；（3）若其他操作条件维持不变，请分析吸收液温度升高对吸收过程的推动力以及出塔气体、液体浓度的影响。

本题主要考察吸收塔的物料衡算、传质单元高度和传质单元数的计算以及操作条件变化对吸收过程的影响。解题思路如下：

（1）求 出塔液体浓度（摩尔分率）

1. 首先根据吸收回收率计算出塔气体中氨的摩尔分率 $y_2$。
   已知吸收回收率 $\eta = 95\%$，进塔气体中氨的摩尔分率 $y_1 = 0.02$，根据公式 $\eta=\frac{y_1 - y_2}{y_1}$，可得：
   $y_2=y_1(1 - \eta)=0.02\times(1 - 0.95)=0.001$
2. 然后计算最小液气比 $(\frac{L}{G})_{min}$。
   进塔气体中惰性气体的摩尔分率 $y_{1}^{'}=1 - y_1 = 1 - 0.02 = 0.98$，则惰性气体的摩尔流量 $G = 0.03\times0.98=0.0294\space kmol/(m^2\cdot s)$。
   与 $y_1$ 成平衡的液相摩尔分率 $x_1^{*}=\frac{y_1}{m}=\frac{0.02}{1.2}\approx0.01667$，已知吸收液中氨的摩尔分率 $x_2 = 0.0004$。
   根据最小液气比公式 $(\frac{L}{G})_{min}=\frac{y_1 - y_2}{x_1^{*}-x_2}$，可得：
   $(\frac{L}{G})_{min}=\frac{0.02 - 0.001}{0.01667 - 0.0004}\approx1.168$
3. 接着计算操作液气比 $\frac{L}{G}$。
   已知操作液气比为最小液气比的 $1.5$ 倍，则 $\frac{L}{G}=1.5\times(\frac{L}{G})_{min}=1.5\times1.168 = 1.752$。
4. 最后根据全塔物料衡算计算出塔液体浓度 $x_1$。
   全塔物料衡算公式为 $G(y_1 - y_2)=L(x_1 - x_2)$，变形可得 $x_1=x_2+\frac{G(y_1 - y_2)}{L}$，将 $G = 0.0294\space kmol/(m^2\cdot s)$，$y_1 = 0.02$，$y_2 = 0.001$，$x_2 = 0.0004$，$\frac{L}{G}=1.752$ 代入可得：
   $x_1=0.0004+\frac{0.02 - 0.001}{1.752}=0.0004+\frac{0.019}{1.752}\approx0.0112$

（2）求 填料层高度

1. 先计算对数平均推动力 $(y - y^*)_m$。
   塔顶处，与 $x_2$ 成平衡的气相摩尔分率 $y_2^{*}=mx_2 = 1.2\times0.0004 = 0.00048$。
   塔底处，与 $x_1$ 成平衡的气相摩尔分率 $y_1^{*}=mx_1 = 1.2\times0.0112 = 0.01344$。
   根据对数平均推动力公式 $(y - y^*)_m=\frac{(y_1 - y_1^*) - (y_2 - y_2^*)}{\ln\frac{y_1 - y_1^*}{y_2 - y_2^*}}$，可得：
   $y_1 - y_1^*=0.02 - 0.01344 = 0.00656$，$y_2 - y_2^*=0.001 - 0.00048 = 0.00052$
   $(y - y^*)_m=\frac{0.00656 - 0.00052}{\ln\frac{0.00656}{0.00052}}\approx0.00237$
2. 再计算传质单元数 $N_{OG}$。
   传质单元数公式为 $N_{OG}=\frac{y_1 - y_2}{(y - y^*)_m}$，将 $y_1 = 0.02$，$y_2 = 0.001$，$(y - y^*)_m = 0.00237$ 代入可得：
   $N_{OG}=\frac{0.02 - 0.001}{0.00237}\approx7.93$
3. 最后计算填料层高度 $H$。
   传质单元高度公式为 $H_{OG}=\frac{G}{K_ya}$，已知 $G = 0.0294\space kmol/(m^2\cdot s)$，$K_ya = 0.041\space kmol/(m^3\cdot s)$，则 $H_{OG}=\frac{0.0294}{0.041}\approx0.717\space m$。
   填料层高度公式为 $H = H_{OG}N_{OG}$，将 $H_{OG}=0.717\space m$，$N_{OG}=7.93$ 代入可得：
   $H = 0.717\times7.93\approx5.87\space m$

（3）分析吸收液温度升高对吸收过程的影响

1. 吸收液温度升高，根据亨利定律 $y = mx$，平衡常数 $m$ 增大。
2. 因为 $m$ 增大，对于塔底的 $x_1$，与 $x_1$ 成平衡的气相摩尔分率 $y_1^{*}=mx_1$ 增大；对于塔顶的 $x_2$，与 $x_2$ 成平衡的气相摩尔分率 $y_2^{*}=mx_2$ 增大。
3. 推动力 $(y - y^*)_m=\frac{(y_1 - y_1^*) - (y_2 - y_2^*)}{\ln\frac{y_1 - y_1^*}{y_2 - y_2^*}}$，由于 $y_1^*$ 和 $y_2^*$ 增大，所以推动力 $(y - y^*)_m$ 减小。
4. 推动力减小，传质速率降低，吸收效果变差。为了达到相同的回收率，出塔气体中氨浓度 $y_2$ 增大，出塔液体中氨浓度 $x_1$ 减小。