题目
(17分)在逆流操作的填料吸收塔中,用清水吸收混合气体中的溶质组分。进塔气体中溶质组成为0.03(摩尔分率,下同),吸收率为99%。出塔液相中溶质组成为0.013。操作压力为101.3 kPa,温度27℃,平衡关系为^x=2x(y、x为摩尔分率)。若已知单位塔截面上惰性气体流量为0.015kmol/(m2·s),气相体积吸收总系数为1.42 kmol/(m3·h·kPa),求所需的填料层高度。已知:^x=2x ^x=2x ^x=2x ^x=2x ^x=2x^x=2x ^x=2x ^x=2x求:^x=2x
(17分)在逆流操作的填料吸收塔中,用清水吸收混合气体中的溶质组分。进塔气体中溶质组成为0.03(摩尔分率,下同),吸收率为99%。出塔液相中溶质组成为0.013。操作压力为101.3 kPa,温度27℃,平衡关系为
(y、x为摩尔分率)。若已知单位塔截面上惰性气体流量为0.015kmol/(m2·s),气相体积吸收总系数为1.42 kmol/(m3·h·kPa),求所需的填料层高度。
已知:
求:
题目解答
答案
解:塔底,塔顶的气,液组成为
以对数平均推动力法求填料层高度
塔顶 
塔底 
平均 
因为 气相气体总传质系数
气体流量
故有
解析
步骤 1：确定塔顶和塔底的气相和液相组成
根据题意，进塔气体中溶质组成为${y}_{b}=0.03$，吸收率为99%，即$n=0.99$。因此，出塔气体中溶质组成为${y}_{a}=(1-n){y}_{b}=(1-0.99)\times 0.03=3\times {10}^{-4}$。出塔液相中溶质组成为${x}_{a}=0.013$。
步骤 2：计算平均推动力
根据题意，平衡关系为${y}^{*}=2x$。因此，塔顶和塔底的推动力分别为：
- 塔顶：$\Delta {y}_{a}={y}_{a}-m{x}_{a}={y}_{a}=3\times {10}^{-4}$
- 塔底：$\Delta {y}_{b}={y}_{b}-m{x}_{b}=0.03-2\times 0.013=40\times {10}^{-4}$
平均推动力为：
$\Delta {y}_{m}=\dfrac {\Delta {y}_{a}+\Delta {y}_{b}}{2}=\dfrac {3\times {10}^{-4}+40\times {10}^{-4}}{2}=21.5\times {10}^{-4}$
步骤 3：计算气相总传质系数
根据题意，气相体积吸收总系数为${K}_{G}a=1.42kmol/({m}^{3}\cdot h\cdot kpa)$。因此，气相总传质系数为：
$K_{G}a=1.42\times 101.3=143.86mol\cdot ({m}^{3}\cdot {n}^{3})=0.0466mol\cdot ({m}^{3}\cdot s)$
步骤 4：计算填料层高度
根据题意，单位塔截面上惰性气体流量为${G}_{B}=0.015kmol\cdot {m}^{-2}\cdot {s}^{-1}$。因此，气体流量为：
$G=\dfrac {{G}_{B}}{1-{y}_{b}}=\dfrac {0.015}{1-0.03}=0.0155kmol\cdot {m}^{-2}\cdot {s}^{-1}$
根据传质速率方程，填料层高度为：
${m}_{n}=\dfrac {G}{{K}_{1}a}\dfrac {{y}_{b}-{y}_{m}}{\Delta {y}_{m}}=\dfrac {0.0155}{0.04}\times \dfrac {0.03-3\times {10}^{-4}}{14.3\times {10}^{-4}}=1.09m$
根据题意，进塔气体中溶质组成为${y}_{b}=0.03$，吸收率为99%，即$n=0.99$。因此，出塔气体中溶质组成为${y}_{a}=(1-n){y}_{b}=(1-0.99)\times 0.03=3\times {10}^{-4}$。出塔液相中溶质组成为${x}_{a}=0.013$。
步骤 2：计算平均推动力
根据题意，平衡关系为${y}^{*}=2x$。因此，塔顶和塔底的推动力分别为：
- 塔顶：$\Delta {y}_{a}={y}_{a}-m{x}_{a}={y}_{a}=3\times {10}^{-4}$
- 塔底：$\Delta {y}_{b}={y}_{b}-m{x}_{b}=0.03-2\times 0.013=40\times {10}^{-4}$
平均推动力为：
$\Delta {y}_{m}=\dfrac {\Delta {y}_{a}+\Delta {y}_{b}}{2}=\dfrac {3\times {10}^{-4}+40\times {10}^{-4}}{2}=21.5\times {10}^{-4}$
步骤 3：计算气相总传质系数
根据题意，气相体积吸收总系数为${K}_{G}a=1.42kmol/({m}^{3}\cdot h\cdot kpa)$。因此，气相总传质系数为：
$K_{G}a=1.42\times 101.3=143.86mol\cdot ({m}^{3}\cdot {n}^{3})=0.0466mol\cdot ({m}^{3}\cdot s)$
步骤 4：计算填料层高度
根据题意，单位塔截面上惰性气体流量为${G}_{B}=0.015kmol\cdot {m}^{-2}\cdot {s}^{-1}$。因此，气体流量为：
$G=\dfrac {{G}_{B}}{1-{y}_{b}}=\dfrac {0.015}{1-0.03}=0.0155kmol\cdot {m}^{-2}\cdot {s}^{-1}$
根据传质速率方程，填料层高度为：
${m}_{n}=\dfrac {G}{{K}_{1}a}\dfrac {{y}_{b}-{y}_{m}}{\Delta {y}_{m}}=\dfrac {0.0155}{0.04}\times \dfrac {0.03-3\times {10}^{-4}}{14.3\times {10}^{-4}}=1.09m$