5 习题精选5-1 当压力不变时,温度提高1倍,溶质在气相中的扩散系数提高 2.83 倍;假设某液相黏度随温度变化很小,绝对温度降低1倍,则溶质在该液相中的扩散系数降低 1倍。5-2 等分子反向 扩散适合于描述精馏过程;单向扩散 适合描述吸收和解吸过程。5-3 双组份理想气体进行单向扩散。当总压增加时,若维持溶质A在气相各部分分压不变,传质速率将 减少 ;温度提高,则传质速率将 增加 ;气相惰性组分摩尔分率减少,则传质速率将 增加 。5-4 常压、25℃低浓度的氨水溶液,若氨水浓度和压力不变,而氨水温度提高,则亨利系数E 增加 ,溶解度系数H 减小 ,相平衡常数m 增加 ,对 吸收 过程不利。5-5 常压、25℃低浓度的氨水溶液,若氨水上方总压增加,则亨利系数E 不变 ,溶解度系数H 不变 ,相平衡常数m 减少 ,对 解吸 过程不利。5-6常压、25℃密闭容器内装有低浓度的氨水溶液,若向其中通入氮气,则亨利系数E 不变 ,溶解度系数H 不变 ,相平衡常数m 减少 ,气相平衡分压 不变 。5-7含5%(体积分率)二氧化碳的空气-二氧化碳混合气,在压力为101.3kPa,温度为25℃下,与浓度为1.1×10－3kmol/m3的二氧化碳水溶液接触,已知相平衡常数m为1641,则CO2从 气 相向 液 转移,以液相摩尔分率表示的传质总推动力为 1.07×10-5 。5-8填料吸收塔内,用清水逆流吸收混合气体中的溶质A,操作条件下体系的相平衡常数m为3,进塔气体浓度为0.05(摩尔比),当操作液气比为4时,出塔气体的极限浓度为 0 ;当操作液气比为2时,出塔液体的极限浓度为 0.0167 。5-9 难溶气体的吸收过程属于 液膜 控制过程,传质总阻力主要集中在 液膜 侧,提高吸收速率的有效措施是提高 液 相流体的流速和湍动程度。(3)示意绘出上述两种情况下的操作线,并说明由此可得出什么结论?

解:

(1)

在上半段进行物料衡算:

因为最佳位置进入,所以

在下半段进行物料衡算:

∵气膜控制,V不变,不变,所以不变

(2) 当两股吸收剂混合进料时

出口:

(3)见图。由此可见,吸收剂混合后进塔,操作线靠近平衡线,传质推动力下降,故所需填料层高度较高。不同浓度的两股吸收剂之间混合与分离的目的是背道而驰的,混合过程降低了吸收过程的推动力,对吸收分离是不利的,增加吸收塔高。

5-46. 逆流吸收-解吸系统,两塔的填料层高度相同。已知吸收塔入塔的气体组成为0.0196,要求回收率为95%,入塔液体组成为0.006(均为摩尔分率)。操作条件下吸收系统的气液平衡关系为Y*=0.125X,液气比为最小液气比的1.4倍,气相总传质单元高度为0.5m;解吸系统用过热蒸汽吹脱吸收液中的溶质,其气液平衡关系为Y*=2.5X,汽液比为0.4,试求:

(1)吸收塔出塔液体组成;

(2)吸收塔的填料层高度;

(3)解吸塔的气相总传质单元高度;

(4)欲将吸收塔的回收率提高到96%,应采取哪些措施?(定性分析)

解:

(1)

,

由全塔物料衡算:

(2) 计算z

填料层高度:

(3) 解吸塔

物料衡算:

∵吸收塔与解吸塔填料层高度相同。

∴

(4) 1)增大吸收塔内的液气比, 2)降低吸收剂浓度。

5-10在填料塔内用清水吸收混合气体中的NH,发现风机因故障输出混合气体的流量减少,这时气相总传质阻力将 增加 ;若因故清水泵送水量下降,则气相总传质单元数 不变 。

5-11低浓度逆流吸收塔中,若吸收过程为气膜控制过程,同比例增加液气量,其他条件不变,则H 增加 , 增加 ,出塔液体X 下降 ,出塔气体Y增加 ,吸收率下降 。

5-12采用逆流填料吸收塔吸收某溶质,当要求液体含量不低于某一数值,且工艺对吸收剂用量有一定的限制,结果填料未能得到充分润湿时,总传质系数 降低 ,工业上通常采用 吸收液再循环 流程提高填料的润湿率,当 总传质系数提高程度大于传质推动力降低程度 时,此操作对吸收过程是有利的。

5-13溶质A的摩尔比X3=0.2的溶液与总压为2atm,Y=0.15(摩尔比)的气体接触,此条件下的平衡关系为=1.2X( atm)。则此时将发生 吸收 过程;用气相组成表示的总传质推动力= 0.03 ;若系统温度略有提高,则将 降低 ;若系统总压略有增加,则将 增加 。

5-14在吸收塔设计中,传质单元高度 的大小反映了吸收塔设备效能的高低; 传质单元数 反映了吸收过程的难易程度。

5-15 在一逆流吸收塔内,填料层高度无穷大,当操作液气比>m时,气液两相在 塔顶 达到平衡;当操作液气比<m时,气液两相在 塔底 达到平衡;当操作液气比=m时,气液两相在 全塔各截面 达到平衡。

5-16 用清水吸收空气-NHA中的氨气通常被认为是 气膜 控制的吸收过程,当其它条件不变,进入吸收塔清水流量增加,则出口气体中氨的浓度 减少 ,出口液中氨的浓度 减少 ,溶质回收率 增大 。

5-17 在常压低浓度溶质的气液平衡体系中,当温度和压力不变时,液相中溶质浓度增加,溶解度系数H 不变 ,亨利系数E 不变 。

5-18 对于易溶气体的吸收过程,气相一侧的界面浓度Y接近于 Y(液相主体浓度平衡的摩尔比),而液相一侧的界面浓度X接近于 X(液相主体浓度) 。

5-19 解吸过程中,解吸塔某截面的气相溶质分压 小于 液相浓度的平衡分压,解吸操作线总在平衡线的 下方 。

5-20 吸收因数可表示为 A=L/(Vm) ,它在X-Y图的几何意义是 吸收操作线斜率与平衡线斜率之比 。

5-21当减少吸收剂用量,Yi、Y＊和Xi不变,则传质推动力 减少 ,操作线将 靠近 平衡线,吸收塔设备费用将 增加 。

5-22 一定操作条件下的填料吸收塔,若增加填料层高度,则传质单元高度H将 不变 ,传质单元数N将 增加 。

5-23 在填料吸收塔设计过程中,若操作液气比则全塔平均吸收推动力为 0 ,填料层高度 无穷大 。

5-24.传质单元数与 分离要求 、 平衡关系 、 操作液气比 有关。

5-25. 最大吸收率ηOG与 液气比 、 液体入塔浓度 、 相平衡常数 有关。

5-26. 在25℃下,用CO浓度为0.01kmol/m和0.05kmol/m的CO水溶液分别与CO分压为50.65kPa的混合气接触,操作条件下相平衡关系为p=1.66×10x(kPa),试说明上述两种情况下的传质方向,并用气相分压差和液相摩尔浓度差分别表示两种情况下的传质推动力。

解:

pmax=1.66×10×1.8×10=29.9(kPa)

p2=50.65 kPa> p33 所以传质方向为溶质由气相到液相(吸收过程)

以气相分压差表示的传质推动力为

与COA分压为50.65kPa的气相呈相平衡的液相摩尔浓度

以液相摩尔浓度差表示的传质推动力为

P=1.66×10×9.0×10=149.4(kPa)

p=50.65 kPa< p 所以传质方向为溶质由液相到气相(解吸过程)

以气相分压差表示的传质推动力为

以液相摩尔浓度差表示的传质推动力为

5-27.在一填料塔内用清水逆流吸收某二元混合气体中的溶质A。已知进塔气体中溶质的浓度为0.03(摩尔比,下同),出塔液体浓度为0.0003,总压为101kPa,温度为 40℃,问:

(1)压力不变,温度降为20℃时,塔底推动力(Y-Y)变为原来的多少倍?

(2)温度不变,压力达到202 kPa,塔底推动力(Y-Y)变为原来的多少倍?

已知:总压为101kPa,温度为 40℃时,物系气液相平衡关系为Y=50X。总压为101kPa,温度为 20℃时,物系气液相平衡关系为Y=20X。

解: 总压为101kPa,温度为 40℃时

所以

(1)压力不变,温度降为20C时

所以

(2) 压力达到202 kPa,温度为 40C

所以

5-28.在一填料塔中进行吸收操作,原操作条件下,ka=ka=0.026kmol/m.s,已知液相体积传质系数kaL。试分别对m=0.1及m=5.0两种情况,计算当液体流量增加一倍时,总传质阻力减少的百分数。

解:

(1) 时

时

所以,阻力减少:

(2) 时

时

所以,阻力减少:

5-29. 用清水在填料吸收塔中逆流吸收含有溶质A的气体混合物。进塔气体浓度为0.05(摩尔分率),在操作条件下相平衡关系为Y=5X,试分别计算液气比为6、5和4时,出塔气体的极限浓度和液体出口浓度。

解 (1) ,当填料层高度为无穷时,操作线ab与平衡线交于塔顶。

由物料衡算:

其中

(2) ,操作线ab与平衡线重叠

,

(3) ,操作线a’b’与平衡线交于塔底。

由物料衡算:

5-30.在填料塔中用清水吸收混合气体中的溶质,混合气中溶质的初始组成为0.05(摩尔分率),操作液气比为3,在操作条件下,相平衡关系为Y=5X,通过计算比较逆流和并流吸收操作时溶质的最大吸收率。

解:(1) 逆流时

在塔底达平衡

(2) 并流时

在塔底达平衡,

逆流时溶质吸收率高

5-31.在101.3kPa、35℃的操作条件下,在吸收塔中用清水逆流吸收混合气中的溶质A,欲将溶质A的浓度由0.02(摩尔分率,下同)降至0.001,该系统符合亨利定律,操作条件下的亨利系数为5.5210kPa。若操作时吸收剂用量为最小用量的1.2倍,

(1)试计算操作液气比L/V及出塔液相组成X。

(2)其它条件不变,操作温度降为15℃,此时亨利系数为1.210kPa, 定量计算L/V及X如何变化。

解:

(1) 101.3kPa、35℃下

,

(2) 温度降为15C时

5-32. 下图为低浓度气体吸收的几种流程,气液平衡关系服从亨利定律,试在Y-X图上定性地画出与各个流程相对应的平衡线和操作线的位置,并用图中表示浓度的符号标明各操作线端点的坐标。

(习题5-32附图)

5-33.用纯溶剂逆流吸收低浓度气体中的溶质,溶质的回收率用表示,操作液气比为最小液气比的倍。相平衡关系为Y=mX,试以、两个参数表达传质单元数N。

解:

5-34.在逆流操作的填料吸收塔中,用清水吸收某低浓度气体混合物中的可溶组分。操作条件下,该系统的平衡线与操作线为平行的两条直线。已知气体混合物中惰性组分的摩尔流率为90kmol/m.h,要求回收率达到90%,气相总体积传质系数Ka为0.02kmol/m.s,求填料层高度。

解:

推动力处处相等。

5-35.直径为800mm的填料吸收塔内装6m高的填料,每小时处理2000m(25℃,101.3kPa)的混合气,混合气中含丙酮5%,塔顶出口气体中含丙酮0.263%(均为摩尔分率)。以清水为吸收剂,每千克塔底出口溶液中含丙酮61.2g。在操作条件下的平衡关系为Y=2.0X,试根据以上测得的数据计算气相总体积传质系数Ka。

解:

,

,

,

而

5-36.体积流量为200m/h(18℃、101.3kPa)的空气-氨混合物,用清水逆流吸收其中的氨,欲使氨含量由5%下降到0.04%(均为体积百分数)。出塔氨水组成为其最大组成的80%。今有一填料塔,塔径为0.3m,填料层高5m,操作条件下的相平衡关系为Y=1.44X,问该塔是否合用?Ka可用下式计算:

Ka=0.0027mW kmol/(m.h.kPa)

m---气体质量流速,kg/(m.h);

W---液体质量流速,kg/(m.h)。

解:

,

,

,

混合气体摩尔流率:

混合气体平均分子量:

混合气体质量流速:

惰性组分摩尔流率:

又

液体质量流速:

所以,该塔不合适。

5-37.混合气中含0.1(摩尔分率,下同)CO,其余为空气,于20℃及2026kPa下在填料塔中用清水逆流吸收,使CO的浓度降到0.5%。已知混合气的处理量为2240m/h(标准状态下),溶液出口浓度为0.0006,亨利系数E为200MPa,液相总体积传质系数Ka为50 m/h,塔径为1.5m。试求每小时的用水量(kg/h)及所需填料层的高度。

解:

,

,

而

液体流量

相平衡常数

又

5-38. 有一常压吸收塔,塔截面为0.5m,填料层高为3m,用清水逆流吸收混合气中的丙酮(丙酮的分子量为58kg/kmol)。丙酮含量为0.05(摩尔比,下同),混合气中惰性气体的流量为1120m/h(标准状态)。已知在液气比为3的条件下,出塔气体中丙酮含量为0.005,操作条件下的平衡关系为Y=2X。试求:

(1)出塔液中丙酮的质量分率;

(2)气相总体积传质系数K2a(kmol/m2·s)

(3)若填料塔填料层增高3m,其它操作条件不变,问此吸收塔的吸收率为多大?

解:

(1)

(2)

S= m/(L/V)=2/3=0.667

(Y-mX)/(Y-mX)=Y/Y=0.05/0.005=10

kmol/(m·s)

(3) z=3+3=6m

S、H不变,

解得: =0.00109

5-39.在逆流操作的填料吸收塔中,用清水吸收含氨0.05(摩尔比)的空气—氨混合气中的氨。已知混合气中空气的流量为2000m2/h(标准状态),气体空塔气速为1m/s(标准状态),操作条件下,平衡关系为,气相总体积传质系数,采用吸收剂用量为最小用量的1.5倍,要求吸收率为98%。试求:

(1)溶液出口浓度;

(2)气相总传质单元高度和气相总传质单元数;

(3)若吸收剂改为含氨0.0015(摩尔比)的水溶液,问能否达到吸收率98%的要求,为什么?

解:(1)

,

(2)

(3)

不可能达到98%

5-40. 在一充有25mm阶梯环的填料塔中,用清水吸收混合气体中的NHOG。吸收塔在20℃及101.3kPa(绝压)的条件下逆流操作,气液相平衡关系为。已知混合气流率为0.045kmol/m·s, NH入塔浓度为0.05(摩尔分率),吸收率为99%,操作液气比为最小液气比的1.5倍,填料层高度为8.75m,试求:

(1)气相总体积传质系数;

(2)塔底截面处NH吸收的体积传质速率。

解:

(1)

=1.5×0.744=1.116

由

因为 X=0 且

又因

得

2)Na(全塔衡算,总传质速率方程)

由

得 X=0.0444,

=0.0553(0.05-0.752×0.0444)

=9.19×10kmol/m·s

5-41.在常压逆流连续操作的吸收塔中用清水吸收混合气中的A组分。混合气中惰性气体的流率为30kmol/h,入塔时A组分的浓度为0.08(摩尔比),要求吸收率为87.5%,相平衡关系为Y3=2X,设计液气比为最小液气比的1.43倍,气相总体积传质系数Ka=0.0186kmol/m·s ,且KaV,取塔径为1m,试计算:

(1)所需填料层高度为多少?

(2)设计成的吸收塔用于实际操作时,采用10%吸收液再循环流程,即L=0.1L,新鲜吸收剂用量及其它入塔条件不变,问吸收率为多少?

解:

(1)

(2) 吸收液再循环

此时吸收剂入口浓度:

因为,V不变,所以不变,即不变

不变

此时

(1)

由物料衡算:

(2)

将式(2)代入式(1),解之:,

5-42.含苯1.96%(体积)的煤气用平均摩尔质量为260kg/kmol的洗油在一填料塔中逆流吸收,以回收其中95%的苯,煤气流率为1200kmol/h,塔顶进入的洗油中含苯0.5%(摩尔分率),洗油用量为最小用量的1.3倍,吸收塔在101.3kPa、27C下操作,此时平衡关系为Y=0.125X。从吸收塔塔底引出的富油经加热后送入解吸塔顶,塔底通入水蒸汽,使苯从洗油中解吸出来,脱苯后的洗油冷却后送回吸收塔塔顶。水蒸气用量为最小用量的1.2倍,解吸塔在101.3kPa、120℃下操作,气液平衡关系为Y=3.16X。求洗油的循环用量和水蒸汽用量(kg/h)。

(1)吸收塔

,

洗油用量:

吸收剂(洗油)出塔浓度

(2) 解吸塔

水蒸汽用量:

5-43.用一填料层高度为3m的吸收塔,从含氨6%(体积分率)的空气中回收99%的氨。混合气体的质量流率为620kg/m·h,吸收剂为清水,其质量流率为900kg/m·h。在操作压力101.3kPa、温度20C下,相平衡关系为Y=0.9X。体积传质系数ka与气相质量流率的0.7次方成正比。吸收过程为气膜控制,气液逆流流动。试计算当操作条件分别做下列改变时,填料层高度应如何改变才能保持原来的吸收率:

(1)操作压力增大一倍;

(2)液体流率增大一倍;

(3)气体流率增大一倍。

解:

原工况:

水的摩尔流率:

混合气体平均分子量:

(1)压力增大一倍

因为,而

所以压力增大一倍,不变,不变

而

(2) 液体流率增大一倍

,

气膜控制,不变,不变

(3) 气体流率增大一倍

5-44. 在填料层高度为4m的常压填料塔中,用清水吸收混合气中的可溶组分。已测得如下数据:混合气可溶组分入塔组成为0.02,排出吸收液的浓度为0.008(以上均为摩尔比),吸收率为0.8,并已知此吸收过程为气膜控制,气液平衡关系为Y=1.5X。

(1)计算该塔的H和N;

(2)操作液气比为最小液气比的倍数;

(3)若法定的气体排放浓度必须 0.002,可采取哪些可行的措施?并任选其中之一进行计算,求出需改变参数的具体数值;

(4)定性画出改动前后的平衡线和操作线。

解:

(1)

(2)

(3) 可采取的措施:

a.增加填料层高度

不变(V不变,气膜控制不变)

不变

b.增大用水量

因为V不变,气膜控制,所以不变,不变

又不变,所以也不变

即

试差

或由图,查得

5-45. 空气和CCl混合气中含0.05(摩尔比,下同)的CCl,用煤油吸收其中90%的CCl。混合气流率为150kmol惰气/(m.h),吸收剂分两股入塔,由塔顶加入的一股CCl组成为0.004,另一股在塔中一最佳位置(溶剂组成与塔内此截面上液相组成相等)加入,其组成为0.014,两股吸收剂摩尔流率比为1:1。在第二股吸收剂入口以上塔内的液气比为0.5,气相总传质单元高度为1m,在操作条件下相平衡关系为Y=0.5X,吸收过程可视为气膜控制。试求:

(1)第二股煤油的最佳入塔位置及填料层总高度;

(2)若将两股煤油混合后从塔顶加入,为保持回收率不变,所需填料层高度为多少?