化工原理答案_第五章__吸收供参习

x
1
—X 0.0105 1—0.0105 =0.0106
【5-3】进入吸收器的混合气体中,
第五章 吸收
相组成的换算
【5-1】 空气和CO ?的混合气体中，CO ?的体积分数为20%，求其摩尔分数y 和摩尔比Y 各 为多少？ 解 因摩尔分数=体积分数，y=0.2摩尔分数 摩尔比 丫 y
兰 025
1 _y 1-0.2
【5-2】20C 的l00g 水中溶解lgNH 3, NH 3在溶液中的组成用摩尔分数 X 、浓度c 及摩尔比X
表示时，各为多少？
解 摩尔分数x 1/17
=0.0105
1/17+10X8
浓度c 的计算20C ，溶液的密度用水的密度
© =998.2kg/m 3代替。

溶液中NH 3的量为 n =1 10 J / 17kmol 溶液的体积 V =101 10-/998.2 m 3
3
溶液中 NH 3 的浓度 c =丄=1—
103 /17
=0.581kmoj/m 3
V 101 疋 10一 / 998.2
「 R 9 98 2
3
或 c -x
0.0 1 0=5 . 0 kmo "m
M s 18
NH 3与水的摩尔比的计算 X 1/17
0.0106
100/18
NH 3的体积分数为10%，吸收率为90%，求离开吸收器时
NH 3的组成，以摩尔比 丫和摩尔分数y 表示。

吸收率的定义为
被吸收的溶质量 丫 -丫 2 _邑
一原料气中溶质量 一 £
一飞
解原料气中NH 3的摩尔分数y =0.1 摩尔比
丫！二
y 1
"
=0.111
1 1-0.1 吸收器出口混合气中 NH 3的摩尔比为
丫 2 =(1」［)丫 (1-0.9) 0.111 =0.0111
摩尔分数
"占厂晋7"01098
气液相平衡
液相中NH 3的摩尔分数
气相的平衡摩尔分数
x 1/17
0.0105
/7+100/18
y* 二 p / p=0 7 9/8 1 0 0 0.21 101.325 6
3.313 10
=6.42 106kmol O /kmol 溶液
此为1kmol 水溶液中最大可能溶解 6.42 10^kmol O 【5-4】 lOOg 水中溶解lg NH 3，查得20 C 时溶液上方NH 3的平衡分压为798Pa 。

此稀溶液的 气液相平衡关系服从亨利定律， 试求亨利系数E(单位为kPa )、溶解度系数H[单位为kmol/(m 3 kPa)] 和相平衡常数 m 。

总压为100kPa 。

1/17 解 液相中NH 3的摩尔分数x 一 0.0105
1/17+100/18
气相中NH 3的平衡分压
P * =0.798 kPa
亨利系数 E =p*/x =0.798/0.0105 =76
亠
n 1X10"3 /17
液相中NH 3的浓度 c
3
0.581 kmo /m 3
V 101x10?/998.2
溶解度系数
H=c/ 口卫 581/ 0.7 亠8 .0 7m8)l/(m kPa
相平衡常数
m =^y - °
798
0.76
x 100x0.0105
或 m = E/ p^6/10 — .0 76
【5-5】空气中氧的体积分数为 21%，试求总压为101.325kPa ，温度为10C 时，1m 3水中最大
可能溶解多少克氧？已知
10C 时氧在水中的溶解度表达式为
p* =3.313 106x ，式中p*为氧在气相
中的平衡分压，单位为 kPa ； x 为溶液中氧的摩尔分数。

解 总压 p =101.325 kPa 空气中。

2的压力分数 p /p =体积分数=0.21 空气中。

2 的分压 p A =0.21 101.325 kPa
亨利系数
E =3.313 106 kPa
(1)利用亨利定律p A 二E X 计算
与气相分压P A =0.21 101.325kPa 相平衡的液相组成为
因为溶液很稀，其中溶质很少
1kmol 水溶液 Fkmol 水=18 kg 水
10 C,水的密度 『=9 9 .9 k7/帝
故1km o水溶液勺8/999.7m3水
999.7
m 3水中最大可能溶解 6.42 10-kmol 氧
1m 3水中最大可能溶解的氧量为
6.42 10- 999.7
18
4
= 3.57 10 一kmolQ
3.57 x10Ux32=1.14x102kgQ =11.4g Q (2)利用亨利定律p A =C A 计算
H
P
999.7
5 3
H —=
6
= 1 .676 10 一 kmol/ m kPa
EM s 3.313 x10S;18 '
3
1m 水中最大可能溶解的氧量为
*
5
4
3
C A 二 P A H =(0.21 101.325) (1.676 10-)=3.57 10 一kmol 0/m 溶液
3.57 10 - 32 =1.14 102kg O 2=11.4gO 2
【5-6】含NH 3体积分数1.5%的空气-NH 3混合气，在 20C 下用水吸收其中的 203kPa 。

NH 3在水中的溶解度服从亨利定律。

在操作温度下的亨利系数
E =80kPa 。

NH 3总压为
试求氨水溶液
(1)利用亨利定律P* =Ex 计算
与气相分压p 相平衡的液相中 NH 3的摩尔分数为
P A
203 0.015
80
=0.0381
NH 3水溶液的总浓度
水溶液中NH 3的最大浓度
C A =cx=998 20.0 38 1 18
若总压为1MPa
=2.11kmol NH 3 / n i 溶液
(2)利用亨利定律p A =C A 计算
H
£ 998 2
3
E =80kPa, H ----------- = =0.693 kmol/(m
kPa)
EM s 80X18
c A =p *A H =(203 0.015) 0.693 =2.11 kmol NH s /m 3溶液
【5-7】温度为20C ，总压为0.1MPa 时，CO ?水溶液的相平衡常数为 m=1660。

时，相平衡常数 m 为多少？温度为20C 时的亨利系数 E 为多少MPa?
解 相平衡常数m 与总压p 成反比，
9 9 8 2 3
kmol / m 18
p =0.1MPa 时m =1660, p' =1MPa 时
m' =m P
= 1660
0.1
=166 P' 1
亨利系数 E 二mp =m'p'=166 MPa
【5-8】用清水吸收混合气中的NH3，进入吸收塔的混合气中，含NH3体积分数为6%,吸收后混合气中含NH3的体积分数为0.4%，出口溶液的摩尔比为0.012kmol NH/ kmol水。

此物系的平衡关系为丫* =0.76X。

气液逆流流动，试求塔顶、塔底的气相传质推动力各为多少？
解已知％ =0.06，贝U 丫=% /(1 —% )=0.06/0.94 =0.0638
已知y2 =0.004，则丫 2 =0.004/ 1 —0.004 =4.02 103
已知X1 =0.012，贝y Y* =0.76 0.012 =0.00912
已知X2 =0，贝U 丫* =0
塔顶气相推动力.：丫2 = 丫2_丫2* = 4.02 10 2
塔底气相推动力「：丫1 =丫一丫 0. 0 6 3 8- 0 . 00 9勻 2 0.0 5 4 7
【5-9】CO 2分压力为50kPa的混合气体，分别与CO 2浓度为0.01kmol/m3的水溶液和CO 2浓度为0.05kmol/ m3的水溶液接触。

物系温度均为25C，气液相平衡关系p* =1.662 105xkPa。

试求上述两种情况下两相的推动力 (分别以气相分压力差和液相浓度差表示) ，并说明CO2在两种情况
下属于吸收还是解吸。

解温度t =25C，水的密度为匚=997kg / m3
混合气中CO2的分压为p =50kPa
97 3
水溶液的总浓度c s kmol / m水溶液
M s 18
(1)以气相分压差表示的吸收推动力
①液相中CO2的浓度c A =0.01kmol CO2/ m3水溶液
液相中CO 2的摩尔分数x二c A/c °.°^=1.805 10°
997/18
与液相平衡的气相平衡分压为
p* =1.662 X105 x =1.662 X105 X1.805 X10 ° =30kPa
气相分压差表示的推动力•巾=p -p 50 3 0 =2 0 Pa吸收)
②液相中CO2的浓度c A =0.05kmol / m3水溶液
习题5-10附图
液相中CO 2的摩尔分数x =c A /c 005 9.027 10
997/18
与液相平衡的气相平衡分压为
p* =1.662 x105 x =1.662 x105 x9.027 x10 土 =150kPa
气相分压差表示的推动力 .沖二p* _p =150 _50 =100kPa （解吸）
（2）以液相浓度差表示的吸收推动力 与气相CO 2分压p =50kPa 平衡的液相组成为 * p 50
X*
5
5
1.662 10 1.662 10
平衡的液相浓度
①液相中CO 2的浓度c A =0・01kmol CO 2/
m 3水溶液 液相浓度差表示的推动力为
*
3
,'c =c A —c A =0.01666 —0.01 =0.00666kmol /m （吸收）
②液相中CO 2的浓度c A =0.05 kmol CO 2 / m 3水溶液 液相浓度差表示的推动力为
*
3
i.c =c A -C A =0.05 -0.01666 =0.0333kmol / m
（解吸）
吸收过程的速率
【5-10】如习题5-10附图所示，在一细金属管中的水保持
25C,在
管的上口有大量干空气（温度25C ，总压101.325kPa ）流过，管中的水汽化 后在管中的空气中扩散， 扩散距离为100m m 。

试计算在稳定状态下的汽化
速率，kmol/m? s ）。

解 25C 时水的饱和蒸气压为 3.2895kPa
从教材表5-2中查得，25C, 101.325kPa 条件下，出0在空气中的分 子扩散系数
D =0.256cm 2/ s =0.256 10^m 2/s 。

扩散距离 Z =100mm=0.1m ，总压 p =101.325 kPa 水表面处的水汽分压 p A 1 =3. 2 8 9k5P a
空气分压
p B 1 =P - p A 1 =101.325 -3.2895
= 98.04 kPa
管上口处有大量干空气流过，水汽分压 P A 2 =0
空气分压 p B 2 =101.325kPa 空气分压的对数平均值为
Ai=-3 25V
他2 -p Bl
p
Bm 二
In p B2
P B1 水的汽化速率
常鳥=99.8kPa 101.325
In
98.04
D p
N A :
RTZ P Bm
0.256 10- 101.325 7 2
3.2895-0 =3.45 10-kmol/ m s
8.314 298 0.1 99.8
【5-11】用教材图5-10 （例5-4附图）所示的装置，在温度为48C、总压力为101.325kPa条■\P AI - p A2 I
件下，测定CCI4蒸气在空气中的分子扩散系数。

48C时，CCI4的饱和蒸气压为37.6kPa，液体密
度为1540kg / m3。

垂直管中液面到上端管口的距离，实验开始为2cm,终了为3cm, CCI4的蒸发时间为1.556 104s。

试求48C时，CCl4蒸气在空气中的分子扩散系数。

解计算48C时CCI4蒸气在空气中的分子扩散系数，计算式为
RT T Z2—Z：
D =-
2pM /In —P
P —P A
已知CCI4液体密度「=1540 kg/m3
48 C时CCI4的饱和蒸气压p A =37.6kPa
总压p =101.325kPa, T =273 48 =321K
开始Z°=2cm，终了Z =3cm
CCI4的蒸发时间V -1.556 104s
CCI4 的摩尔质量M =154 kg / kmoI
摩尔气体常数R =8.314 kJ/：kmoI K)
已知数据代入计算式，得扩散系数 D =0.0912cm2/s
【5-12】用清水在吸收塔中吸收混合气中的溶质A，吸收塔某截面上，气相主体中溶质A的分压为5kPa，液相中溶质A的摩尔分数为0.015。

气膜传质系数& =2.5 10~kmoI /(m2 s)，液膜
传质系数k x =3.5 10^kmoI/(m2 s)。

气液平衡关系可用亨利定律表示，相平衡常数m=0.7。

总压为101.325kPa。

试求：(1)气相总传质系数K Y，并分析吸收过程是气膜控制还是液膜控制; 面
上溶质A的传质速率N A。

(2)试求吸收塔该截
解⑴气相总传质系数K
Y
K Y k Y k x
1
5
07
亍=4 104 2 102 2.5 10 3.5 10
=4.02 104
K Y =2.488 10-kmol/ m s
气膜阻力 1 /k Y =4 104(m2 s) /kmol ,液膜阻为m/kx =2 102(m2 s)/ kmol 。

气膜阻力与总阻力的比值为空4 104
4 =0.995，为气膜控制。

1/ K Y 4.02X104 (2)传质速率比
Y
P
A
5
0.0519 p _p A101.325 -5
x 0015
X 0.0152, Y* =mX =0.7 0.0152 =0.0106
x -1 1 -0.015
5 6 2
N A 二K Y Y-Y* =2.488 1050.0519-0.0106 =1.03 10一kmol/ m .s
【5-13】根据P A = p y尸卩及p £A =CX, q=cX j ,试将传质速率方程
N A =k G (P A—P i) =6 (c —C A)变换成N A =k y (y—y i )=k x (x—X )的形式。

k y与k G> k x与《有何关系。

解N A=k G P A— p = k G py =py pk — y i 今y k—y：y
式中k y = pk G
N A =& (G -Q A )=k L (ex — ex )=ck L (Xi —x )=kx(x —x)
式中k x =ck L
吸收塔的计算
【5-14】从矿石焙烧炉送出的气体含体积分数为9%的SO2，其余视为惰性气体。

冷却后送入
吸收塔，用水吸收其中所含SO2的95%。

吸收塔的操作温度为30C，压力为100kPa，每小时处理
的炉气量为1000m3(30C、100kPa时的体积流量)，所用液-气比为最小值的1.2倍。

求每小时的用水量和出塔时水溶液组成。

平衡关系数据为
y 0.09
y =0.09, Y —= =0.0989
1 1 _0.09
r =0.95,篦=(1 —)丫, =]1 —0.95 0.0989=0.00495
吸收剂为水，X2 =0 ,总压p =100kPa
原料气中SO2 分压FS G =p% =100 0.09 =9kPa
换算为摩尔比 X ；.0^ .2.44 10
上
100/18
最小液-气比
Y 1 — 丫
2
G m in X 1 -X 2
0.0989 -0.00495
38.5
0.00244
L/G =1.2 上
G
m = 1.2 38.5 =46.2
iin
已知炉气流量 1000 m 3/h (30C,100kPa)
1000 竺吏 100
303.15
商=39.7kmOl/ h
②用水量计算
标准状态下理想气体的摩尔体积为 22.4 m 3/ kmol （273.15K,101.325kPa ）
炉气的摩尔流量为
惰性气体流量G =39.7(1 -0.09 = 36.1kmol /h
吸收用水量L =4 6. 2 3 6 1 1 6k3n8 ol / h
4
=18 1668 =3 10 kg / h
③出塔水溶液的组成
人二丫^丿.0989』.00495/。

？^。

^
L/G 46.2
【5-15】在一吸收塔中，用清水在总压0.1MPa、温度20C条件下吸收混合气体中的CO?,将其组成从2%降至0.1% （摩尔分数）。

20C时CO2水溶液的亨利系数 E =144MPa。

吸收剂用量为最
小用量的 1.2倍。

试求：（1）液-气比L/G及溶液出口组成X,。

⑵试求总压改为1MPa时的L/G及X!。

(1)总压p =0.1MPa时L/G及X t
y
1
1 _y t 1-0
=E / p =144/0.1 =1440
L 丫一丫2 0.02041 —0.001
.—| = ------------------- = ------------------------- =1369
G m i n YJm-X2 0.02041 /1440 -0
=12
G min
=1.2 1369 =1643
X1 = X2+g(Y—Y)=0+°02041—0・001=1.18 約0-5
L 1643 总压p =1MPa时的L/G及X1
m 二 E / p =144/1 =144
』02041 -0.001
=136.9 ' 川 0.02041/144
L/G =1.2(L/G)min=1.2 136.9 =164.3
0.1MPa增大到1MPa，溶液出口组成从 1.18 10二增加到
惰性气体流量
G'
Q 2
1 -y! =0.015 1 -0.0
2 =0.0147kmol /(m s)
H
OG
G
K Y a Q
0.0147
0.015
= 0.98
L
=1.5 卩〕
G G N OG =1.18 10-
从上述计算结果可知，总压从
4
1.18 10 4o
【5-16】用煤油从苯蒸气与空气的混合物中回收苯，要求回收99%。

入塔的混合气中含苯2% (摩尔分数)；入塔的煤油中含苯0.02% (摩尔分数)。

溶剂用量为最小用量的 1.5倍，操作温度为
3
50C,压力为100kPa，相平衡关系为丫* =0.36X，气相总传质系数K(a =0.015kmo|/(m s)。

入塔
混合气单位塔截面上的摩尔流量为0.015kmol/(m2 s)。

试求填料塔的填料层高度，气相总传质单元
数用对数平均推动力法及吸收因数法的计算式计算。

解(1)气相总传质单元高度H°G计算
入塔混合气的流量詈==0.015 kmol/(m2s)
r 3
y =0.02, K y a =0.015 kmo/ m s
(2)气相总传质单元数H OG计算
丫y i =0.02 =0.0204，回收率=0.99
1 i 0.98
篦=丫(1」尸0.0204(1 —0.99 J= 2 .04x10^
X2 二0.0002, X 2 :w x — 0.0002
①吸收因数法计算N°G
X； =Y/ m =0.0204/0.36 =0.0567
=15汇丫1一丫2 =15/.0204一°.000204 =0 536 X1 -X20.0567 _0.0002
mG韭=0.672
0.536
1 忆mG能-mX2丄mG
------- I n , 1 _— -------------------- +一
〔_mG 氏L -mX2 L
L
L cc 了0020_4.036 0 00 0 2
1 — 0 6 712)’1- . 7g .0 0 0020 程0.3 6丿0 0%02
②对数平均推动力法计算N°
G
L 丫1 一丫2
40002 .型上咤4 J0379
0.536
.'Y m
6.8 10J -0.132 10卫
In
In
6.8 0.132
=169 10-
OG
X . =X2 +Y -Y
L/G
Y * =mX i =0.36 0.0379 =0.0136 Y * =mX 2 =0.36 0.0002 =0.000072 .Y =Y =Y * =0.0204 _0.0 1 36 =6.8 1 0-
彳 2 =丫 2 =丫2* =0.204 X 1 0-_0.07^< 10-=0.1 32x1 0-
—J 0204 -0.000204 »2 .-■ Y
m
1.69 10 J
(3)填料层高度Z 计算
Z 二H OG N OG 二0.98 ・：12 二 11.8m
【5-17】混合气含 CO 2体积分数为10%，其余为空气。

在 30C 、2MPa 下用水吸收，使 CO 2 的体积分数降到0.5%，水溶液出口组成 X ! =6 10-(摩尔比)。

混合气体处理量为 2240m 3/h (按 标准状态，273.15K, 101325
Pa )，塔径为1.5m 。

亨利系数 E =188MPa ，液相体积总传质系数
3
3
K L a =50kmol ,(m h kmol / m )。

试求每小时用水量及填料塔的填料层高度。

解(1)用水量计算
y 1 =0.1, 丫 二01 =0.111, ¥2=0005,%
二0005 =5.03X10? ,
X 1
=6x10° ,
X ? =0
0.9 0.995
混合气流量 G 二 =100kmo l/ h .4
惰性气体流量
G 二G' 1 -y . =100 1 -0.1 =90kmol /h
G ( Y_ 2Y )90(0 111 _0 Q0503 )
4
用水量 L
12 4 1 59 10^ k mo I / h
X 1-X 2 6X10」 4
5
=1.59X10 X18 =2.86 X10 kg/h
(2)填料层高度Z 计算 水溶液的总浓度
c ：「：/M s =9 9 5 7/ 1=8 &mo3 m 3
体积传质系数K X a 二cK L a =55.3 50 =2765 kmol / (m3h)
液相总传质单元高度
H
OL
K X a Q
2 7 65-X （ 1$5
4
二 3.26m
①对数平均推动力法计算 N °L 气液相平衡常数
m 二
188
=94
P 2
X 1* =Y / m =0.111/94 =1.18 10- X ； =Y 2/m =0.00503/94 =5.35 10 -
.汇=X ； _X , =1.18 10—6 10-= 5 .8 10- .X 2 =X 2 _X 2 =5.35 10- _0 =5.35 10 总
X m
.X - X 2
58 10- -5.35 10-
4
- - 5
=2.209 10-
,.X 1 5
In
X !
ln 58 叭 5.35 10-
液相总传质单元数
N OL =3 =2.72
…
2.209 10 -
X m
②吸收因数法计算 N °L mG
1.59 104
94 90 =1.879
N OL
—1 ln 1 一丄 mG
丄丄1 I mG 丿 X 1 — X 1
mG
1-1 879
l
填料层高度
n jj[1 _1 879
——+1 879 1=2 73
f .
6 10- -1.18 10- .
.
Z = H L N O L 3. 2 6 2 73= 8n9
【5-18】气体混合物中溶质的组成 Y =0.02 （摩尔比），要在吸收塔中用吸收剂回收。

气液相
平衡关系为丫* =1.0X 。

（1）试求下列3种情况下的液相出口组成 X 1与气相总传质单元数 N OG （利用教材中图5-23），并 迸行比较，用推动力分析 N °G 的改变。

3种情况的溶质回收率均为
99%。

① 入塔液体为纯吸收剂，液
②
入塔液体为纯吸收剂，
液
-气比 L /G =2.0 ;
-气比 L / G =1.2 ;
X 2 =0.0001 （摩尔比），液-气比 L /G =1.2。

（2）入塔液体为纯吸收剂，最小液 -气比（L / G ） min =0.8，溶质的回收率最大可达多少? 解⑴求X 1与N OG
回收率H =0.99, Y =0.02，相平衡常数m=1
N OG =7.8
L
丫1 -Y a
G X ’ _X 2
2严-0.
0002
兀_0
X 1
=0. 0 0 9 9 ② X 2 =0, /
G=1.2,/ mG 1. 2 丫2
-* =0 01
Y -mX 2
查图 5-23，得 Ng =17
1.2 严一0.
0002
X 1 _0 X^0. 0 1 6 5
Y > -mX 2 Y _mX 2
1.2 严-0.
0002
X t _0.0001
由物料衡算得
L ¥ -Y 2
丫 1 -丫Y - 丫（G ） --- *
X i - X 2
一丫1_ 丫1
X 2
m
m
回收率
Y 1 -Y 2
=0 8 =
L/G mi
mG
① X 2 =0, L /G =2, L /mG =2
Y^=0.0002
-°=0.01 查图 5-23，得
Y _mX 2 0.02 _0
③ X ? =0.0 0 0, / G = . 1 m G . 1
0.
0002 -
0.
000
\5.03 10』
0.02 -J0.0001
查图 5-23，得 N OG =21
"0.0001 °.02一0.0002 =0.0166
计算结果比较:
②与①比较，X 2相同，L/G 减小时，操作线斜率减小，向平衡线靠近，推动力减小。

为达到 定的溶质回收率要求（即达到一定的
Y 2要求），N OG
需要增大，同时X !也增大了。

③
与②比较，L/G 相同，使X 2增大，即操作线斜率相同，操作线向平衡线平行靠近，使推动 力减小，
N OG 增大，同时X 1也增大了。

（2） X 2 =0, （ L/G ）min =0.8 ， ---------- =0.8
m
当液体出口组成 X 1与气体进口组成达平衡时，溶质的回收率为最大，即 X ；二Y /m
溶质的回收率最大可达 80%。

【5-19】某厂有一填料塔，直径 880mm ，填料层高6m ，所用填料为50mm 瓷拉西环，乱堆。

每小时处理2000m 3混合气（体积按25C 与101. 33kPa 计），其中含丙酮摩尔分数为 5%。

用清水作吸
收剂。

塔顶送出的废气含丙酮摩尔分数为 0.263%。

塔底送出来的溶液，Ikg 含丙酮61.2g 。

根据上
述测试数据计算气相体积总传质系数
K Y a 。

操作条件下的平衡关系为
丫* =2.0X 。

上述情况下，每小时可回收多少千克丙酮？若把填料层加高3m，可以多回收多少丙酮？解⑴计算体积总传质系数K Y a
X i
61.2/58
(1000 _61.2)/18
= 0.0202
传质单元数NG : Y j —
0.0526 0.00264
(0.0526 —2x0.0202 )-(0.00264 0
=8
ln
Ng 也可用吸收因数法计算
—』
0526
-。

00264 显47
G X 1 -X 2
0.0202 -0
m =2, L
mG
2.47 _ 2 =1.24
Y 2 _Y * 0.00264 -0 Y -Y * 一 0.0526 —0
= 0.0502
从教材图5-23查得N OG =8 或用计算式求出％ 罟=£严81
1 N OG
ln 1 mG L
1 一匹 餡-Y * *mG
■ L
/-LY2-Y ；
0.0526-0
0.00264—
0 81
先从已知数据求Ng 相平衡常数
m =2 y 1
0 05
y =0.05, Y y
-
0.0526,
y 1 1-0.05
0 00263 y 2 =0.00263, Y 2
0.00264
1 _0.00263
X 2 =0
塔底排出的水溶液，每 I000g 含丙酮61.2g
丙酮的摩尔质量为 58kg / kmol
=8.03
Z 6
已知填料层高度Z =6m ，计算H °G
0.75
ln Y 亠
°.°
526 -2
°.0202
0.00264 _0
1—0.8
1
l -0 81严
8
N OG
G
再从式H OG计算K Y a
K Y a Q
惰性气体流量G =2000 (1 -0.05)=2000 0.95 m>h (20 C,101.33kPa)
_ 2000 0.95
G 二一
24.45
=77.7kmol/h ,塔径 D T =0.88 m 理想气体在273K 、01.325kPa 时的摩尔体积为 22.4 m 3 / kmol 在298K 、01.325kPa 下的摩尔体积为 22.4 298 二24.45用/kmol
273
塔截面积
Q =中 °；=寸 乂(0.88 j =0.608m 2
体积总传质系数
G
77.7
3
K Y a
170 kmol /(m h)
H OG Q 075 X 0.608
(2)每小时丙酮回收量为
G(Y -Y = 77.7工(0.0526-0.00264)=3.88kmol/h
58 3.88 = 225kg/h
⑶填料层加高 3m, Z=6 -3 =9m , H °G =0.75
Z 9
L
则 N OG
12,
1.24
OG
H OG
O.
75
mG
从教材图5-23查得 仝=0. 0 2 3
Y
Y‘2 =0.023 Y =0.023 X0.0526 =0.00121
填料层Z =9m 时，丙酮的回收量为
G(Y -丫‘2)=77.7(0.0526—0.00121 尸 3 .99kmol/h 多回收丙酮 3. 9 9 3 48 .(knhol/ h
也可以如下计算
G(Y _丫，2)=77.7 0.00264 -0.00121 i=0.111kmol/h 【5-20】有一填料吸收塔，用清水吸收混合气中的溶质
A ，以逆流方式操作。

进入塔底混合气
中溶质A 的摩尔分数为1% ,溶质A 的吸收率为90%。

此时，水的流量为最小流量的
1.5倍。

平衡
线的斜率m=l 。

试求：(1)气相总传质单元数 N OG ； (2)若想使混合气中溶质 A 的吸收率为95%，仍 用原塔操作，且假设不存在液泛，气相总传质单元高度
H OG 不受液体流量变化的影响。

此时，可
调节什么变量，简便而有效地完成任务？试计算该变量改变的百分数。

解 已知 y<, =0.01，
=0.8, m =1，X 2 =0
y
0.01
“
丫 ==
=0.0101, y 2 =(1 * =(1-0.9) X0.0101 =0.00101
1 1-0.01
(1)计算气相总传质单元数
N OG
I ] 丫 f Y 0.0101—0.00101
0 9
G min X 1 ■ X2
Y/m (X2)
0.0101/1
L 1.35 mG =〒
=1.35
N OG
1 mG T"
In
=厶山吊一丄Y 00101-0
L 丄 J 64 1 1 K 1.35 人
0.00101 _0 丿 1.35
（2）要想使吸收率从90%提高到95%，可增大吸收剂用量
填料层高度 Z = H 。

G N 。

G
对于已有的填料塔，其填料层高度已定，吸收剂用量改变不会改变 H OG 。

因此，
Ng 不会改
变，仍为
新工况下， 丫'2=]1 - ¥=]1 -0.95 0.010^5.05 10-
丫'2 _mX 2 丫 _mX 2
5.05 10- 0.0101
=0.05
-=1.5 \ - =1.5 0.9=1.35
G
G min
用
％ ^64与丫漾 "°5，从图
5
—23查得
— 2.1, m=1,故 L =2.1
mG G 为了使吸收率从90%提高到95%, L /G 需要从1.35增加到2.1，增加的百分数为 2 1 _1 35 100 =55.5%
1.35
【5-21】某填料吸收塔的填料层高度已定，用清水吸收烟道气中的
CO 2 , CO 2的组成为 0.1
（摩尔比），余下气体为惰性气体，液一气比为 180，吸收率为95%。

操作温度为30C,总压为 2MPa 。

CO 2水溶液的亨利系数由教材中表 5-1查取。

试计算下列 3种情况的溶质吸收率 、吸收 液（塔底排出液体）组成 X !、塔内平均传质推动力 厶人，并与原有情况进行比较：（1）吸收剂由清 水改为组成为0.0001 （摩尔比）的CO 2水溶液；（2）吸收剂仍为清水，操作温度从 30C 改为20C ； （3）吸收剂为清水，温度为 30C 。

由于吸收剂用量的增加，使液
-气比从180增加到200。

解 总压 p =2MPa , Y , =0.1 （1） X 2 =0改为 X '2 =0.0001 新工况的Y ；计算
G
Z
此时，
H
"K^不会改变，因填料层高度Z 为一定值，所以N
OG
任不变。

原工况
I 彳 _mG #Y —mX 2 _匚丿 V -mX 2
N OG二
1
ln
mG
■'1 _mG ] Y -mX2 '+mG I
L 人丫2 _mX2 丿L _
新工况
N'OG
E =188 MPa
Y'2 =0.0139
1 In 1
-0.5222
原工况
Y —丫2
0.1—0.005 ^丫 = 0.0196
m
N OG
4.84
因 N 'OG = N OG =4.84
新工况
Y -Y Y '
1
i
'2
0.1—0.0139 n A d 7R
—Y m - —
—u. U 1 / o
m N '
OG 4.84
方法②
原工况 .Y =Y 1 -X
=Y -mX0W 94 .0 00052.= 0 0 5 0 3 7
1 mG L
Y =0.1,丫2 =Y(1 - ) =0.1 (1 -0.95) =0.005 X 2 =0, X '2 =0.0001
查得30 C 时CO 2水溶液的
m =E/ p =188/2 =94
将上述数据代入式(a)
0.1 _0
0.1 _94 0.0001
0.005 _0 _Y'2 一94 0.0001
解得新工况的吸收率 '=1 -
丫'2/Y =1 -0.0139/0.1 =0.861
吸收液组成计算
已知L/G =180
原工况 & =G fY —篦计X 2 =°.1 一°005+0=0.000528
1 L ' 1
2 丿 2 180
G 0.1 -0.0139
新工况
X '1 =—(Y —Y'2 b x '2 = -------------------------------------------- +0.0001 =0.000578
L * f
180
平均传质推动力的计算 方法①
按原工况计算 N O G
mG / L =94 /180 =0.5222
空=冷丫2*= Y > 一mX =0.005-0 =0. 005
因N O G
，故
_mX 2 _mX 2 _ Y i _mX '2 _Y'2_mX '2
1
n △
Y ■ Y 2
0.05037-0.005 d
0.05037 1n 0.005
=0.0196 —mX‘2 '2 -mX'2
"-。

0 .005 _0 丿
5222 N OG
”1_0.5222 = 4.84
新工况31=Y1_mX2g1 94 >0 0005 7=8 0 0 4 5 6 7 宜=丫’ —mX2 =0.0139 —94X0.0001 =0.0045
=
0.0178
新工况CY n 原工况八£
(Y -丫2 y N OG
(Y -丫2 y N OG
丫 -丫
2
丫 -0.1—0.013
9
0.1—0.005
=0.906 新工况
N OG
1 1 mG
~~L~
mG
—mX 2 I -mX 2 ‘
*mG
L 1
0.6
1n
卩.6斗 I' 丫2 -0
+0.4 006
+0 4
1丫2
0.04567 _ 0.0045 , 0.04567 1n 0.0045
从上述计算结果可以看出: 当吸收剂组成 由X 2 =0增加到X ； =0.0001时, 传质推动力
由.富m =0.0196降为.-■；Y n =0.0178
溶质吸收率 由 =0.95降为 >0.861
吸收液组成
由X t =0.000528增至 X ； =0.000578
对现有吸收塔，吸收剂入塔组成增大，使传质推动力降低，而导致溶质吸收率下降。

如果不需要计算平均传质推动力的数值，而只需对比，则可如下计算。

N °G 二N °G
⑵ X 2 =0，操作温度从30 C 改为20 C
查得20C 时CO 2水溶液的E =144 MPa
m 二 E / p = 144 /2 = 72
新工况的Y 2计算匹=皂=0.4
L 180
原工况 N OG =4.8 4（前面已计算）
因 N OG = N 0亍
4.84
1 4.84 1n
0 6
1n
10.06
+0 4 L 904 H .丿.
严単，0.4 丫 2 丫 2 =0.00336
新工况的吸收率m=1_Y2 /丫 =1 —0 00336 0/1 =0 966
新工况
仆丫丄 0^0^ =0.02
N OG 4.84
m 减小），传质
吸收液组成计算
原工况 X i =0. 0 0 0 5 2前面已计算）
m
' G '
0 1—0 00336
新工况
X i = （Y —丫 2 计X 2 = •
■ +0 =0.000536 L* ‘
180
平均传质推动力计算
丫 _丫2 0.1 _0.005
原工况 .讥=丫_
- - 0.0196 （前面已计算）
N OG
484
因 N °G =N 。

芋4. 84
从上述计算结果可知，对现有吸收塔，当操作温度降低，平衡线斜率减小（即
L
因 N OG =N ° 芋 4. 84
解得 Y 2 =0.00423
新工况的吸收率 m =1 —丫 2 /Y 1= 4 0 0 0 4 2 3^ 0 1. 0 9 5 8
吸收液组成计算
原工况 X 1 =0. 0 0 0 5 前已计算）
亠广十沪
'
G
'
0 1—0 00423 新工况 X 1
-丫2） X 2
1 1
0=0.000479
2 ' ' 200
平均传质推动力计算 原工况 .忧二丫二 =
0.1 -
0.005
=0.0196（前已计算）
N OG
4.84
推动力增大，导致溶质的吸收率增大。

（3） X^0，温度 30C, m=94 原工况 L/G=180 mG / L =94/180 =0. 522 新工况
L/ G 2 0 0 mG/ L 94/200 0 4 7
新工况的丫2计算 原工况 Ng
新工况
N °G
=4.
8 4
（前面已计算）
mG/
mG ］丫羊-mx 2、 L 1\丫2 -mX 2 丿 mG
L
新工况N。

亍4.84
OG=N
X i 增大到X ；。

=0.0198
从上述计算结果可知，对现有吸收塔，当吸收剂用量增加，操作线斜率增大，传质推动力增 大，导致溶质的吸收率增大。

【5-22】有一逆流操作的吸收塔， 其塔径及填料层高度各为一定值，
用清水吸收某混合气体中
的溶质。

若混合气体流量 G ,吸收剂清水流量 L 及操作温度与压力分别保持不变，而使进口混合 气体中的溶质组成 Y i 增大。

试问气相总传质单元数 N OG 、混合气出口组成 丫2、吸收液组成 X i 及
溶质的吸收率n 将如何变化？并画出操作示意图。

解
① 填料层高度Z 已定，且气象总传质单元高度
H °G
— 不变，故N OG
—不变。

3 Q
H OG
② 物系一定，操作温度及压力不变， 故气液相平衡常数 m —定，且G 及L 不变，故L/Gm 一定。

因N OG 与L/Gm 各为一定值，从教材中 N °G 的计算式（5-76）或图5-23可知丫2
曲2
为一定值。

且
策 _mX 2
吸收剂为清水，故 X 2=0，则丫2为一定值。

即随着 丫1的增大，丫2按一定比例增大。

如习题 5-22附 丫 图所示，气相进口组成由 丫1增大到Y i',则气相出口组成由 丫2增大到
③
操作线斜率L/G 不变，因丫1增大到Y i',附图中的操作线由 TB 线平行上移为T ‘ B '线。

T B
线与水平的等丫‘线交垫横坐标X i 为新条件下的液相出口组成。

即吸收液组成由
解吸塔计算
【5-23】由某种碳氢化合物（摩尔质量为ii3kg /kmol ）与另一种 不挥发性有机化合物（摩尔质量为
i35kg / kmol ）组成的溶液，其中
二
0.^0.00423
484
习题5-22附图
Y 2
故吸收率r =i -—不变。

Y
i
解 吸
塔
咛电.002（■战童廿 歸"
习题5-23附图
数m=0.526，填料塔的液相总传质单元高度
H °L = 0 .5m 。

试求解吸塔的填料层高度。

=2! mG
0.0526 3.72 =0.511 X 1 -Y 2 /m
1 -
mG
X 2 _Y 2/m , —
mG
液气比L JOO
G 26.8 =3.73
碳氢化合物占8% （质量分数）。

要在100C 、101.325kPa （绝对压力）下，用过热水蒸气进行解吸,
使溶液中碳氢化合物残留 0.2% （质量分数）以内，水蒸气用量为最小用量的 2倍。

气液相平衡常
£ =mX ’ =0.526x0.104 =0.0547 G
=2 J 104 -0.00239 *72
L min
0.0547 -0
1n Id -0.51n 0.104
+0.51U=6.3
1 -0.511 0.00239
Z = H OL N OL =0.5 ‘：6.3 =3.15m
传质系数计算和吸收剂部分循环
【5-24】现一逆流吸收填料塔，填料层高度为 8m ,用流量为100kmol/ （怦h ）的清水吸收空 气混合气体中
某溶质，混合气体流量为
600Nm 3/ （tf h ）,入塔气体中含溶质 0.05 （摩尔分数，下 同），实验测得出塔气体中溶质的吸收率为 95%。

已知操作条件下的气液相平衡关系为
Y=2.8X 。

设吸收过程为气膜控制。

（1） 计算该填料的气相总体积传质系数； （2） 吸收过程中，将吸收后吸收液的
50 %送入解吸塔解吸后循环使用，解吸后的液体含氨 0.004,若维持进吸收塔总液体量不变，计算纯水和解吸后液体混合后从塔顶加入情况下， 出塔气体中溶质的摩尔分数。

解（1）
Y 1
y1 005
0.0526
1-y 1 1- 0.05
吸收率为 95% 时，『2=0.05 （1-0.95）= 0.0025, Y = Z = 0.0025 =00025
2
1-y 2 1-0.0025 '
混合气体流量 G = 600/22.4=26.8 kmol/ （tf h ）
吸收因数 S =28 0.75 L 3.73
气相总传质单元数 N OG
N OG — In 1 -S b S
X -mX 2 1-S YTmX ；
气相总体积传质系数 7.17 -0.75
N OG 「.75
ln 1-。

75 0.0526-0 0.75 "17
0.0025-0 气相总传质单元高度 H OG
Oa
—二268 =23.9kmol/( m 3 h) H OG 1.12 (3) 纯水和解吸后液体混合后的组成
X 2 L
L
X 2L =0
0.004 - 2 2 X 2=0.002
出塔气体中溶质摩尔分数
亠n 1-0.75 °.
0526-2.8 °.°02 1-0.75 Y 2 -2.8 0.002 丫2 =0.00784
H OG 8 7A7 =1.12m OG 1-S ln h -s ] -* +s ^2-mX 2
y 2 = 丫2 1 丫2 0.00784 1 0.00784 = 0.00777 多股进料进料位置和方式不同对填料层高度的影响 【5-25】在101.3kPa 、25 C 的条件下，采用塔截面积为 1.54 怦的填料塔，用纯溶剂逆流吸收两股气体混合物的溶质，一股气 体中
惰性气体流量为 50kmol/h ，溶质含量为 0.05 (摩尔比，下 同)，另一股气体中惰性气体流量为 50kmol/h ，溶质含量为0.03, 要求溶质总回收率不低于 90%,操作条件下体系亨利系数为 279
kPa ,试求：
(1)
当两股气体混合后从塔底加入，液气比为最小液气比的 1.5倍时，出塔吸收液浓度和填料层高度(该条件下气相 总体积传质系数为 30 kmol/ (h m 3),且不随气体流量 而变化)；
(2) 两股气体分别在塔底和塔中部适当位置(进气组成与塔
丫2 G X 2 L 丫2 G X 2 L Y b V b X b Y 1m G X 1 L 「 Y a G a Y b V b Y a G a X 1 L 习题5-25附图
内气相组成相同)进入，所需填料层总高度和适宜进料位置，设尾气气体组成与( 1) 相
同。

(3) 比较两种加料方式填料层高度变化，并示意绘出两种进料情况下的吸收操作线。

解 根据题意吸收流程如图 5-14所示:
物系的相平衡常数 m =卫 P 279 竺=2.75心0 101.3 操作液气比L=15「L G Y im .丫2 = 1.5 =1.5 m =1.5 0.90 2.75 =3.72 丫 mi —X2 m X 1=X 2 G 丫1m-丫2 = 0.04-0.004 =0.00968 ii n 传质单元高度H O G 3.72 G 50 50 2.17m K Y ^ 30 1.54 S=mG 2.75 L 3.72 如4 N OG ^_ln (1 —S)丄 1 -S IL 1- N OG 1 ln (1-0.74) 1 0.74 =4.64 1 -0.74 |L 1-0.90 Z =N OG H (2) 当两股气体分别进入吸收塔，高浓度在塔底进入，低浓度在如图 5-14所示塔中部进入, 吸收塔分为两部分，塔内液气比不同，填料层高度分两段计算。

上段填料层高度: 对于塔上部：进塔气体组成为 Y b = 0.03，出塔气体组成为 丫2 =0.004，液气比L/V = 3.72, 塔中部液体组成 X b = G Yb - Y2 = 0.03 - 0.004 二 0.00699。

3.72 传质单元高度H OGI
5 =0.74
1 L N OG 1 1 ln (1 _S ))Yb _似
2 S 1
1 -S<| |L Y
2 -mX 2
N OGI - In (1—0.74)-°^ 0.74 =3.81 1 -0.74 IL 0.004
N O G1 H O G1 =3.81 2.17 = 8.27m 1m G a Y a 亠
G b Y b G a G b
1m (1) 混合后气体摩尔比浓度: 50 °.°
5 5° °.°3 二 0.04
50 50 出塔气体浓度:
丫2=丫伽(1- ) =0.04 1-0.90 ]=0.004
传质单元高度H H OG2 G ^ =1.085K Y a 「 mG/2 = 0.37 N OG2 In (1 _S 2)Ya _mXb +s 2 I 1 - S 2 「
Y b _mX b Y b -mX b
N OG2 in (1_o.37)°.°5-2.75 °.°°69
0.37
1 _0.37 I] 0.03-2.75 0.0069
Z 2 = N OG2 H OG2 =1.21 1.085= 1.31m
第二股气体进塔位置距塔顶 8.27m 处。

下段填料层高度： 对于塔下部：进塔气体组成为 Ya =0.05，中部气体组成为 Y b =0.03，液气比L/G = 3.72X 2 =7.44，进塔液体组成 X b =0.00699。

Z 諾 Z 2 =8.27 1.31 =9.58m
(3) 气体混合后进入吸收塔的操作线如图 5-15为ABC ，分别在适宜位置进入吸收塔的操作线为
ABD ，从操作线距离平衡线的距离看，气体混合后进入吸收塔的操作线靠近平衡线，传质推动力 降低，所以
=1.21
E
习题5-25附图
填料层高度增加。

吸收是分离过程，而组成不同的气体先混合是返混，返混对吸收不利，故填料层高度增加。