环境工程原理习题集060813-完整答案
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第八章
8.1在30℃，常压条件下，用吸收塔清水逆流吸收空气-SO2混合气体中的SO2，已知气-液相平衡关系式为 ，入塔混合气中SO2摩尔分数为0.05，出塔混合气SO2摩尔分数为0.002，出塔吸收液中每100 g含有SO20.356 g，试分别计算塔顶和塔底处的传质推动力，用 、 、 、 表示。
解：（1）塔顶
8.5 利用吸收分离两组分气体混合物，操作总压为310kPa，气、液相分传质系数分别为 kmol/(m2·s)、 kmol/(m2·s)，气、液两相平衡符合亨利定律，关系式为 （p*的单位为kPa），计算：
（1）总传质系数；
（2）传质过程的阻力分析；
（3）根据传质阻力分析，判断是否适合采取化学吸收，如果发生瞬时不可逆化学反应，传质速率会提高多少倍？
总传质阻力 (m2·s)/kmol
其中液相传质阻力为 (m2·s)/kmol
占总阻力的66.7%
气膜传质阻力为 (m2·s)/kmol
占总阻力的33.3%
8.3用吸收塔吸收废气中的SO2，条件为常压，30℃，相平衡常数为 ，在塔内某一截面上，气相中SO2分压为4.1kPa，液相中SO2浓度为0.05kmol/m3，气相传质系数为 kmol/(m2·h·kPa)，液相传质系数为
与出塔吸收液平衡的气相摩尔分数为
所以
kPa
mol/L
8.2吸收塔内某截面处气相组成为 ，液相组成为 ，两相的平衡关系为 ，如果两相的传质系数分别为 kmol/(m2·s)， kmol/(m2·s)，试求该截面上传质总推动力、总阻力、气液两相的阻力和传质速率。
解：与气相组成平衡的液相摩尔分数为
所以，以气相摩尔分数差表示的总传质推动力为
同理，与液相组成平衡的气相摩尔分数差为
所以，以液相摩尔分数差表示的总传质推动力为
以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数为
kmol/(m2·s)
以气相摩尔分数差为推动力的总传质系数为
kmol/(m2·s)
传质速率
kmol/(m2·s)
或者 kmol/(m2·s)
以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数分析传质阻力
或者 kmol/(m2·h)
8.4 101.3kPa操作压力下，在某吸收截面上，含氨0.03摩尔分数的气体与氨浓度为1kmol/m3的溶液发生吸收过程，已知气膜传质分系数为 kmol/(m
2·s·kPa)，液膜传质分系数为 m/s，操作条件下的溶解度系数为 kmol/(m2·kPa)，试计算：
（1）界面上两相的组成；
如果采用酸液吸收氨气，并且假设发生瞬时不可逆反应，则可以忽略液膜传质阻力，只考虑气膜传质阻力，则 kmol/(m2·s·kPa)，仅仅比原来的传质系数提高了4.6%，如果传质推动力不变的话，传质速率也只能提高4.6%。当然，采用酸溶液吸收也会提高传质推动力，但是传质推动力提高的幅度很有限。因此总的来说在气膜控制的吸收过程中，采用化学吸收是不合适的。
出塔SO2的摩尔分数为 ，入塔吸收液中SO2的摩尔分数为
所以与出塔气相平衡的吸收液摩尔分数为
与入塔吸收液平衡的气相摩尔分数为
所以
kPa
忽略吸收液中溶解的SO2，则摩尔浓度可计算为 mol/L
mol/L
（2）塔底
入塔SO2的摩尔分数为 ，出塔吸收液中SO2的摩尔分数为
所以与入塔气相平衡的吸收液摩尔分数为
根据上面两个方程，求得 kPa， kmol/m3
（2）与气相组成平衡的溶液平衡浓度为
kmol/m3
用浓度差表示的总传质推动力为
kmol/m3
与水溶液平衡的气相平衡分压为
kPa
所以用分压差表示的总传质推动力为 kPa
总气相传质系数
kmol/(m2·s·kPa)
总液相传质系数 m/s
传质速率 kmol/(m2·s)
m/h，吸收液密度近似水的密度。试求：
（1）截面上气液相界面上的浓度和分压；
（2）总传质系数、传质推动力和传质速率。
解：（1）设气液相界面上的压力为 ，浓度为
忽略SO2的溶解，吸收液的摩尔浓度为 kmol/m3
溶解度系数 kmol/(kPa·m3)
在相界面上，气液两相平衡，所以
又因为稳态传质过程，气液两相传质速率相等，所以
解：（1）相平衡系数
所以，以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数为
kmol/(m2·s)
以气相摩尔分数差为推动力的总传质系数为
kmol/(m2·s)
（2）以液相摩尔分数差为推动力的总传质阻力为
其中液膜传质阻力为 ，占总传质阻力的99.7%
气膜传质阻力为 ，占传质阻力的0.3%
所以整个传质过程为液膜控制的传质过程。
或者 kmol/(m2·s)
（3）以气相总传质系数为例进行传质阻力分析
总传质阻力 (m2·s·kPa)/kmol
其中气膜传质阻力为 (m2·s·kPa)/kmol
占总阻力的95.6%
液膜传质阻力为 (m2·s·kPa)/kmol
占总阻力的4.4%
所以这个过程是气膜控制的传质过程，不适合采用化学吸收法。
所以
由以上两个方程，可以求得 kPa， kmol/m3
（2）总气相传质系数
kmol/(m2·h·kPa)
总液相传质系数 m/h
与水溶液平衡的气相平衡分压为 kPa
所以用分压差表示的总传质推动力为 kPa
与气相组成平衡的溶液平衡浓度为 kmol/m3
用浓度差表示的总传质推动力为 kmol/m3
传质速率 kmol/(m2·h)
（2）以分压差和摩尔浓度差表示的总传质推动力、总传质系数和传质速率；
（3）分析传质阻力，判断是否适合采取化学吸收，如果采用酸溶液吸收，传质速率提高多少。假设发生瞬时不可逆反应。
解：（1）设气液相பைடு நூலகம்面上的压力为 ，浓度为
因为相界面上，气液平衡，所以 ，
气相中氨气的分压为 kPa
稳态传质条件下，气液两相传质速率相等，所以
（3）因为传质过程为液膜控制，所以适合采用化学吸收。如题设条件，在化学吸收过程中，假如发生的是快速不可逆化学反应，并且假设扩散速率足够快，在相界面上即可完全反应，在这种情况下，可等同于忽略液膜阻力的物理吸收过程，此时
kmol/(m2·s)
与原来相比增大了426倍
8.6 已知常压下，20℃时，CO2在水中的亨利系数为1.44×10-5kPa，并且已知以下两个反应的平衡常数
kmol/m3
kmol/m3
若平衡状态下气相中的CO2分压为10kPa，求水中溶解的CO2的浓度。
8.1在30℃，常压条件下，用吸收塔清水逆流吸收空气-SO2混合气体中的SO2，已知气-液相平衡关系式为 ，入塔混合气中SO2摩尔分数为0.05，出塔混合气SO2摩尔分数为0.002，出塔吸收液中每100 g含有SO20.356 g，试分别计算塔顶和塔底处的传质推动力，用 、 、 、 表示。
解：（1）塔顶
8.5 利用吸收分离两组分气体混合物，操作总压为310kPa，气、液相分传质系数分别为 kmol/(m2·s)、 kmol/(m2·s)，气、液两相平衡符合亨利定律，关系式为 （p*的单位为kPa），计算：
（1）总传质系数；
（2）传质过程的阻力分析；
（3）根据传质阻力分析，判断是否适合采取化学吸收，如果发生瞬时不可逆化学反应，传质速率会提高多少倍？
总传质阻力 (m2·s)/kmol
其中液相传质阻力为 (m2·s)/kmol
占总阻力的66.7%
气膜传质阻力为 (m2·s)/kmol
占总阻力的33.3%
8.3用吸收塔吸收废气中的SO2，条件为常压，30℃，相平衡常数为 ，在塔内某一截面上，气相中SO2分压为4.1kPa，液相中SO2浓度为0.05kmol/m3，气相传质系数为 kmol/(m2·h·kPa)，液相传质系数为
与出塔吸收液平衡的气相摩尔分数为
所以
kPa
mol/L
8.2吸收塔内某截面处气相组成为 ，液相组成为 ，两相的平衡关系为 ，如果两相的传质系数分别为 kmol/(m2·s)， kmol/(m2·s)，试求该截面上传质总推动力、总阻力、气液两相的阻力和传质速率。
解：与气相组成平衡的液相摩尔分数为
所以，以气相摩尔分数差表示的总传质推动力为
同理，与液相组成平衡的气相摩尔分数差为
所以，以液相摩尔分数差表示的总传质推动力为
以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数为
kmol/(m2·s)
以气相摩尔分数差为推动力的总传质系数为
kmol/(m2·s)
传质速率
kmol/(m2·s)
或者 kmol/(m2·s)
以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数分析传质阻力
或者 kmol/(m2·h)
8.4 101.3kPa操作压力下，在某吸收截面上，含氨0.03摩尔分数的气体与氨浓度为1kmol/m3的溶液发生吸收过程，已知气膜传质分系数为 kmol/(m
2·s·kPa)，液膜传质分系数为 m/s，操作条件下的溶解度系数为 kmol/(m2·kPa)，试计算：
（1）界面上两相的组成；
如果采用酸液吸收氨气，并且假设发生瞬时不可逆反应，则可以忽略液膜传质阻力，只考虑气膜传质阻力，则 kmol/(m2·s·kPa)，仅仅比原来的传质系数提高了4.6%，如果传质推动力不变的话，传质速率也只能提高4.6%。当然，采用酸溶液吸收也会提高传质推动力，但是传质推动力提高的幅度很有限。因此总的来说在气膜控制的吸收过程中，采用化学吸收是不合适的。
出塔SO2的摩尔分数为 ，入塔吸收液中SO2的摩尔分数为
所以与出塔气相平衡的吸收液摩尔分数为
与入塔吸收液平衡的气相摩尔分数为
所以
kPa
忽略吸收液中溶解的SO2，则摩尔浓度可计算为 mol/L
mol/L
（2）塔底
入塔SO2的摩尔分数为 ，出塔吸收液中SO2的摩尔分数为
所以与入塔气相平衡的吸收液摩尔分数为
根据上面两个方程，求得 kPa， kmol/m3
（2）与气相组成平衡的溶液平衡浓度为
kmol/m3
用浓度差表示的总传质推动力为
kmol/m3
与水溶液平衡的气相平衡分压为
kPa
所以用分压差表示的总传质推动力为 kPa
总气相传质系数
kmol/(m2·s·kPa)
总液相传质系数 m/s
传质速率 kmol/(m2·s)
m/h，吸收液密度近似水的密度。试求：
（1）截面上气液相界面上的浓度和分压；
（2）总传质系数、传质推动力和传质速率。
解：（1）设气液相界面上的压力为 ，浓度为
忽略SO2的溶解，吸收液的摩尔浓度为 kmol/m3
溶解度系数 kmol/(kPa·m3)
在相界面上，气液两相平衡，所以
又因为稳态传质过程，气液两相传质速率相等，所以
解：（1）相平衡系数
所以，以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数为
kmol/(m2·s)
以气相摩尔分数差为推动力的总传质系数为
kmol/(m2·s)
（2）以液相摩尔分数差为推动力的总传质阻力为
其中液膜传质阻力为 ，占总传质阻力的99.7%
气膜传质阻力为 ，占传质阻力的0.3%
所以整个传质过程为液膜控制的传质过程。
或者 kmol/(m2·s)
（3）以气相总传质系数为例进行传质阻力分析
总传质阻力 (m2·s·kPa)/kmol
其中气膜传质阻力为 (m2·s·kPa)/kmol
占总阻力的95.6%
液膜传质阻力为 (m2·s·kPa)/kmol
占总阻力的4.4%
所以这个过程是气膜控制的传质过程，不适合采用化学吸收法。
所以
由以上两个方程，可以求得 kPa， kmol/m3
（2）总气相传质系数
kmol/(m2·h·kPa)
总液相传质系数 m/h
与水溶液平衡的气相平衡分压为 kPa
所以用分压差表示的总传质推动力为 kPa
与气相组成平衡的溶液平衡浓度为 kmol/m3
用浓度差表示的总传质推动力为 kmol/m3
传质速率 kmol/(m2·h)
（2）以分压差和摩尔浓度差表示的总传质推动力、总传质系数和传质速率；
（3）分析传质阻力，判断是否适合采取化学吸收，如果采用酸溶液吸收，传质速率提高多少。假设发生瞬时不可逆反应。
解：（1）设气液相பைடு நூலகம்面上的压力为 ，浓度为
因为相界面上，气液平衡，所以 ，
气相中氨气的分压为 kPa
稳态传质条件下，气液两相传质速率相等，所以
（3）因为传质过程为液膜控制，所以适合采用化学吸收。如题设条件，在化学吸收过程中，假如发生的是快速不可逆化学反应，并且假设扩散速率足够快，在相界面上即可完全反应，在这种情况下，可等同于忽略液膜阻力的物理吸收过程，此时
kmol/(m2·s)
与原来相比增大了426倍
8.6 已知常压下，20℃时，CO2在水中的亨利系数为1.44×10-5kPa，并且已知以下两个反应的平衡常数
kmol/m3
kmol/m3
若平衡状态下气相中的CO2分压为10kPa，求水中溶解的CO2的浓度。