化工基础第5章习题答案

第5章 传质过程及塔设备5.2气体的吸收1.空气和CO 2的混合气体中，CO 2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，.02y =摩尔分数摩尔比 ..020251102y Y y ===--． 2. 20℃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//117=0．010*******／18x =+ 浓度c 的计算20℃，溶液的密度用水的密度./39982s kg m ρ=代替。

溶液中NH 3的量为 /311017n kmol -=⨯溶液的体积 /.33101109982 V m -=⨯溶液中NH 3的浓度//.33311017==0．581／101109982n c kmol m V --⨯=⨯ 或 . 3998200105058218ss c x kmol m M ρ==⨯=．．／ NH 3与水的摩尔比的计算//1170010610018X ==． 或 ..00105001061100105x X x ===--．3.进入吸收器的混合气体中，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Y 和摩尔分数y 表示。

吸收率的定义为122111Y Y Y Y Y η-===-被吸收的溶质量原料气中溶质量 解 原料气中NH 3的摩尔分数0.1y =摩尔比 (1110101111101)y Y y ===-- 吸收器出口混合气中NH 3的摩尔比为()...211109011100111Y Y η=-=-⨯=（）摩尔分数 ...22200111=0010981100111Y y Y ==++4.l00g 水中溶解lg 3 NH ，查得20℃时溶液上方3NH 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/()3kmol m kPa ⋅]和相平衡常数m 。

总压为100kPa 。

解 液相中3NH 的摩尔分数/.//1170010511710018x ==+ 气相中3NH 的平衡分压 *.0798 P kPa ＝亨利系数 *./.0798*******E p x ===／液相中3NH 的浓度 /./.333110170581 101109982n c kmol m V --⨯===⨯／ 溶解度系数 /*./../()3058107980728H c p kmol m kPa ===⋅液相中3NH 的摩尔分数 //1170010511710018x ==+．／ 气相的平衡摩尔分数 **.0798100y p p ==／／相平衡常数 * (079807610000105)y m x ===⨯ 或 //.76100076m E p ===5. 10℃时氧在水中的溶解度表达式为*.6331310p x =⨯，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。

试求总压为.101325kPa ，温度为10℃时，31m 水中最大可能溶解多少克氧？空气中氧的体积分数为21%.解 总压.101325 p kPa =空气中2O 的压力分数 .021A p p ==／体积分数空气中2O 的分压 *..021101325 A p kPa =⨯亨利系数 .6331310E kPa =⨯(1) 利用亨利定律*A p Ex =计算与气相分压..021101325A p kPa =⨯相平衡的液相组成为*. ..62602110132564210 331310A p x kmol O kmol E ⨯===⨯⨯．／溶液 此为1kmol 水溶液中最大可能溶解.6264210kmol O -⨯因为溶液很稀，其中溶质很少1kmol 水溶液≈1kmol 水=18 kg 水10℃，水的密度.39997kg m ρ=／ 故 1kmol 水溶液≈.3189997m ／水即 .3189997m 水中最大可能溶解.664210kmol -⨯氧 故 31m 水中最大可能溶解的氧量为 (6426421099973571018)kmol O --⨯⨯=⨯ ...4222357103211410O 114O kg g --⨯⨯=⨯=(2) 利用亨利定律*A A c p H =计算 ()...5369997== 167610／33131018ss H kmol m kPa EM ρ-≈⨯⋅⨯⨯ 31m 水中最大可能溶解的氧量为*(..)(.).5432021101325 16761035710A A c p H kmol O m --==⨯⨯=⨯／ 溶液 ...4222357103211410114kg O g O --⨯⨯=⨯=7. 用清水吸收混合气中的NH 3，进入吸收塔的混合气中，含NH 3体积分数为6%，吸收后混合气中含NH 3的体积分数为0.4%，出口溶液的摩尔比为30012 kmol NH kmol ．／水。

此物系的平衡关系为*.076Y X =。

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.1006y =，则()/./..111100609400638Y y y =-==已知.20004y =，则()./..32000410004=40210Y =-⨯已知10.012X =，则*10.760.0120.00912Y =⨯=已知20X =，则*20Y =塔顶气相推动力 *3222 4.0210=Y Y Y -∆=-⨯塔底气相推动力 *1110.06380.009120.0547Y Y Y ∆=-=-=8.CO 2分压力为50kPa 的混合气体，分别与CO 2浓度为./3001kmol m 的水溶液和CO 2浓度为.3005kmol m ／的水溶液接触。

物系温度均为25℃，气液相平衡关系*.5166210p xkPa =⨯。

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CO 2在两种情况下属于吸收还是解吸。

解 温度25℃t =，水的密度为/3s 997kg m ρ=混合气中CO 2的分压为50p kPa = 水溶液的总浓度/39718ss c kmol m M ρ≈=水溶液 (1) 以气相分压差表示的吸收推动力①液相中CO 2的浓度 .32001 A c kmol CO m =／水溶液液相中CO 2的摩尔分数././4001=180********A x c c -==⨯ 与液相平衡的气相平衡分压为*...55416621016621018051030p x kPa -=⨯=⨯⨯⨯= 气相分压差表示的推动力 *503020p p p kPa ∆=-=-=（吸收）② 液相中CO 2的浓度30.05kmol m ／A c =水溶液液相中CO 2的摩尔分数40.05/9.02710997/18A x c c -===⨯ 与液相平衡的气相平衡分压为*...554166210166210902710150p x kPa -=⨯=⨯⨯⨯= 气相分压差表示的推动力 *15050100p p p kPa ∆=-=-= （解吸）(2) 以液相浓度差表示的吸收推动力与气相250CO p kPa =分压平衡的液相组成为*..5550166210166210p x ==⨯⨯ 平衡的液相浓度①液相中CO 2的浓度./32001 A c kmol CO m =水溶液液相浓度差表示的推动力为*...3001666001000666kmol ／m A A c c c ∆=-=-= （吸收）②液相中CO 2的浓度320.05 CO /A c kmol m =水溶液液相浓度差表示的推动力为*.../300500166600333A A c c c kmol m ∆=-=-= （解吸）10. 混合气含CO 2体积分数为10%，其余为空气。

在30℃、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41610X -=⨯（摩尔比）。

混合气体处理量为/32240m h（按标准状态，.,27315 101325K Pa ），塔径为1.5m 。

亨利系数188E MPa =，液相体积总传质系数(/)3350L K a kmol 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....,...3112 2 010005010111000550310090995y Y Y Y -======⨯，，．，41610X -=⨯，20X = 混合气流量 2240 '10022.4G kmol h ==／ 惰性气体流量 ()()G G 'y .kmol h 1110010190=-=-=／用水量 G(Y Y )(..)L .kmol /h X X 41241290011100050315910610----===⨯-⨯ ../45159101828610kg h =⨯⨯=⨯(2) 填料层高度Z 计算水溶液的总浓度 /././3995718553s s c M kmol m ρ≈==体积传质系数 ./()3553502765 X L K a cK a kmol m h ==⨯=⋅液相总传质单元高度 .(.)42159102765154OL X L H K a Ωπ⨯==⨯⨯ .326m =①对数平均推动力法计算OL N气液相平衡常数 188942E m p === *..31101119411810X Y m -===⨯／／*/./.5220005039453510X Y m -===⨯*..34411111810610= 5810X X X ---∆=-=⨯-⨯⨯*..5522253510053510X X X --∆=-=⨯-=⨯..ln ln .554125151581053510=220910581053510m X X X X X -----∆-∆⨯-⨯∆==⨯∆⨯∆⨯ 液相总传质单元数..41246100272220910OL m X X N X ---⨯-===∆⨯ ②吸收因数法计算OL N..41591018799490L mG ⨯==⨯**ln 2111111OL X X L L N L mG mG X X mG ⎡⎤-⎛⎫=-+⎢⎥ ⎪-⎝⎭⎣⎦- ().ln (3)4310118101187918792731187961011810---⎡⎤-⨯=-+=⎢⎥-⨯-⨯⎣⎦填料层高度 ...32627389OL OL Z H N m =⋅=⨯=12.用煤油从苯蒸气与空气的混合物中回收苯，要求回收99%。