化工原理下册第六章吸收习题答案

6-1 已知在101.3 kPa(绝对压力下)，100 g 水中含氨1 g 的溶液上方的平衡氨气分压为987 Pa 。试求：

(1) 溶解度系数H (kmol ·m -3·Pa -1)；

(2) 亨利系数E(Pa)；

(3) 相平衡常数m ；

(4) 总压提高到200 kPa(表压)时的H ，E ，m 值。

（假设：在上述范围内气液平衡关系服从亨利定律，氨水密度均为10003/m kg ）

解：（1）根据已知条件

定义

（2）根据已知条件可知

根据定义式

可得

（3）根据已知条件可知

于是得到

（4）由于H 和E 仅是温度的函数，故3NH H 和3NH E 不变；而

p E px Ex px p x y m ====**

，与T 和p 相关，故309.0928.031'3=?=NH m 。分析（1）注意一些近似处理并分析其误差。

（2）注意E ，H 和m 的影响因素，这是本题练习的主要内容之一。 6-2 在25℃下，CO 2分压为50 kPa 的混合气分别与下述溶液接触：

(1) 含CO 2为0.01 mol/L 的水溶液；

(2) 含CO 2为0.05 mol/L 的水溶液。

试求这两种情况下CO 2的传质方向与推动力。

解：由亨利定律得到

根据《化工原理》教材中表 8-1 查出

所以可以得到

又因为

所以得

于是：（1）为吸收过程，3/0067.0m kmol c =?。

（2）为解吸过程，3/0333.0m kmol c =?。

分析（1）推动力的表示方法可以有很多种，比如，用压力差表示时： ① kPa H c p CO CO CO 9.2910347.301.04

222=?==- 推动力 kPa p 1.20=?（吸收）

② kPa H c p CO CO CO 4.14910347.305.04

222=?==- 推动力 kPa p 4.99=?（解吸）

或者 , 用摩尔分数差表示时

① 由4108.118

1000

01.02-?==CO x ，判断出将发生吸收过程，推动力410201.1-?=?x ；

②由 41092-?=CO x ，判断出将发生解吸过程，推动力41099.5-?=?x

（2）推动力均用正值表示。

6-3 指出下列过程是吸收过程还是解吸过程，推动力是多少，并在x-y 图上表示。

(1) 含SO 2为0.001(摩尔分数)的水溶液与含SO 2为0.03(摩尔分数)的混合气接触，总压为101.3 kPa ，t=35℃；

(2) 气液组成及总压同(1) ，t=15℃；

(3) 气液组成及温度同(1) ，总压为300 kPa(绝对压力)。

解 (1) 根据《化工原理》教材中表 8-1 知T = 35℃时，SO 2 的 kPa E 410567.0?=, 故

根据相平衡关系 , 得

由于A A y y >*

，所以将发生解吸过程。传质推动力为

(2 ) T = 15℃时 , SO 2的 kPa E 410294.0?=，故

根据相平衡关系 , 得

由于A A y y <*

，所以将发生吸收过程。传质推动力为

(3)同理可知 , 当 T = 35℃，p = 300 kPa 时 ,kPa E 410567.0?=，故

9.18==P

E m 由于A A y y <*

，所以将发生吸收过程。推动力为

示意图见题6-3 图。

题6-3 图

分析体会通过改变温度和总压来实现气液之间传质方向的改变 ,即吸收和解吸。

6-4 氨-空气混合气中含氨0.12(摩尔分数)，在常压和25℃下用水吸收，过程中不断移走热量以使吸收在等温下进行。进气量为1000 m 3 ，出口气体中含氨0.01(摩尔分数)。试求被吸收的氨量(kg )和出口气体的体积(m 3) 。

解惰性气体量 388088.01000m V =?=，进口中 NH 3 之量为3120m ,出口中NH 3

之量为3988

.12.099.001.0120m =?,于是总出气量= 880 + 9 =3889m ,被吸收的NH 3量为mol 4544298

8.3141013258890.01-298314.8101325100012.0=??????,为 77.3kg 。分析 (1) 进行物料衡算时应以摩尔数或者质量为基准,一般不以体积为基准。此处由于温度和压力均不变,故摩尔数的变化正比于体积的变化,所以以体积作为衡算的基准。

(2) 本题是并流还是逆流? 有区别吗 ?

(3) 如何才能不断移走热量? 该用填料塔还是板式塔 ?

(4) 不移走热量对吸收有什么影响 ?

6-5 一浅盘内存有2mm 厚的水层，在20℃的恒定温度下靠分子扩散逐渐蒸发到大气中。假定扩散始终是通过一层厚度为5mm 的静止空气膜层，此空气膜层以外的水蒸气分压为零。扩散系数为2.6×10-5m 2/s ，大气压强为1.013×105Pa 。求蒸干水层所需时间。

解：本题中水层Z 的变化是时间θ的函数，且与扩散速率有关。

查教材附录水的物理性质得，20℃时水的蒸汽压为2.3346kPa 。已知条件为：代入上式得：

水的摩尔质量kmol kg M /18=，设垂直管截面积为A ，在θd 时间内汽化的水量应等于水扩散出管口的量，即

AdZ M Ad N A ρ

θ= 则s m M N d dZ A /10054.91000181003.586--?=??==ρθ 在0=θ，0=Z 到0=θ，m Z 3102-?=之间积分，得

6-6 含组分A 为0.1的混合气，用含A 为0.01（均为摩尔分数）的液体吸收其中的A 。已知A 在气、液两相中的平衡关系为y x =，液气比为0.8，求：

(1)

逆流操作时，吸收液出口最高组成是多少？此时的吸收率是多少？若5.1=G L ，各量又是多少？分别在y-x 图上表示；

(2) 若改为并流操作，液体出口最高组成是多少？此时的吸收率又是多少？解 (1) 逆流操作(题6-6 图(a))时，已知

题6-6 图

01.001.0101.02≈-=X ，11.01

.011.01=-=Y ① 当18.0=<=m V L ，以及塔高无穷高时,在塔底达到两相平衡(题8-9图(b)), 11.01*1max 1===m Y X X 。根据物料衡算可知

此时 , 吸收率为

② 当15.1=>=m V L ,以及塔高无穷高时,在塔顶达到吸收平衡(题 8-9图(b))，01.02*2min 2===mX Y Y 。仍可以根据物料衡算 ()()min 2121Y Y V X X L -=-，求出

(2) 并流操作且8.0=V L 时(题8-9 图(c))，因为∞=H ，所以有

根据操作线关系,有

式①，②联立，求得:

于是

分析逆流吸收操作中，操作线斜率比平衡线斜率大时，气液可能在塔顶呈平衡；此时吸收率最大，但吸收液浓度不是最高。

操作线斜率小于平衡线斜率时，气液在塔底呈平衡；吸收液浓度是最高的，但吸收率不是最高。

6-7 用水吸收气体中的SO 2 ，气体中SO 2 的平均组成为0.02(摩尔分数)，水中SO 2 的平均浓度为1g/1000g 。塔中操作压力为10.13kPa(表压)，现已知气相传质分系数G k =0.3×10-2kmol/（m 2·h·kPa ），液相传质分系数L k = 0.4 m/h 。操作条件下平衡关系50y x =。求总传质系数K Y （kmol/（m 2·h ））。

解根据

()()()()()()()()**

*******

11111111y y p p p K y y y y p p K y y y y K y y y y K Y Y K N A A Y Y Y Y Y A ---=---=---=???? ??---=-=和

得

现已知kPa p 4.111=，02.0=y ，4*1081.218100064164150-?=+?

==A mx y ，因此要先根据下式求出G K 才能求出Y K :

因此还要求出 H ：

于是便可求出

和

分析此题主要练习各种传质系数之间的转换关系，第二目的是了解各系数的量级。

6-8 在1.013×105Pa 、27℃下用水吸收混于空气中的甲醇蒸气。甲醇在气、液两相中的浓度很低，平衡关系服从亨利定律。已知H=0.511 kPa ·m 3/kmol ，气膜吸收分系数k G =1.55×105kmol/(m 2·s·kPa)，液膜吸收分系数k L =2.08×105 (m/s)。试求吸收总系数K G 并算出气膜阻力在总阻力中所占的百分数。

解根据定义式()()A A L A A G A c c K p p K N -=-=**和H c p A A

*=，可知所以只要求出G K 即可。又

所以因为

G k 1为气相阻力，G K 1为总阻力，故分析此题应和题6-9一起综合考虑。

6-9 在吸收塔内用水吸收混于空气中的低浓度甲醇，操作温度为27℃，压强为1.013×105Pa 。稳定操作状况下塔内某截面上的气相中甲醇分压为37.5mmHg ，液相中甲醇浓度为2.11kmol/m 3。试根据题6-8中有关数据计算出该截面的吸收速率。

解吸收速率可以用公式 ()*p p K N G A -=求出。其中

于是可得

分析 (1) 此时，根据()()55-1068.5-07.51055.1-?=?=-=i i G A p p p K N , 还可以计算出气液界面气相侧中的甲醇分压（kPa p i 405.1=）以及液相侧中的甲醇浓度（3/748.2m kmol Hp c i i ==），此值远高于主体溶液中的甲醇浓度。

(2) 是不是题目有些问题？含5%甲醇的空气似乎应是入口气体，因此3/2m mol 应是出塔液体的浓度，而此液体的浓度也太低了 (质量分数仅为0.0064%)，这些水又有何用呢？

(3) 若将题目中甲醇浓度改为3/2m kmol ，则质量分数为6.4 %，便可以用精馏法回收其中的甲醇。

6-10 附图为几种双塔吸收流程，试在y-x 图上定性画出每种吸收流程中A 、B 两塔的操作线和平衡线，并标出两塔对应的气、液相进出口摩尔分数。

题6-10附图

(c)

（d ）

6-11 在某逆流吸收塔内，于101.3kPa 、24℃下用清水吸收混合气体中的H 2S ，将其浓度由2%降至0.1%（体积分数）。系统符合亨利定律，E =545×101.3kPa 。若吸收剂用量为最小用量的1.2倍，试计算操作液气比及出口液相组成。解：已知 y 1=0.02 y 2=0.001 KPa 1052.5E 4?= P =101.33KPa

则 0204.002.0-102.01Y == 001.0001

.0-1001.0Y2== 又据全塔物料衡算()()2121Y -Y V X -X L = 即操作液气比V

L 为776.25 出口液相组成X 1为5105.2-? 6-12用纯水逆流吸收气体混合物中的SO 2，SO 2的初始浓度为5％（体积分数），操作条件下的相平衡关系为y ＝5.0x ，分别计算液气比为4和6时气体的极限出口浓度。

解：当填料塔为无限高，气体出口浓度达极限值，此时操作线与平衡线相交。对于逆流操作，操作线与平衡线交点位置取决于液气比与相平衡常数m 的相对大小。当4=L ，0.5=

由物料衡算关系可以求得气体的极限出口浓度为：当6=L ，0.5=>m G L ，操作线与平衡线交于塔顶，由平衡关系可以计算气体极限出口浓度为：

由物料衡算关系可求得液体出口浓度为：从以上计算结果可知，当m L <时，气体的极限残余浓度随G L 增大而减小；当m G L >时，气体的极限浓度只取决于吸收剂初始浓度，而与吸收剂的用量无关。

6-13 在某填料吸收塔中，用清水处理含SO 2的混合气体。逆流操作，进塔气体中含SO 2为0.08(摩尔分数)，其余为惰性气体。混合气的平均相对分子质量取28。水的用量比最小用量大65%，要求每小时从混合气中吸收2000kg 的SO 2。已知操作条件下气、液平衡关系为x y 7.26=。计算每小时用水量为多少立方米。

解：根据题意得

根据吸收的SO 2质量求得混合气中惰性气体的流量

根据物料衡算

解得521035.4-?=Y

又 67.267.26/087.01035.4087.052

121min =?-=--=??? ??-X X Y Y V L e 则 h kmol L L /1058.1375.3597.2665.165.14min ?=??==

则每小时的用水量为

6-14 用纯溶剂对低浓度气体作逆流吸收，可溶组分的回收率为η，采用的液气比是最小液气比的β倍。物系平衡关系服从亨利定律。试以η、β两个参数列出计算N OG 的表达式。

解：令进塔气体浓度为y1，则出塔气体浓度为()η-=1y y 12 x 2=0

由上题证明的结果： L G m -1y y ln

N 21

OG ??= 又β11111y y y mx y -

=-=?

6-15 在一填料吸收塔内，用含溶质为0.0099的吸收剂逆流吸收混合气体中溶质的85%，进塔气体中溶质浓度为0.091，操作液气比为0.9，已知操作条件下系统的平衡关系为x y 86.0=，假设总体积传质系数与流动方式无关。试求：（1）逆流操作改为并流操作后所得吸收液的浓度；（2）逆流操作与并流操作平均吸收推动力之比。

解：逆流吸收时，已知y 1=0.091，x 2=0.0099

所以 ()()01365.085.01091.0-11y 2y =-==η

改为并流吸收后，设出塔气、液相组成为’1Y 、’1X ，进塔气。

物料衡算：

将物料衡算式代入N OG 中整理得：

逆流改为并流后，因K Ya 不变，即传质单元高度H OG 不变，故N OG 不变

所以

由物料衡算式得：

将此两式联立得：

由计算结果可以看出，在逆流与并流的气、液两相进口组成相等及操作条件相同的

情况下，逆流操作可获得较高的吸收液浓度及较大的吸收推动力。

6-16 今有逆流操作的填料吸收塔，用清水吸收原料气中的甲醇。已知处理气量为1000m 3/h （标准状况），原料气中含甲醇100g/m 3，吸收后的水中含甲醇量等于与进料气体相平衡时组成的67%。设在标准状况下操作，吸收平衡关系为

x y 15.1=，甲醇的回收率为98%，K y = 0.5 kmol/（m 2·

h ），塔内填料的有效比表面积为190 m 2/m 3，塔内气体的空塔流速为0.5 m/s 。试求：

(1) 水的用量；

(2) 塔径；

(3) 填料层高度。

解下面计算中下标1表示塔底，2表示塔顶。根据已知操作条件，有

%671=x 0408.0*1=x ，0425.011

11=-=x x X

（1）根据全塔的甲醇物料衡算式 ()()2121Y Y V X X L -=-可以得出用水量

（2）塔径m u V D s T 814.05.03600100044=??==

ππ，可圆整到0.84m 。（3）由于是低浓度吸收，故可以将x y 15.1=近似为X Y 15.1=,并存在Y y K K ≈，则可进行以下计算：

填料层高度

先计算气相总传质单元数：

再计算气相总传质单元高度

最终解得m H 7.6=

分析 (1)这是一个典型的设计型问题，即已知工艺要求，希望设计出用水量、塔径和塔高。

(2)若不进行以上近似，则可按下述方法求解:

式中：'V -气体总流量。

于是

对上式进行积分得

（当然此时y K 也会随着流量变化而变化，求解时还需要做另外的近似）

（3）或者做以下近似处理

得

其中，Y 可取1Y 和2Y 的平均值；*Y 可取*1Y 和*2Y 的平均值。

取

则

以上两种方法的计算结果具有可比性。

6-17在一填料吸收塔内，用清水逆流吸收空气中的NH3，入塔混合气中NH3的含量为0.01（摩尔分率，下同），吸收在常压、温度为10℃的条件下进行，吸收率达95%，吸收液中NH3含量为0.01。操作条件下的平衡关系为x

y5.0

=，试计算清水流量增加1倍时，吸收率、吸收推动力和阻力如何变化，并定性画出吸收操作线的变化。

解：吸收率增加，吸收推动力增加

2是清水增加一倍时的操作线，斜率增加，推动力增大。

6-18某吸收塔用25mm×25mm的瓷环作填料，充填高度5m，塔径1m，用清水逆流吸收流量为2250m3/h的混合气。混合其中含有丙酮体积分数为5%，塔顶逸出废气含丙酮体积分数将为0.26%，塔底液体中每千克水带有60g丙酮。操作在101.3kPa、25℃下进行，物系的平衡关系为y=2x。试求（1）该塔的传质单元高数H OG及体积吸收系数K y a；（2）每小时回收的丙酮量，kg/h。

解：（1）M

丙酮

=58

∴

01828

1000

由全塔物料衡算：

01828

0026

∴

695

OG N

∵

（2）每小时回收的丙酮量为：

6-19 在一填料层高度为5m 的填料塔内，用纯溶剂吸收混合气中的溶质组分。当液气比为1.0时，溶质回收率可达90%。在操作条件下气液平衡关系为y =0.5x 。现改用另一种性能较好的填料，在相同的操作条件下，溶质回收率可提高到95%，试问此填料的体积吸收总系数为原填料的多少倍？

解：本题为操作型计算，NOG 宜用脱吸因数法求算。

原工况下：

因X2=0，则：

新工况（即新型填料）下：

则 38.1063

.1466.1H H K K OG OG

Ya Ya ===’’ 即新型填料的体积传质系数为原填料的1.38倍。

讨论：对一定高度的填料塔。在其他条件不变下，采用新型填料，即可提高K Ya ，减小传质阻力，从而提高分离效果

6-20某填料吸收塔高2.7m ，在常压下用清水逆流吸收混合气中的氮。混合气入塔的摩尔流率为0.03kmol/(m 2·s),清水的喷淋密度0.018 kmol/(m 2·s)。进口气体中含氮体积分数为2%，已知气相总体积吸收系数K y a=0.1 kmol/(m 3·s),操作条件下亨利系数为60kPa 。试求排出气体中氮的浓度。解：6.03.10160===p E m m G L ===6.003.0/018.0

即操作线与平衡线平行，此时

故 0.93.07.2==

OG N 22121y y y y y y N m OG -=-= 所以2202.00.9y y -=

解得002.02=y

6-21 某填料吸收塔用含溶质x 2=0.0002的溶剂逆流吸收混合气中的可溶组分，采用液气比是3，气体入口摩尔分数y 1=0.001，回收率可达90%.已知物系的平衡关系为y=2x 。

今因解吸不良使吸收剂入口摩尔分数x 2升至0.00035，试求：（1）可溶组分的回收率下降至多少？（2）液相出塔摩尔分数升高至多少？

解：（1）0.0010.9-0.01x (1η)1(12==-=）

y y 当2x 上升时，由于H 不变，OG H 不变

∴ OG OG H H N =也不变，即

（3）物料衡算

6-22用一填料塔逆流吸收空气中的氨。单位塔截面上的混合气体流率为0.036 kmol/m 2·s ，含氨2％（摩尔分率，下同），新鲜吸收剂为含氨0.0003的水溶液，从塔顶加入。要求氨的回收率不低于91％，设计采用液气比为最小液气比的1.3倍。氨-水-空气物系的相平衡关系为y=1.2x 。已知气相总传系数 Kya 为0.0483 kmol/ m 3·s ，过程为气膜控制。试求：

(1)所需塔高.

(2)若采用部分吸收剂再循环从塔顶加入，新鲜吸收剂用量不变，循环量与新鲜吸收剂量之比为1:10，为达到同样的回收率，所需塔高为多少?

解：（1）对吸收塔作物料衡算

吸收塔内液气比为

全塔物料衡算

其中

全塔的传质单元数

所需塔高为

（2）当有部分吸收剂再循环后，吸收剂的入塔含量为

吸收塔内液气比

全塔物料衡算

联立 ① 、②两式可解得

全塔的传质单元数

所需塔高

6-23 为测定填料层的体积吸收系数K y a ，在填料塔内以清水为溶剂，吸收空气中低浓度的溶质组分A 。试画出流程示意图，指出需要知道哪些条件和测取哪些参数；写出计算K y a 的步骤；在液体流量和入塔气体中组分A 浓度不变的情况下，加大气体流量，试问尾气中组分A 的浓度是增大还是减小？

题6-23图

解流程如图（a ）所示，由于

所以，为了测出a K Y ，需要知道物系的平衡关系，因而需要测定温度，以便于从手册中查找有关数据，还需测量进、出口的气、液流量及组成、塔径和填料层的高度。

求的步骤如下：

（1）在稳定操作条件下测出L，V，以及温度；（2）依据平衡关系求出平均推动力；

（3）量出塔径及填料层高度H；

（4）将以上各量代入式，及求得。

若加入大气体流量，尾气中组分A的浓度将增高。其分析如图b所示。

分析（1）实验时要多测一些L和V条件下的数据以便总结出规律。

（2）试分析增大气体流量后X1 会如何改变?

（3）测水流量L 有何用途?

6-24某逆流操作的填料吸收塔，塔截面积1m2，用清水吸收混合气中的氨气，混合气量为0.06kmol/s，其中氨的浓度为0.01（摩尔分率），要求氨的回收率至少为95%。已知吸收剂用量为最小用量的1.5倍，气相总体积吸收系数为

K∝G0.8。操作压力101.33kPa，操作温度30℃，在此条件

0.06kmol/(m3·s)，且

a y

下，气液平衡关系为x

，试求：

y2.1

（1）填料层高度（m）；

（2）若混合气体量增大，则按比例增大吸收剂的流量，能否保证溶质吸收率不下降？简述其原因；

（3）若混合气体量增大，且保证溶质吸收率不下降，可采取哪些措施？

解：（1）根据题意得

全塔的传质单元数

全塔的传质单元高度

（2）假设能保证吸收率不下降，则有95.0'=η

又因为L 与V 按比例增大，所以??

? ??=??? ??V L V L '，则702.01'==L mV A ∴2'2Y Y =，则OG N 不变

又因为 Ω=Ω=Ω=2

.0''''''

8.0V V V a K V H Y OG

（3）在H 不变时，'OG H ↑，则'OG N ↓，又因为'η与m 均不变，∴需要L↑或者换

用更加高效的填料

思考题

6-1吸收的目的和基本依据是什么？吸收的主要操作费用花费在哪里？

答：目的是分离气体混合物，依据是气体混合物中各组分在溶剂中的溶解度不同；操作费用主要花费在溶剂再生，溶剂损失。

6-2 选择吸收剂的主要依据是什么？什么是溶剂的选择性？

答：溶解度大，选择性高，再生方便，蒸气压低，损失小。溶剂对溶质溶解度大，对其他组分溶解度小。

6-3 E 、m 、H 三者各自与温度、总压有何关系？

答：m 、E 、H 均随温度上升而增大，E 、H 基本上与总压无关，m 反比于总压。 6-4 扩散流JA ，净物流N ，传质速率NA 相互之间有什么联系和区别？

答：B A M J J N N ++=，M A M A A C C N J N +=。B A J J ,浓度梯度引起，M N 微压力差引起，A N 溶质传递。

6-5 漂流因子有什么含义？等分子反向扩散时有无漂流因子？为什么？答：表示了主体流动对传质的贡献无漂流因子，因为没有主体流动

6-6 气体分子扩散系数与温度、压力有何关系？液体分子扩散系数与温度、黏度有何关系？

答：气体分子扩散系数与温度的1.5次方成正比，总压力成反比；液体扩散系数与温度成正比，与粘度成反比。

6-7 传质过程中，何种情况是气相阻力控制？何种情况是液相阻力控制？答：当x y K m K >>1时，此时传质阻力主要集中于气相，称为气相阻力控制过程；当()x y K mK 11<<时，此时传质阻力主要集中于液相，称为液相阻力控制过程。

6-8 低含量气体吸收有哪些特点

答：①G 、L 为常量，②等温过程，③传质系数沿塔高不变

6-9 吸收塔高度计算中，将N OG 与H OG 分开有什么优点？

答：分离任务难易与设备效能高低相对分开，便于分析。

6-10 建立操作线方程的依据是什么？

答：塔段的物料衡算。

6-11 什么是返混？返混对塔的分离结果有什么影响？

答：在有降液管的塔板上，液体横流过塔板与气体呈错流状态，液体中易挥发组分的浓度将沿着流动的方向逐渐下降，但是当上升气体在塔板上使液体形成涡流时，浓度高的液体和浓度低的液体就混在一起，破坏了液体沿流动方向的浓度变

化，这种现象叫返混现象。

6-12 何谓最小液气比

答：操作先于平衡线相交或者相切时对应的L/V 称为最小液气比。

6-13 x 2,max 与（L/G ）min 是如何受到技术上的限制的？答：通常，m y x 2max ,2=，()()()2121min x x y y G L e --=。因此，技术上的限制主要是指相平衡和物料衡算。

6-14 有哪几种N OG 的计算方法？用对数平均推动力法和吸收因数求NOG 的条件各是什么？

答：对数平均推动力法，吸收因数法，数值积分法。相平衡分别为直线和过原点直线。

6-15 H OG 的物理含义是什么？常用吸收设备的HOG 约为多少？

答：气体流经这一单元高度塔段的浓度变化等于该单元内的平均推动力。 0.15～

1.5 m 。

6-16 吸收剂的进塔条件有哪三个要素？操作中调节这三要素，分别对吸收结果有何影响？

答：t 、x 2、L 。 t↓，x 2↓，L↑均有利于吸收。