化工原理-气体吸收作业(含答案)资料

气体吸收
1.向盛有一定量水的鼓泡吸收器中通入纯的CO 2气体，经充分接触后，测得水中的CO 2平衡浓度为
2.875×10－2
kmol/m 3
，鼓泡器内总压为101.3kPa ，水温30℃，溶液密度为1000 kg/m 3。

试求亨利系数E 、溶解度系数H 及相平衡常数m 。

解：
查得u30℃，水的kPa 2.4=s p kPa 1.972.43.101*=-=-=s A
p p p
稀溶液：3kmol/m 56.5518
1000
==
≈
S
M c ρ
42
1017.556
.5510875.2--⨯=⨯==c c x A kP a 10876.11017.51.975
4
*⨯=⨯=
=-x p E A )m kmol/(kPa 1096.21
.9710875.2342*⋅⨯=⨯==
--A
A p c H
18543
.10110876.15
=⨯=
=p E m 2．在总压101.3kPa ，温度30℃的条件下, SO 2摩尔分率为0.3的混合气体与SO 2摩尔分率为0.01的水
溶液相接触，试问：
（1） 从液相分析SO 2的传质方向；
（2） 从气相分析，其他条件不变，温度降到0℃时SO 2的传质方向；
（3） 其他条件不变，从气相分析，总压提高到202.6kPa 时SO 2的传质方向，并计算以液相摩尔分率差及气相摩尔率差表示的传质推动力。

解：(1)查得在总压101.3kPa ，温度30℃条件下SO 2在水中的亨利系数E =4850kPa 所以 =
=
p E m =3
.1014850
47.88 从液相分析
00627.088
.473.0*===
m y x < x =0.01 故SO 2必然从液相转移到气相，进行解吸过程。

（2）查得在总压101.3kPa ，温度0℃的条件下，SO 2在水中的亨利系数E =1670kPa
==
p E m 3
.1011670 =16.49 从气相分析
y *=mx=16.49×0.01=0.16<y=0.3
故SO 2必然从气相转移到液相，进行吸收过程。

（3）在总压202.6kPa ，温度30℃条件下，SO 2在水中的亨利系数E =4850kPa
==
p E m 6
.2024850 =23.94 从气相分析
y *=mx=23.94×0.01=0.24<y=0.3
故SO 2必然从气相转移到液相，进行吸收过程。

0125.094
.233.0*===
m y x 以液相摩尔分数表示的吸收推动力为:
∆x=x *－x =0.0125－0.01=0.0025
以气相摩尔分数表示的吸收推动力为:
∆y= y － y *=0.3－0.24=0.06
3．在总压为100kPa 、温度为30℃时，用清水吸收混合气体中的氨，气相传质系数G k =3.84×10-6 kmol/（m 2·s ·kPa ），液相传质系数L k =1.83×10-4 m/s ，假设此操作条件下的平衡关系服从亨利定律，测得液相溶质摩尔分率为0.05，其气相平衡分压为6.7kPa 。

求当塔内某截面上气、液组成分别为y=0.05，
x=0.01时
（1） 以（*A A p p -）、（A *
A c c -）表示的传质总推动力及相应的传质速率、总传质系数；
（2） 分析该过程的控制因素。

解：（1）根据亨利定律kPa 13405
07
6A ==
=..x p E * 相平衡常数34.1100
134
===
p E m
溶解度常数4146.018
1341000
s
s
=⨯=
=
EM H ρ
以气相分压差（*
A A p p -）表示总推动力时：
*
A
A p p -=100×0.05-134×0.01=3.66kPa G L G 111k Hk K +==273597260417131801086.31
1083.14146.016
4=+=⨯+⨯⨯--
6G 1066.3-⨯=K kmol/（m 2
·s ·kPa ）
)(*
A A G A p p K N -==3.66×10-6×3.66=1.34×10-5 kmol/（m 2·s ）
以（A *
A c c -）表示的传质总推动力时：
56.01000
/1899.001.0A =⨯=
c kmol/m 3
A *A c c -=0.4146×100×0.05－0.56=1.513 kmol/m 3
m/s 108.84146
.01066.366G L --⨯=⨯==H K K
)(A *
A L A c c K N -==8.8×10-6×1.513=1.3314×10-5 kmol/（m 2·s ）
（2）与（*
A A p p -）表示的传质总推动力相应的传质阻力为273597（m 2·s ·kPa ）/ kmol ；
其中气相阻力为
131801
G
=k m 2·s ·kPa/ kmol ； 液相阻力
2604171
L
=Hk m 2·s ·kPa/ kmol ； 气相阻力占总阻力的百分数为
%2.95%100273597
260417
=⨯。

故该传质过程为气膜控制过程。

4 ．若吸收系统服从亨利定律或平衡关系在计算范围为直线，界面上气液两相平衡，推导出K L 与k L 、k G 的关系。

解：因吸收系统服从亨利定律或平衡关系在计算范围为直线 A A Hp c =＊ 界面上气液两相平衡 i Hp c A Ai =的关系式 由 )(A *
A L A c c K N -=得
)(K 1A *
A A L
c c N -= （1） 由)(i A A G A p p k N -=得
)H
c H c (Ai *A
G A
-=k N
)c c (k H
Ai *A A G
-=N （2） 由)(A i A L A c c k N -=得
)(1
A i A A L
c c N k -= （3） （2）式＋（3）式，并与（1）式比较得
G
L L 11k H
k K +
= 5．在逆流吸收的填料吸收塔中，用清水吸收空气～氨混合气中的氨，气相流率为 0.65kg/(m 2
·S)。

操作液气比为最小液气比的1.6倍，平衡关系为 x y 92.0*=，气相总传质系数a K y 为0.043kmol/(m 3
·S)。

试求：
(1)吸收率由95％提高到99％，填料层高度的变化。

（2）吸收率由95％提高到99％，吸收剂用量之比为多少？ 解：（1）吸收率为95％时：
V ＝0.65／29＝0.0224 kmol/(m 2·S)
m 521.0043
.00224
.0OG ===
a K V H y 874.095.092.0/2212
*
121min =⨯==-=--=⎪⎭⎫ ⎝⎛ηm m Y Y Y X X Y Y V L 398.1874.06.16.1min
=⨯=⎪⎭⎫
⎝⎛=V L V L L ＝0.0224×1.398＝0.0313 kmol/(m 2·S)
658.0398
.192
.0===
L mV S ⎥⎦
⎤⎢⎣⎡+----=
S mX Y mX Y S S N OG 2
221)1(ln 11
89.5658.095.011)658.01(ln 658.011=⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡+---=
OG N
m 1.3521.089.5OG OG =⨯=⋅=H N Z
吸收率为99％时：
m 521.0043
.00224
.0OG OG '===
=a K V H H y 911.099.092.0/'2'
212*12'1min '
=⨯==-=--=⎪⎭
⎫ ⎝⎛ηm m Y Y Y X X Y Y V L 457.1911.06.16.1)(min '
'=⨯=⎪⎭
⎫
⎝⎛=V L V L L ‘＝0.0224×1.457＝0.0326 kmol/(m 2·S)
631.0457
.192
.0''===
L mV S ⎥⎦
⎤⎢⎣⎡+----='2
'221'''
)1(ln 11S mX Y mX Y S S N
OG
82.9631.099.011)631.01(ln 631.011'=⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡+---=
OG N m 1.5521.082.9OG OG ''=⨯=⋅=H N Z
65.11
.311
.5'==Z Z (2) L ＝0.0224×1.398＝0.0313 kmol/(m 2
·S)
L ‘＝0.0224×1.457＝0.0326 kmol/(m 2·S)
04.10313
.00326.0'==L L 6．在一填料塔中用清水吸收氨－空气中的低浓氨气，若清水量适量加大，其余操作条件不变，则2Y 、
1X 如何变化？（已知体积传质系数随气量变化关系为8.0V a k Y ∝）
解： 用水吸收混合气中的氨为气膜控制过程，故8
.0V
a k a K Y Y ∝≈
因气体流量V 不变，所以a k Y 、a K Y 近似不变，H OG 不变。

因塔高不变，故根据Z =OG OG H N ⋅可知OG N 不变。

当清水量加大时，因V L m
S /=
，故S 降低，由图5-25可以看出2
221mX Y mX Y --会增大，故2Y 将下降。

根据物料衡算12121)()(VY Y Y V X X L ≈-=-,VY 不变，L 增大，可近似推出1X 将下降。

7．在一逆流操作的吸收塔中，如果脱吸因数为0.75，气液相平衡关系为X Y 0.2*
=，吸收剂进塔浓度
为0.001（摩尔比，下同），入塔混合气体中溶质的浓度为0.05时，溶质的吸收率为90%。

试求入塔气体中溶质浓度为0.04时，其吸收率为多少？若吸收剂进口浓度为零，其他条件不变，则其吸收率又如何？此结果说明了什么？ 解： 001.02=X 时：
原工况 75.0=S 005.0)9.01(05.0)1(12=-=-=ηY Y
⎥⎦
⎤⎢⎣⎡+----=
S mX Y mX Y S S N OG 2
221)1(ln 11
233.675.0001.02005.0001.0205.0)75.01(ln 75.011=⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡+⨯-⨯---=
OG N
新工况 OG OG
'
H H
= Z Z ='
⎥⎦
⎤⎢⎣⎡+----=S mX Y mX Y S S N
OG
2
'22'1'
)1(ln 11 233.675.0001.02001.0204.0)75.01(ln 75.011'2'=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡+⨯-⨯---=
=Y N
N OG
OG
解得3
'
210375.4-⨯=Y
%06.898906.004
.010375.404.03
'
1'2'1'
==⨯-=-=-Y Y Y η 02=X 时：
原工况 75.0=S 005.0)9.01(05.0)1(12=-=-=ηY Y
⎥⎦
⎤⎢⎣⎡+----=
S mX Y mX Y S S N OG 2
221)1(ln 11
715.475.0005.005.0)75.01(ln 75.011=⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡+--=
OG N
新工况 OG OG 'H H = Z Z ='
⎥⎦
⎤⎢⎣⎡+--=S Y Y S S N
OG
'2
'1'
)1(ln 11
715.475.004
.0)75.01(ln 75.011'2
'=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡+--=
=Y N
N OG
OG
解得3
'
21000.4-⨯=Y
%909.004
.01000.404.03
'
1'2'1'
==⨯-=-=-Y Y Y η 从计算结果看，塔高一定，当用纯溶剂吸收混合气体中的溶质时，入塔气体组成变化，其他条件不变，其吸收率不变。

8.在一逆流操作的填料塔中，用纯溶剂吸收混合气体中溶质组分，当液气比为1.5时，溶质的吸收率为90％，在操作条件下气液平衡关系为X Y 75.0*
=。

如果改换新的填料时，在相同的条件下，溶质的吸收率提高到98％，求新填料的气相总体积吸收系数为原填料的多少倍？ 解：原工况： 5.05
.175
.0===
L mV S ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+----=
S mX Y mX Y S S N OG 2221)1(ln 11
⎥⎦⎤⎢⎣
⎡+---=
S S S η11)1(ln 11 41.35.090.011)5.01(ln 5.011=⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡+---=
OG N
新工况： S S ='
477.65.098.011)5.01(ln 5.011'=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡+---=
OG
N
OG OG N Z a K V H Y =Ω=
OG
''
OG '
N Z a K V H Y =Ω= 900.141
.3477
.6'
'===OG OG Y Y N N a K a K
9．用纯溶剂在一填料吸收塔内，逆流吸收某混合气体中的可溶组分。

混合气体处理量为1.25Nm 3
/s ，要求溶质的回收率为99.2%。

操作液气比为 1.71，吸收过程为气膜控制。

已知10℃下，相平衡关系
X Y 5.0*=，气相总传质单元高度为0.8m 。

试求：
（1）吸收温度升为30℃时，溶质的吸收率降低到多少？ （30℃时，相平衡关系X Y 2.1*
=） （2）若维持原吸收率，应采取什么措施（定量计算其中的2个措施）。

解：
（1）原工况：292.071
.15
.0===
L mV S ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+----=
S mX Y mX Y S S N OG 2221)1(ln 11
⎥⎦⎤⎢⎣
⎡+---=
S S S η11)1(ln 11 34.6292.0992.011)292.01(ln 292.011=⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡+---=
OG N
m 072.58.034.6OG OG =⨯=⋅=H N Z
新工况： OG OG
'H H
= Z Z ='
7008.0292.05
.02.1''
=⨯==S m m S 34.67008.011
)7008.01(ln 7008.011''=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡+---==ηOG OG N N
解得95.0'
=η
（2）温度升高，平衡线上移，推动力减小，保持吸收率不变，可采取措施：
1）L/V 增加，即增加溶剂量；
'''
L
V m L m V S S == L L L m m L 4.25
.02.1''
===
2）增加填料层高度
L/V 不变，温度升高，7008.0292.05
.02
.1''
=⨯==S m m S ，推动力减小靠增加塔高弥补。

17.127008.0992.011)7008.01(ln 7008.011'=⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡+---=
OG N 温度改变，对气膜控制吸收过程，传质单元高度不变，8.0OG OG
'==H H
m 736.98.017.12O G O G ''=⨯=⋅=H N Z
m 664.4072.5736.9=-=∆Z
10．在一塔高为4m 填料塔内，用清水逆流吸收混合气中的氨，入塔气体中含氨0.03（摩尔比），混合气体流率为0.028kmol/(m 2
·s), 清水流率为0.0573kmol/(m 2
·s)要求吸收率为98％，气相总体积吸收
系数与混合气体流率的0.7次方成正比。

已知操作条件下物系的平衡关系为X Y 8.0*
=，试求：
（1）当混合气体量增加20％时，吸收率不变，所需塔高？
（2）压力增加1倍时，吸收率不变，所需塔高？（设压力变化气相总体积吸收系数不变） 解：
原工况： 029.003
.0103
.01111=+=+=
Y Y y s)kmol/(m 0272.0)029.01(028.02
⋅=-⨯=V
38.00573
.00272
.08.0=⨯==
L mV S ⎥⎦
⎤⎢⎣⎡+---=
S S S N OG η11
)1(ln 11 56.538.098.011)38.01(ln 38.011=⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡+---=
OG N
m 720.056
.54
OG OG ===Ω=
N Z a K V H Y （1）气体流量增加20％
因水吸收氨为气膜控制，所以V 增加，传质单元高度变化
3.07.0OG V V
V
a K V H Y =∝Ω=
()056.12.1)(3
.03.0'OG OG '===V
V H H m 760.0720.0056.1OG '=⨯=H
456.00573
.02.10272.08.0''
=⨯⨯==L mV S
103.6456.098.011)456.01(ln 456.011'=⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡+---=
OG N
m 64.4760.0103.6OG 'OG ''=⨯=⋅=H N Z
（2）压力加1倍 4.02
8
.0''
===
m p p m
58.419.098.011)19.01(ln 19.011'=⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡+---=
OG N
Ω
=
a K V
H Y OG 不变OG H ∴
m 298.3720.058.4OG OG ''=⨯=⋅=H N Z
19
.00573.00272.04.0''
=⨯==L V m S。