化工原理(第三版)习题解(谭天恩)第九章习题解

第九章 吸收

9-1 总压为101.3kPa、含NH35%（体积分数）的混合气体，在25C下与浓度为

?1.71kmol.m?3的氨水接触，试判别此过程的进行方向，并在p?c图上示意求取传质推动力

的方法。

解 氨—水平衡关系列在本章附录二中，需将题中组成化为其中的单位，以便比较。 气相氨分压 p?101.3?0.05?5.065kPa

液相组成换算要用到密度?，暂取??990kg.m（参考例9-2，温度较高?较小）。 对c?1.71kmol.m氨水，每立方米含氨1.71?17?29.1kg，含水990?29.1?960.9kg；故100kg水中含氨100?(26.1/960.9)?3.03kg。

与附录二比较，氨水组成为3kg氨.(100kg水），25C下的平衡氨分压为3.13kPa，比题给氨分压低，故知过程方向应为吸收。（注：虽然氨水密度的估计稍有误差，但不影响过程方向。作图从略）

9-2 含CO23%（体积分数）的CO2—空气混合气，在填料塔中用水进行逆流吸收，操作压力为（绝）为200kPa、温度为25C，试求出塔的100g水中最多可溶解多少克

?-1?3?3?CO2？其浓度又为多少？

解 出塔水的最大浓度系与逆流进塔的气体平衡，此时CO2的分压

?，查本章附录一，25C下CO2溶于水的亨利系数p?Py?200?0.03?6kPa，液相平衡组成为 E?166MPa。按式（9-5）

p6?1??5 x? ????3.61?10mol.Amol(A?B)3E166?10而 ?max?(MA?M44)x?(A)x??()?3.61?10?5?8.84?10?5gA.(gS)?1 MLMS18?3?1gCO2.(100g）

即 8.84?10浓度 cmax?Cx?(??sMs)x??(1000/18)?(3.61?10?5)?2.01?10?3kmol.m?3

?9-3 总压101.3kPa、含CO26%（体积分数）的空气，在20C下与CO2浓度为

3kmol.m?3的水溶液接触，试判别其传质方向。

解 空气中CO2的分压p?101.3?0.06?6.08kPa，水溶液的CO2摩尔分数x?c/C，式中，C为溶液的总浓度，C?1000/18.02?55.5kmol.m。

溶液的CO2平衡分压按式（9-5）即p?Ex计算，而20C下的E从本章附录一查得为144MPa。故

p?Ex?Ec/C?(144?10)?(3?10可知p＞p，过程为脱吸。

9-4 焦炉煤气（标准状态）含粗苯30g.m，流量10000m.h，经洗油吸收后（见图9-1），降为1.5g.m?3?3??3?3??3?/55.5)?7.78kPa

3?1，求粗苯的吸收率和吸收量。设粗苯的平均摩尔质量可取为

100kg.kmol?1。

解 现煤气中粗苯含量很低，可用给出的浓度之比代替摩尔比。按式（9-1），吸收率为 ??1?ca/cb?1?1.5/30?0.95 吸收量 G?10000?(30?1.5)?10校核：按摩尔比再次计算如下。标准状态下

?3?285kg.h?1

1m3粗苯的物质量 nb?30/100?0.3mol 1m3煤气的物质量 n总?1000/22.4?44.6mol

粗苯摩尔比 Yb?nb0.3??6.77?10?3

n总?nb44.6?0.3吸收后 ns?1.5/100?0.015mol 煤气中惰性气量不变，仍为44.6?0.3?44.3mol

其摩尔比 Ya?0.015/44.3?3.39?10?4

?3故 ??1?Ya/Yb?1?0.330/(6.77?10)?0.950 与以上按浓度计算的结果相同（取三位有效数字时）。

9-5 求温度为10C及30C时与100kPa（绝）空气接触的水中，氧（标准状态下）的最大浓度（分别以L.m、mg.L、摩尔分数表示）及溶解度系数（以kmol.m.kPa表示）。氧在空气中的体积分数为21%。

解 氧在水中的最大浓度即为接触状态下的平衡浓度，可由本章附录一查出亨利系数E后。

?3?1???3?1由式（9-5）计算其摩尔分数：x?p/E

式中氧的分压 p?100?0.21?21kPa 氧在水中的摩尔浓度 c?Cx

其中总浓度 C?1000/18.02?55.5kmol.m

其质量浓度c需对c乘以氧的摩尔质量32kg.kmol；再换算到mg.L，需乘以10。 溶解度系数H按式（9-3）计算，H?C/p。 现将查得及算出的结果列于下表中。 ?????3???1?13t/?C 10 30 E/MPa 3310 4810 106x? 104c?/kmol.m?3 6.34 4.37 ?c?/mg/L?1 11.27 7.72 105H/kmol.m?3.kPa?1 1.676 1.154 3.52 2.42 9-6 二氧化硫与水在30C下的平衡关系为：

?1?/kgSO2.(100kgH2O) 0.1 0.626 0.2 1.57 0.2 2.63 0.5 4.80 0.7 6.93 1 10.5 1.5 16.7 p(SO2)/kPa 试换算成总压100kPa（绝）下的x?y关系，并在x?y图中作出平衡曲线。 解 根据例9-5中所得的算式

x??/(??355.6)及y?p/P?p/100 计算，取三位有效数字，可得下表（作图从略）： 104x 103y ?2.81 6.26 5.62 15.7 8.43 26.3 14.0 48.0 19.7 69.3 28.1 105 42.0 167 9-7 25C及100kPa（绝）下，有CO220%、空气80%（体积分数，下同）的气体

1m3，与1m3的清水在容积2m3的密闭容器中接触，进行传质。问CO2在水中的最终浓度

及剩余气体的总压各为多少？若上述过程在初始总压为500kPa（绝）下进行，求其结果。 解 现气相体积V?1m不变，随着CO2的溶解，分压p将下降。最终达平衡时p与水中

3?CO2摩尔分数x的关系，可用亨利定律表示见式(9?5)即p??Ex。查附录一，知

??E?166MPa，故有

p?1.66?10xkPa （a）

两未知量p与x的另一关系是物料衡算：

气相失去的CO2为 N1?(0.2P?p)/(V/RT) （b） 水中得到的CO2为 N2?Cx?55.5x

最终有N1?N2，并将给定的P?100kPa及V、T代入式（b），得 (20?p)?1/(8.314?298)?55.5x

20?p?1..375?10x （c）

联立方程（a）、（c）求解，得到

p?10.9kPa，x?6.59?10

而容器内剩余气体总压为P终?80?p?90.9kPa。以上忽略水的蒸汽压。 若总压为P?500kPa，式（a）必备，代入式（b），得物料衡算式 100?p?1.375?10x 与式（a）联立求解得

p?54.7kPa，x?33.0?10 容器内剩余气体总压为 P终?400?54.7?455kPa

9-8 求习题9-7在刚开始接触时的总传质推动力，分别以分压差、液相摩尔分数差及浓度差表示。

解 以分压差表示的总推动力为pA?p?A。刚开始时，

??5??5????5?5?5pA?20kPa，p?A?0，故

pA?p?A?20kPa。

以液相摩尔分数差表示时，

.?mol(A?S)? x?x?20/(166?10)?0?1.205?10kmolA?34?1以液相摩尔浓度差表示时， cA?c?A?C(x??x)?(997/18)?(1.205?10?4)?6.67?10?3kmol.m?3

?9-9 在填料塔中用清水吸收气体中所含的丙酮蒸汽，操作温度20C、压力100kPa（绝）。若已知给质系数kG?3.5?10kmol.s.m.kPa，kL?1.5?10m.s，平衡关系服从亨利定律，亨利系数E?3.2MPa，求传质系数KG、kx、Kx、Ky和气相阻力在

6?1?2?14?1总阻力中所占的比例。

解 从两相给质系数kG、kL按以下公式求总传质系数KG KG?(11?1?) kGHkL3?1式中溶解度系数H?C/E?55.5/3200?0.01734kmol.m.kPa

KG?(11?1?6?1?2?1 ?)?1.492?10kmol.s.m.kPa?6?43.5?100.01734?1.5?10?6根据传质系数间的换算式，有 Ky?KGP?1.492?10?100?1.492?10?4kmol,s?1.m?2

Kx?KLC?(KG/H)C?(1.492?10?6/0.01734)?55.5?4.78?10?3kmol.s?1m?2 kx?kLC?\\1.5?10?4?55.5?8.33?10?3kmol.s?1m?2

气相阻力在总阻力中所占的比例为

R气R总?kG?1?1KGKG1.492?10?6???0.426或42.6% kG3.5?10?69-10 根据以下双塔吸收的四个流程图，分别作出其平衡线和操作线的示意图（设吸收

液最初不含溶质）并说明各自适用于哪些情况。

解 流程（Ⅰ）相当于一个气液逆流的单塔。当吸收所需的填料层甚高，单塔有困难时，用此流程。在图解中平衡线用OE代表，1、2两塔的操作线分别用（1）、（2）表示（下同）。

流程（Ⅱ）中每塔都送入新鲜溶剂，使全流程的推动力较流程（Ⅰ）为大。适用于吸收要求高、所需溶剂量大的情况。

流程（Ⅲ）中气体并流、液体逆流，可用于气体中溶质易吸收（如伴有快速反应），要求出塔液体近于饱和（或相对较高）的情况。

流程（Ⅳ）中第二塔气液并流，适用于伴有化学反应，或液量超过吸收所需甚多，故推动力与流向关系不大的情况。

通常后两种流程在实用中少见，尤其是（Ⅲ）。 注：本题可在学生先做习题后进行课堂讨论。

9-11 拟设计一常压填料吸收塔，用清水处理3000m.h、含NH35%（体积分数）的空气，要求NH3的去除率为，实际用水量为最小水量的1.5倍。已知塔内操作温度为

3?125?C，平衡关系为y?1.3x；取塔底空塔气速为1.1m.s?1，气相体积总传质系数Kya为270kmol.h?1.m?3。试求：（1）用水量和出塔液浓度；（2）填料层高度；（3）若入塔水中已

含氨0.1%（摩尔分数），问即使填料层高度可随意增加，能否达到99%的去除率？（说明理由）。

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