化工基础 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 . 3998200105058218s sc x kmol m M ρ==⨯=．．／ NH 3与水的摩尔比的计算 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。

吸收率的定义为解 原料气中NH 3的摩尔分数0.1y = 摩尔比 (11101)01111101y Y y ===--吸收器出口混合气中NH 3的摩尔比为 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 (2) 利用亨利定律*A A c p H=计算31m 水中最大可能溶解的氧量为*(..)(.).5432021101325 16761035710A A c p H kmol O m --==⨯⨯=⨯／ 溶液 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/39718s sc 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 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----===⨯-⨯ (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 .(.)42159102765154OLX L H K a Ωπ⨯==⨯⨯①对数平均推动力法计算OL N气液相平衡常数188942E m p=== 液相总传质单元数 ②吸收因数法计算OL N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%。

入塔的混合气中含苯2%（摩尔分数）；入塔的煤油中含苯0.02%（摩尔分数）。

溶剂用量为最小用量的1.5倍，操作温度为50℃，压力为100kPa ，相平衡关系为*.036Y X =，气相总传质系数.()30015／Y K a kmol m s =⋅。

入塔混合气单位塔截面上的摩尔流量为.()20015kmol m s ⋅／。

试求填料塔的填料层高度.解 (1)气相总传质单元高度OG H 计算 入塔混合气的流量 G '.kmol (m s)20015 Ω=⋅=／ 惰性气体流量 ()()G G 'y .kmol (m s)2110015100200147ΩΩ=-=⨯-=⋅．．／ (2) 气相总传质单元数OG H 计算..111002002041098y Y y ===-．，回收率099η=． ①吸收因数法计算OG N ② 对数平均推动力法计算OG N (3)填料层高度Z 计算。