在一填料吸收塔内，用纯溶剂逆流吸收混合气体中的溶质，设可溶组分初始组成为0 5.5 习
题
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精选 5-1 当压力不变时，温度提高1倍，溶质在气相中的扩散系数提高 2.83 倍；假设某液相黏度随温度变化很小，绝对温度降低1倍，则溶质在该液相中的扩散系数降低 1倍。 5-2 等分子反向 扩散适合于描述精馏过程；单向扩散 适合描述吸收和解吸过程。 5-3 双组份理想气体进行单向扩散。当总压增加时，若维持溶质A在气相各部分分压不变，传质速率将 减少 ；温度提高，则传质速率将 增加 ；气相惰性组分摩尔分率减少，则传质速率将 增加 。 5-4 常压、25℃低浓度的氨水溶液，若氨水浓度和压力不变，而氨水温度提高，则亨利系数E 增加 ，溶解度系数H 减小 ，相平衡常数m 增加 ，对 吸收 过程不利。 5-5 常压、25℃低浓度的氨水溶液，若氨水上方总压增加，则亨利系数E 不变 ，溶解度系数H 不变 ，相平衡常数m 减少 ，对 解吸 过程不利。 5-6 常压、25℃密闭容器内装有低浓度的氨水溶液，若向其中通入氮气，则亨利系数E 不变 ，溶解度系数H 不变 ，相平衡常数m 减少 ，气相平衡分压 不变 。 5-7含5％（体积分率）二氧化碳的空气－二氧化碳混合气，在压力为101.3kPa，温度为25℃下，与浓度为1.1×10－3kmol/m3的二氧化碳水溶液接触,已知相平衡常数m为1641，则CO2从 气 相向 液 转移，以液相摩尔分率
表
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示的传质总推动力为 1.07×10-5 。 5-8填料吸收塔内，用清水逆流吸收混合气体中的溶质A，操作条件下体系的相平衡常数m为3，进塔气体浓度为0.05（摩尔比），当操作液气比为4时，出塔气体的极限浓度为 0 ；当操作液气比为2时，出塔液体的极限浓度为 0.0167 。 5-9 难溶气体的吸收过程属于 液膜 控制过程，传质总阻力主要集中在 液膜 侧，提高吸收速率的有效
措施
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是提高 液 相流体的流速和湍动程度。 5-10在填料塔内用清水吸收混合气体中的NH3，发现风机因故障输出混合气体的流量减少，这时气相总传质阻力将 增加 ；若因故清水泵送水量下降，则气相总传质单元数 不变 。 5-11低浓度逆流吸收塔中，若吸收过程为气膜控制过程，同比例增加液气量，其他条件不变，则HOG 增加 ， 增加 ，出塔液体X1 下降 ，出塔气体Y2增加 ，吸收率下降 。 5-12采用逆流填料吸收塔吸收某溶质，当要求液体含量不低于某一数值，且工艺对吸收剂用量有一定的限制，结果填料未能得到充分润湿时，总传质系数 降低 ，工业上通常采用 吸收液再循环 流程提高填料的润湿率，当 总传质系数提高程度大于传质推动力降低程度 时，此操作对吸收过程是有利的。 5-13溶质A的摩尔比XA=0.2的溶液与总压为2atm，YA=0.15（摩尔比）的气体接触，此条件下的平衡关系为 =1.2XA( atm)。则此时将发生 吸收 过程；用气相组成表示的总传质推动力 = 0.03 ；若系统温度略有提高，则 将 降低 ；若系统总压略有增加，则 将 增加 。 5-14在吸收塔设计中，传质单元高度 的大小反映了吸收塔设备效能的高低； 传质单元数 反映了吸收过程的难易程度。 5-15 在一逆流吸收塔内，填料层高度无穷大，当操作液气比 >m时，气液两相在 塔顶 达到平衡；当操作液气比
pA* 所以传质方向为溶质由气相到液相（吸收过程） 以气相分压差表示的传质推动力为 与CO2分压为50.65kPa的气相呈相平衡的液相摩尔浓度 以液相摩尔浓度差表示的传质推动力为 P’A*=1.66×105×9.0×10-4=149.4(kPa) pA=50.65 kPa< pA* 所以传质方向为溶质由液相到气相（解吸过程） 以气相分压差表示的传质推动力为 以液相摩尔浓度差表示的传质推动力为 5-27.在一填料塔内用清水逆流吸收某二元混合气体中的溶质A。已知进塔气体中溶质的浓度为0.03（摩尔比，下同），出塔液体浓度为0.0003，总压为101kPa，温度为 40℃，问: （1）压力不变，温度降为20℃时，塔底推动力（Y-Y*）变为原来的多少倍？ （2）温度不变，压力达到202 kPa，塔底推动力（Y-Y*）变为原来的多少倍？ 已知：总压为101kPa，温度为 40℃时，物系气液相平衡关系为Y*=50X。总压为101kPa，温度为 20℃时，物系气液相平衡关系为Y*=20X。 解： 总压为101kPa，温度为 40℃时 所以 （1）压力不变，温度降为20C时 所以 (2) 压力达到202 kPa，温度为 40C 所以 5-28.在一填料塔中进行吸收操作，原操作条件下，kYa=kXa=0.026kmol/m3.s，已知液相体积传质系数kXaL0.66。试分别对m=0.1及m=5.0两种情况，计算当液体流量增加一倍时，总传质阻力减少的百分数。 解： (1) 时 时 所以，阻力减少： (2) 时 时 所以，阻力减少： 5-29. 用清水在填料吸收塔中逆流吸收含有溶质A的气体混合物。进塔气体浓度为0.05（摩尔分率），在操作条件下相平衡关系为Y*=5X，试分别计算液气比为6、5和4时，出塔气体的极限浓度和液体出口浓度。 解 (1) ，当填料层高度为无穷时，操作线ab与平衡线交于塔顶。 由物料衡算： 其中 (2) ，操作线ab与平衡线重叠 ， (3) ，操作线a’b’与平衡线交于塔底。 由物料衡算： 5-30.在填料塔中用清水吸收混合气体中的溶质，混合气中溶质的初始组成为0.05（摩尔分率），操作液气比为3，在操作条件下，相平衡关系为Y*=5X，通过计算比较逆流和并流吸收操作时溶质的最大吸收率。 解：(1) 逆流时 在塔底达平衡 (2) 并流时 在塔底达平衡， 逆流时溶质吸收率高 5-31.在101.3kPa、35℃的操作条件下，在吸收塔中用清水逆流吸收混合气中的溶质A，欲将溶质A的浓度由0.02（摩尔分率，下同）降至0.001，该系统符合亨利定律，操作条件下的亨利系数为5.52104kPa。若操作时吸收剂用量为最小用量的1.2倍， （1）试计算操作液气比L/V及出塔液相组成X1。 （2）其它条件不变，操作温度降为15℃，此时亨利系数为1.2104kPa， 定量计算L/V及X1如何变化。 解： (1) 101.3kPa、35℃下 ， (2) 温度降为15C时 5-32. 下图为低浓度气体吸收的几种流程，气液平衡关系服从亨利定律，试在Y-X图上定性地画出与各个流程相对应的平衡线和操作线的位置，并用图中表示浓度的符号标明各操作线端点的坐标。 （习题5-32附图） 5-33.用纯溶剂逆流吸收低浓度气体中的溶质，溶质的回收率用表示，操作液气比为最小液气比的倍。相平衡关系为Y*=mX，试以、两个参数表达传质单元数NOG。 解： 5-34.在逆流操作的填料吸收塔中，用清水吸收某低浓度气体混合物中的可溶组分。操作条件下，该系统的平衡线与操作线为平行的两条直线。已知气体混合物中惰性组分的摩尔流率为90kmol/m2.h，要求回收率达到90%，气相总体积传质系数KYa为0.02kmol/m3.s，求填料层高度。 解： 推动力处处相等。 5-35.直径为800mm的填料吸收塔内装6m高的填料，每小时处理2000m3（25℃，101.3kPa）的混合气，混合气中含丙酮5%，塔顶出口气体中含丙酮0.263%（均为摩尔分率）。以清水为吸收剂，每千克塔底出口溶液中含丙酮61.2g。在操作条件下的平衡关系为Y*=2.0X，试根据以上测得的数据计算气相总体积传质系数KYa。 解： ， ， ， 而 5-36.体积流量为200m3/h（18℃、101.3kPa）的空气-氨混合物，用清水逆流吸收其中的氨，欲使氨含量由5%下降到0.04%（均为体积百分数）。出塔氨水组成为其最大组成的80%。今有一填料塔，塔径为0.3m，填料层高5m，操作条件下的相平衡关系为Y*=1.44X，问该塔是否合用？KGa可用下式计算： KGa=0.0027m0.35W0.36 kmol/（m3.h.kPa） m---气体质量流速，kg/（m2.h）； W---液体质量流速，kg/（m2.h）。 解： ， ， ， 混合气体摩尔流率： 混合气体平均分子量： 混合气体质量流速： 惰性组分摩尔流率： 又 液体质量流速： 所以，该塔不合适。 5-37.混合气中含0.1（摩尔分率，下同）CO2，其余为空气，于20℃及2026kPa下在填料塔中用清水逆流吸收，使CO2的浓度降到0.5%。已知混合气的处理量为2240m3/h（标准状态下），溶液出口浓度为0.0006，亨利系数E为200MPa，液相总体积传质系数KLa为50 m3/h，塔径为1.5m。试求每小时的用水量(kg/h)及所需填料层的高度。 解： ， ， 而 液体流量 相平衡常数 又 5-38. 有一常压吸收塔，塔截面为0.5m2,填料层高为3m，用清水逆流吸收混合气中的丙酮（丙酮的分子量为58kg/kmol）。丙酮含量为0.05（摩尔比，下同），混合气中惰性气体的流量为1120m3/h(标准状态)。已知在液气比为3的条件下，出塔气体中丙酮含量为0.005，操作条件下的平衡关系为Y*=2X。试求： （1） 出塔液中丙酮的质量分率； （2） 气相总体积传质系数KYa(kmol/m3·s) （3） 若填料塔填料层增高3m,其它操作条件不变，问此吸收塔的吸收率为多大？ 解： （1） （2） S= m/(L/V)=2/3=0.667 (Y1-mX2)/(Y2-mX2)=Y1/Y2=0.05/0.005=10 kmol/(m3·s) （3） z’=3+3=6m S、HOG不变, 解得： =0.00109 5-39．在逆流操作的填料吸收塔中，用清水吸收含氨0.05（摩尔比）的空气—氨混合气中的氨。已知混合气中空气的流量为2000m3/h（标准状态），气体空塔气速为1m/s（标准状态），操作条件下，平衡关系为 ，气相总体积传质系数 ，采用吸收剂用量为最小用量的1.5倍，要求吸收率为98%。试求： （1）溶液出口浓度 ； （2）气相总传质单元高度 和气相总传质单元数 ； （3）若吸收剂改为含氨0.0015（摩尔比）的水溶液，问能否达到吸收率98%的要求，为什么？ 解：（1） ， （2） （3） 不可能达到98% 5-40. 在一充有25mm阶梯环的填料塔中，用清水吸收混合气体中的NH3。吸收塔在20℃及101.3kPa（绝压）的条件下逆流操作，气液相平衡关系为 。已知混合气流率为0.045kmol/m2·s, NH3入塔浓度为0.05（摩尔分率），吸收率为99%，操作液气比为最小液气比的1.5倍，填料层高度为8.75m，试求： （1）气相总体积传质系数 ； （2）塔底截面处NH3吸收的体积传质速率 。 解： （1） =1.5×0.744=1.116 由 因为 X2=0 且 又因 得 2） NAa(全塔衡算，总传质速率方程) 由 得 X1=0.0444， =0.0553(0.05-0.752×0.0444) =9.19×10-4kmol/m3·s 5-41.在常压逆流连续操作的吸收塔中用清水吸收混合气中的A组分。混合气中惰性气体的流率为30kmol/h，入塔时A组分的浓度为0.08（摩尔比），要求吸收率为87.5%，相平衡关系为Y*=2X，设计液气比为最小液气比的1.43倍，气相总体积传质系数KYa=0.0186kmol/m3·s ，且KYaV0.8，取塔径为1m，试计算： （1）所需填料层高度为多少？ （2）设计成的吸收塔用于实际操作时，采用10%吸收液再循环流程,即LR=0.1L，新鲜吸收剂用量及其它入塔条件不变，问吸收率为多少？ 解： (1) (2) 吸收液再循环 此时吸收剂入口浓度： 因为 ，V不变，所以 不变，即 不变 不变 此时 (1) 由物料衡算： (2) 将式(2)代入式(1)，解之： ， 5-42.含苯1.96%（体积）的煤气用平均摩尔质量为260kg/kmol的洗油在一填料塔中逆流吸收，以回收其中95%的苯，煤气流率为1200kmol/h，塔顶进入的洗油中含苯0.5%（摩尔分率），洗油用量为最小用量的1.3倍，吸收塔在101.3kPa、27C下操作，此时平衡关系为Y*=0.125X。从吸收塔塔底引出的富油经加热后送入解吸塔顶，塔底通入水蒸汽，使苯从洗油中解吸出来，脱苯后的洗油冷却后送回吸收塔塔顶。水蒸气用量为最小用量的1.2倍，解吸塔在101.3kPa、120℃下操作，气液平衡关系为Y*=3.16X。求洗油的循环用量和水蒸汽用量（kg/h）。 (1) 吸收塔 , 洗油用量： 吸收剂（洗油）出塔浓度 (2) 解吸塔 水蒸汽用量： 5-43.用一填料层高度为3m的吸收塔，从含氨6%（体积分率）的空气中回收99%的氨。混合气体的质量流率为620kg/m2·h，吸收剂为清水，其质量流率为900kg/m2·h。在操作压力101.3kPa、温度20C下，相平衡关系为Y*=0.9X。体积传质系数kGa与气相质量流率的0.7次方成正比。吸收过程为气膜控制，气液逆流流动。试计算当操作条件分别做下列改变时，填料层高度应如何改变才能保持原来的吸收率： （1）操作压力增大一倍； （2）液体流率增大一倍； （3）气体流率增大一倍。 解： 原工况： 水的摩尔流率： 混合气体平均分子量： (1) 压力增大一倍 因为 ，而 所以压力增大一倍， 不变， 不变 而 (2) 液体流率增大一倍 ， 气膜控制， 不变， 不变 (3) 气体流率增大一倍 5-44. 在填料层高度为4m的常压填料塔中，用清水吸收混合气中的可溶组分。已测得如下数据：混合气可溶组分入塔组成为0.02，排出吸收液的浓度为0.008（以上均为摩尔比），吸收率为0.8，并已知此吸收过程为气膜控制，气液平衡关系为Y*=1.5X。 （1）计算该塔的HOG和NOG； （2）操作液气比为最小液气比的倍数； （3）若法定的气体排放浓度必须 0.002，可采取哪些可行的措施？并任选其中之一进行计算，求出需改变参数的具体数值； （4）定性画出改动前后的平衡线和操作线。 解： (1) (2) (3) 可采取的措施： a.增加填料层高度 不变（V不变，气膜控制 不变） 不变 b.增大用水量 因为V不变，气膜控制，所以 不变， 不变 又 不变，所以 也不变 即 试差 或由 图，查得 5-45. 空气和CCl4混合气中含0.05（摩尔比，下同）的CCl4，用煤油吸收其中90%的CCl4。混合气流率为150kmol惰气/（m2.h），吸收剂分两股入塔，由塔顶加入的一股CCl4组成为0.004，另一股在塔中一最佳位置（溶剂组成与塔内此截面上液相组成相等）加入，其组成为0.014，两股吸收剂摩尔流率比为1：1。在第二股吸收剂入口以上塔内的液气比为0.5，气相总传质单元高度为1m，在操作条件下相平衡关系为Y*=0.5X，吸收过程可视为气膜控制。试求： （1）第二股煤油的最佳入塔位置及填料层总高度； （2）若将两股煤油混合后从塔顶加入，为保持回收率不变，所需填料层高度为多少？ （3）示意绘出上述两种情况下的操作线，并说明由此可得出什么结论？ 解： (1) 在上半段进行物料衡算： 因为最佳位置进入，所以 在下半段进行物料衡算： ∵气膜控制，V不变， 不变，所以 不变 (2) 当两股吸收剂混合进料时 出口： （3）见图。由此可见，吸收剂混合后进塔，操作线靠近平衡线，传质推动力下降，故所需填料层高度较高。不同浓度的两股吸收剂之间混合与分离的目的是背道而驰的，混合过程降低了吸收过程的推动力，对吸收分离是不利的，增加吸收塔高。 5-46. 逆流吸收-解吸系统，两塔的填料层高度相同。已知吸收塔入塔的气体组成为0.0196，要求回收率为95%，入塔液体组成为0.006（均为摩尔分率）。操作条件下吸收系统的气液平衡关系为Y*=0.125X，液气比为最小液气比的1.4倍，气相总传质单元高度为0.5m；解吸系统用过热蒸汽吹脱吸收液中的溶质，其气液平衡关系为Y*=2.5X，汽液比为0.4，试求： （1） 吸收塔出塔液体组成； （2） 吸收塔的填料层高度； （3） 解吸塔的气相总传质单元高度； （4） 欲将吸收塔的回收率提高到96%，应采取哪些措施？（定性分析） 解： (1) , 由全塔物料衡算： (2) 计算z 填料层高度： (3) 解吸塔 物料衡算： ∵吸收塔与解吸塔填料层高度相同。 ∴ （4） 1）增大吸收塔内的液气比, 2）降低吸收剂浓度。
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