化工原理(第四版)习题解 第五章 吸收

相组成的换算

【5-1】 空气和CO2的混合气体中，CO2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，y0.2摩尔分数 摩尔比 Yy0.20．25 1y10.2【5-2】 20℃的l00g水中溶解lgNH3, NH3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x1/17=0．0105

1/17100／18浓度c的计算20℃，溶液的密度用水的密度s998.2kg/m3代替。

3/1k7mo溶液中NH3的量为 n110 l溶液的体积 V101103/998.2 m3

n1103/17溶液中NH3的浓度c==0．581kmol／m3 3V10110/998.299.82csx0．0105．0kmol582／m3 或 Ms18NH3与水的摩尔比的计算 X1/170．0106

100/18x0.01050．0106 1x10.0105或 X【5-3】进入吸收器的混合气体中，NH3的体积分数为10%，吸收率为90%，求离开吸收器时NH3的组成，以摩尔比Y和摩尔分数y表示。

吸收率的定义为 Y被吸收的溶质量Y1Y212

原料气中溶质量 Y1 Y1y10.10.111 1y110.1解 原料气中NH3的摩尔分数y0.1 摩尔比 Y1吸收器出口混合气中NH3的摩尔比为

Y2(1)Y1（10.9）0.1110.0111

摩尔分数 y2Y20.0111=0.010 981Y21.00111气液相平衡

【5-4】 l00g水中溶解lg NH3，查得20℃时溶液上方NH3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

kmol/(m3kPa)]和相平衡常数m。总压为100kPa。

解 液相中NH3的摩尔分数x1/170.0105

1/17100/180.798 kPa 气相中NH3的平衡分压 P*＝.0105 76亨利系数 Ep*／x0.798/0n1103/17液相中NH3的浓度 c0.581 kmol／m3 3V10110/998.23溶解度系数 Hc/p*05.81/0.798.0k7m28ol/(m kPa液相中NH3的摩尔分数 x1/170．0105

1／17100/18／100 气相的平衡摩尔分数 y*p*／p0.798相平衡常数 my*0.7980.76 x1000.0105.0 76或 mE/p76/100【5-5】空气中氧的体积分数为21%，试求总压为101.325kPa，温度为10℃时，1m3水中最大可能溶解多少克氧？已知10℃时氧在水中的溶解度表达式为p*3.313106x，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。

132k5P a解 总压p10.空气中O2的压力分数 pA／p体积分数0.21 空气中O2的分压 p*A0.21101.325 kPa

E3.31361k0P a亨利系数 (1) 利用亨利定律p*AEx计算

与气相分压pA0.21101.325kPa相平衡的液相组成为 p*0．21101.325xA 6.42106kmol O2／kmol溶液 6E3.31310此为1kmol水溶液中最大可能溶解6.42106kmol O2 因为溶液很稀，其中溶质很少

1kmol水溶液≈1kmol水=18 kg水

399.9k7g／m10℃，水的密度

l／999.7m3水 故 1kmo水溶液≈18即

18m3水中最大可能溶解6.42106kmol氧 999.7

故 1m3水中最大可能溶解的氧量为 6.42106999.73.57104kmolO2

183.57104321.14102kgO211.4gO2

(2) 利用亨利定律p*AHcA计算 HsEMs=999.7= 1.676105kmol／m3kPa 63.31310181m3水中最大可能溶解的氧量为

54cAp*／m3 溶液 AH(0.21101.325) (1.67610)3.5710kmolO2 3.57104321.14102kgO211.4gO2

【5-6】含NH3体积分数1.5%的空气-NH3混合气，在20℃下用水吸收其中的NH3总压为203kPa。NH3在水中的溶解度服从亨利定律。在操作温度下的亨利系数E80kPa。试求氨水溶液

／m3溶液。 的最大浓度，kmolNH3解 气相中NH3的摩尔分数y0.01 5总压p203kPa，气相中NH3的分压p*Apy2030.015kPa (1) 利用亨利定律p*Ex计算

与气相分压p相平衡的液相中NH3的摩尔分数为 p*2030.015xA0.0381

E80cNH3水溶液的总浓度 sMs99.82kmol/m3 18水溶液中NH3的最大浓度 cAcx998.20．038 118 2.11kmol NH3/m3溶液 (2) 利用亨利定律p*AcA计算 H998.2E80kPa,Hs==0．693 kmol/(m3kPa)

EMs80183cAp*AH(2030.015)0.6932.11 kmol NH3/m溶液

【5-7】温度为20℃，总压为0.1MPa时，CO2水溶液的相平衡常数为m=1660。若总压为1MPa时，相平衡常数m为多少？温度为20℃时的亨利系数E为多少MPa?

解 相平衡常数m与总压p成反比，

p0.1MPa 时 m1660，p'1MPa 时

65

m'mp0.1= 1660=166 p'1亨利系数 Empm'p'166 MPa

【5-8】用清水吸收混合气中的NH3，进入吸收塔的混合气中，含NH3体积分数为6%，吸收

012kmol NH3／kmol水。此物系的后混合气中含NH3的体积分数为0.4%，出口溶液的摩尔比为0．平衡关系为Y*0.76X。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y10.06，则Y1y1/1y 638.94.0010.06/0已知y20.004，则Y20.004/10.004=4.02103 已知X10.012，则Y1*0.760.0120.00912 已知X20，则Y2*0

塔顶气相推动力 Y2Y2Y2*=4.02103

*0.06380.00912 0.07塔底气相推动力 Y1Y1Y1【5-9】CO2分压力为50kPa的混合气体，分别与CO2浓度为0.01kmol/m3的水溶液和CO2

浓度为0.05kmol／m3的水溶液接触。物系温度均为25℃，气液相平衡关系p*1.662105xkPa。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CO2在两种情况下属于吸收还是解吸。

解 温度t25℃，水的密度为s997kg/m3 混合气中CO2的分压为p50kPa 水溶液的总浓度csMs97kmol/m3水溶液 18(1) 以气相分压差表示的吸收推动力

cA0.01kmol CO2／m3水溶液 ①液相中CO2的浓度 液相中CO2的摩尔分数xcA/c与液相平衡的气相平衡分压为

0.01=1.805104

997/18p*1.662105x1.6621051.80510430kPa

p503020kPa气相分压差表示的推动力 pp*（吸收）

② 液相中CO2的浓度cA0.05kmol／m3水溶液 液相中CO2的摩尔分数xcA/c与液相平衡的气相平衡分压为

66

0.059.027104

997/18p*1.662105x1.6621059.027104150kPa

气相分压差表示的推动力 pp*p15050100kPa （解吸） (2) 以液相浓度差表示的吸收推动力 与气相CO2分压p50kPa平衡的液相组成为 x*p501.662105 1.662105 平衡的液相浓度

①液相中CO2的浓度c3A0.01kmol CO2/m水溶液 液相浓度差表示的推动力为

cc*.010.00666kmol／m3AcA0.016660 （吸收）

②液相中CO2的浓度c3A0.05 kmol CO2/m水溶液 液相浓度差表示的推动力为

ccc*.0333kmol/m3AA0.050.016660 （解吸）

吸收过程的速率

【5-10】如习题5-10附图所示，在一细金属管中的水保持25℃，在管的上口有大量干空气(温度25℃，总压101.325kPa)流过，管中的水汽化后在管中的空气中扩散，扩散距离为l00mm。试计算在稳定状态下的汽

化速率，kmol／(m2s)。 解 25℃时水的饱和蒸气压为3.25kPa

从教材表5-2中查得，25℃，101.325kPa条件下，H2O在空气中的分子扩散系数D0.256cm2/s0.256104m2/s。

扩散距离Z100mm0.1m，总压p101.325 kPa

水表面处的水汽分压 pA13.2k5P a空气分压 pB1ppA1101.3253.25

98.04k Pa

管上口处有大量干空气流过，水汽分压pA20 空气分压pB2101.325kPa 空气分压的对数平均值为 p2pB13.BmpBlnp2599.8kPa B2101pln.325B198.04水的汽化速率

习题5-10附图

67

NADppA1pA2 RTZpBm0.256104101.325 3.2503.45107kmol/m2s

8.3142980.199.8【5-11】 用教材图5-10（例5-4附图）所示的装置，在温度为48℃、总压力为101.325kPa条件下，测定CCl4蒸气在空气中的分子扩散系数。48℃时，CCl4的饱和蒸气压为37.6kPa，液体密度为10kg/m3。垂直管中液面到上端管口的距离，实验开始为2cm，终了为3cm，CCl4的蒸发时间为1.556104s。试求48℃时，CCl4蒸气在空气中的分子扩散系数。

解 计算48℃时CCl4蒸气在空气中的分子扩散系数，计算式为

D2RTZ2Z0p2pMlnppA

已知CCl4液体密度10 kg/m3 48℃时CCl4的饱和蒸气压pA37.6kPa 总压p101.325kPa，T27348321K 开始Z02cm，终了Z3cm CCl4的蒸发时间1.556104s CCl4的摩尔质量M1 kg/kmol

(kmolK) 摩尔气体常数R8.314 kJ／已知数据代入计算式，得扩散系数D0.0912cm2/s

【5-12】用清水在吸收塔中吸收混合气中的溶质A，吸收塔某截面上，气相主体中溶质A的分压为5kPa，液相中溶质A的摩尔分数为0.015。气膜传质系数kY2.5105kmol/(m2s)，液膜传质系数kX3.5103kmol/(m2s)。气液平衡关系可用亨利定律表示，相平衡常数m0.7。总压为101.325kPa。

试求：(1)气相总传质系数KY，并分析吸收过程是气膜控制还是液膜控制；(2)试求吸收塔该截面上溶质A的传质速率NA。

解 (1)气相总传质系数KY

11m10.741042102 53KYkYkX2.5103.510241 0 4.0KY2.488105kmol/m2s

／kx2102(m2s)/kmol。 气膜阻力1/kY4104(m2s)/kmol，液膜阻为m 68

1/kY41040.995，为气膜控制。 气膜阻力与总阻力的比值为

1/KY4.02104(2)传质速率NA

YpA50.0519 ppA101.3255Xx0.0150．0152，Y*mX0.70．01520．0106 x110.015NAKYYY*2.4881050.05190.01061.03106kmol/m2.s

【5-13】根据pApy，pipyi及cAcx，cicxi，试将传质速率方程NAkG(pApi)kLcicA变换成NAkyyyikxxix的形式。ky与kG、kx与kL有何关系。

解 NAkGpApyikGp式中 kypkG

piy=pGkyiyyk yiyNAkLcicAkLcxicxckLxixkx(xix)

式中 kxckL

吸收塔的计算

【5-14】从矿石焙烧炉送出的气体含体积分数为9%的SO2，其余视为惰性气体。冷却后送入吸收塔，用水吸收其中所含SO2的95%。吸收塔的操作温度为30℃，压力为100kPa，每小时处理

330℃、100kPa时的体积流量）的炉气量为1000m（，所用液-气比为最小值的1.2倍。求每小时的用水

量和出塔时水溶液组成。平衡关系数据为

液相中SO2溶解度／kgSO2100kg(H2O) 气相中SO2平衡分压/kPa 17.5 5.0 2.5 1.5 1.0 0.5 0.2 0.1 91.7 60.3 28.8 16.7 10.5 4.8 1.57 0.63 解 ①最小液一-比y10.09, Y1Y1Y2L的计算 *GminX1X2y10.09==0.09 1y110.090.95,Y2(1)Y110.950.090.00495 吸收剂为水，X20，总压p100kPa 099kPa 原料气中SO2分压PSOpy11000．2868从平衡数据内插，得液相平衡溶解度0．kgSO2

100kgH2O换算为摩尔比 X1*

0.868/2.44103

100/1869

2最小液-气比 1*GminX1X2LY Y0.090.0049538.5

0.00244②用水量计算

LL/G1.21.238.546.2

Gmin3已知炉气流量 1000m /h( ℃3，0 k1P0a)0标准状态下理想气体的摩尔体积为22.4 m3/kmol(273.15K，101.325kPa) 炉气的摩尔流量为 1000273.15100139.7kmol/h 303.15101.32522.4.3k6m1ol /（71．）009惰性气体流量 G39.L46.23.61吸收用水量 16k6m8ol /h834k1g0/h 18166

③出塔水溶液的组成 X1Y1Y20.090.004952.03103 L/G46.2【5-15】在一吸收塔中，用清水在总压0.1MPa、温度20℃条件下吸收混合气体中的CO2，将其组成从2%降至0.1%（摩尔分数）。20℃时CO2水溶液的亨利系数E144MPa。吸收剂用量为最小用量的1.2倍。试求：(1)液-气比L/G及溶液出口组成X1。(2)试求总压改为1MPa时的L/G及

X1。

解 (1)总压p0.1MPa时L/G及X1

Y1y10.020.02041, Y20.001，X20 1y110.02mE/p144/0.11440

Y1Y20.020410.001L1369 GminY1/mX20.02041/14400LL1.21.2136913 GGminX1X2G0.020410.0011.1810-5 Y1Y20L13(2) 总压p1MPa时的L/G及X1

mE/p144／1144

(L/G)min0.020410.001136.9

0.02041/144L/G1.2(L/G)min1.2136.91.3

X10.020410.0011.18104

1.3从上述计算结果可知，总压从0.1MPa增大到1MPa，溶液出口组成从1.18105增加到

70

1.18104。

【5-16】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Y*0.36X，气相总传质系数KYa0.015kmol／(m3s)。入塔混合气单位塔截面上的摩尔流量为0.015kmol／(m2s)。试求填料塔的填料层高度，气相总传质单元数用对数平均推动力法及吸收因数法的计算式计算。

解 (1)气相总传质单元高度HOG计算 入塔混合气的流量

G'Ω=0.015 kmol／(m2s) y10.02,KYa0.015 kmol／m3s

惰性气体流量 GG'ΩΩ1y10．01510．020.0147kmol／(m2s)

HG0.0147OGK0．98 m YaΩ0.015(2) 气相总传质单元数HOG计算

Yy10.11y020．0204，回收率0．99 10.98Y2Y11= 0.020410.99= 2.04104

x20.0002,X2x20.0002

①吸收因数法计算NOG

X*1Y1／m0.0204／0.360.0567

LYY20.0204G1.5LG1.511.50.0002040.minX*1X20.05670.0002536 mGL0.360.5360.672 N1ln1mG1mGY1mX2OGmGLLY 2mX2L

10.0210.67l2n10.67204.036.00002.000020.40.36000.060 72212② 对数平均推动力法计算NOG

LY1Y2GX 1X2X1XY22Y1L/G 71

0.00020.02040.0002040.0379

0.536Y1*mX10.360.03790.0136 Y2*mX20.360.00020.000072 Y1Y1Y1*0.02040.01366.8103

Y2Y2Y2*0.2041030.0721030.132103

Y1Y26.81030.132103Ym1.69103

Y6.8lnln10.132Y2NOGY1Y20.02040.00020412 Ym1.69103(3)填料层高度Z计算

ZHOGNOG0.981211.8m

【5-17】混合气含CO2体积分数为10%，其余为空气。在30℃、2MPa下用水吸收，使CO2

的体积分数降到0.5%，水溶液出口组成X16104（摩尔比）。混合气体处理量为2240m3/h（按标准状态，273.15K, 101325Pa），塔径为1.5m。亨利系数E188MPa，液相体积总传质系数

KLa50kmol，(m3hkmol/m3)。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 y10.1，Y10.10.0050.111，Y20．005,Y2 5.03103，X16104，X20 0.90.9952240100kmol／h 22.4h混合气流量 'G惰性气体流量 GG'11y0.19k0／mo l1001用水量 LG(YY)90(0111.000503.)12159.104kmol /h4X1X2610.105kgh/ 1.5910418286(2) 填料层高度Z计算

cs/Ms995.7/18水溶液的总浓度 .350体积传质系数 KXacKLa555kmol.53m/3 27kmol65 /m(3h )液相总传质单元高度 HOL4L1.5910

KXaΩ27625(.1)m 3.26

72

①对数平均推动力法计算NOL

m气液相平衡常数 E18894 p2*X1Y1／m0.111／941.18103

*X2Y2/m0.00503/945.35105

*X1X1X11.181036104= 5.8104

*X2X2X25.3510505.35105

X1X2 581055.35105Xm=2.209104 5X15810lnlnX15.35105液相总传质单元数

NOLX1X261040 2.72 Xm2.209104②吸收因数法计算NOL L1.591041.879 mG9490NOLLX2X1*Lln1 *LmGmGXX111mG1101.18103ln11879.1879.. 27311.87961041.181033.26.273.8m填料层高度 ZH 9OLNOL【5-18】气体混合物中溶质的组成Y10.02（摩尔比），要在吸收塔中用吸收剂回收。气液相平衡关系为Y*1.0X。

(1)试求下列3种情况下的液相出口组成X1与气相总传质单元数NOG (利用教材中图5-23)，并迸行比较，用推动力分析NOG的改变。3种情况的溶质回收率均为99%。

①入塔液体为纯吸收剂，液-气比L/G2.0；

／G1.2； ②入塔液体为纯吸收剂，液-气比L／G1.2。 ③入塔液体中含溶质的组成X20.0001（摩尔比），液-气比L／G)min0.8，溶质的回收率最大可达多少？ (2)入塔液体为纯吸收剂，最小液-气比(L解 (1)求X1与NOG

回收率0.99，Y10.02，相平衡常数m=1 Y21 Y110.990.020.0002

／G2，L／mG2 ① X20，L 73

Y2mX20.000200.01查图5-23，得NOG7.8

Y1mX20.020YYL0.020.000212 2 X10.009 9GX1X2X10／G1.2,／LmG1. 2② X20,LY2mX20.01 查图5-23，得NOG17

Y1mX21.20.020.0002X10．016 5 X10L／G.1／,2LmG .12③ X20.000,1Y2mX20.00020.00015.03103

Y1mX20.020.0001查图5-23，得NOG21

1.20.020.00020.020.0002 X10.00010.0166

X10.00011.2计算结果比较：

②与①比较，X2相同，L/G减小时，操作线斜率减小，向平衡线靠近，推动力减小。为达到一定的溶质回收率要求（即达到一定的Y2要求），NOG需要增大，同时X1也增大了。

③与②比较，L/G相同，使X2增大，即操作线斜率相同，操作线向平衡线平行靠近，使推动力减小，NOG增大，同时X1也增大了。

(2) X20, (L/G)min0.8 ， (L/G)min0．8 m／m 当液体出口组成X1与气体进口组成达平衡时，溶质的回收率为最大，即X1*Y1由物料衡算得 ()minLGY1Y2YYYY1212 *Y1X1X2Y1X2mm回收率 L/GminY1Y2L0.80.8 Y1mGm溶质的回收率最大可达80%。

【5-19】某厂有一填料塔，直径880mm，填料层高6m，所用填料为50mm瓷拉西环，乱堆。每小时处理2000m3混合气（体积按25℃与101.33kPa计），其中含丙酮摩尔分数为5%。用清水作吸收剂。塔顶送出的废气含丙酮摩尔分数为0.263%。塔底送出来的溶液，lkg含丙酮61.2g。根据上述测试数据计算气相体积总传质系数KYa。操作条件下的平衡关系为Y*2.0X。

上述情况下，每小时可回收多少千克丙酮？若把填料层加高3m，可以多回收多少丙酮？ 解 (1)计算体积总传质系数KYa 先从已知数据求NOG 相平衡常数 m2

74

y10.05, Yy10.11y05050.0526, 110.y0.0026320.00263,Y210.002630．002

X20

塔底排出的水溶液，每l000g含丙酮61.2g 丙酮的摩尔质量为58kg/kmol

X.2/58161(100061.2)/180.0202

传质单元数 NY1Y2OGYY1Y2Y*Y* mY11Y22lnY1Y*1YY*22 0.05260.0020.052620.02020.00208

ln0.052620.02020.0020NOG也可用吸收因数法计算

LGY1Y2XX0.05260.0022.47 120.02020m2,L2.47mG21.24 Y*2Y2Y0.00200.05021Y*20.05260 从教材图5-23查得NOG8 或用计算式求出NOG

mG2L2.470.81 NOG1ln1mG1mGY*1Y2mGLLY*2Y2L 10.0526010.81ln1081.0.0020081.

=8.03

已知填料层高度Z6m，计算HZ6OGN80.75 OG再从式 HGOGKaΩ计算KYa Y惰性气体流量G2000(10.05)20000.95 m3／h (20℃，101.33kPa)理想气体在273K、101.325kPa时的摩尔体积为22.4 m3/kmol 在298K、101.325kPa下的摩尔体积为 75

22.429824.45m3/kmol 273G20000.95=77.7kmol/h，塔径DT0.88 m

24.45塔截面积 Ω体积总传质系数

KYaGHOGΩ42DT40.880．608m2

277.7170 kmol/(m3h)

0．750．608(2)每小时丙酮回收量为

GY1Y2= 77.70.05260.0023.88kmol/h

583.88225kg/h

(3)填料层加高3m，Z639m，HOG0.75 则 NOGZ9L12, 1.24 HOG0.75mGY'20．02 3Y1从教材图5-23查得

Y'20.023Y10.0230.05260.00121

填料层Z9m时，丙酮的回收量为

G(Y1Y'2)77.70.05260.00121= 3.99kmol/h

.388.0km11ol/ h多回收丙酮 3.99也可以如下计算

G(Y2Y'2)77.70.0020.001210.111kmol/h

【5-20】有一填料吸收塔，用清水吸收混合气中的溶质A，以逆流方式操作。进入塔底混合气中溶质A的摩尔分数为1%，溶质A的吸收率为90%。此时，水的流量为最小流量的1.5倍。平衡线的斜率m=l。试求：(1)气相总传质单元数NOG；(2)若想使混合气中溶质A的吸收率为95%，仍用原塔操作，且假设不存在液泛，气相总传质单元高度HOG不受液体流量变化的影响。此时，可调节什么变量，简便而有效地完成任务？试计算该变量改变的百分数。

8，m1，X20 解 已知y10.01，0． Y1y10.010.0101，y21Y1(1-0.9)0.01010.00101 1y110.01(1)计算气相总传质单元数NOG

Y1Y2Y1Y20.01010.00101L0.9 *0.0101/10GminX1X2Y1/mX2LL1.51.50.91.35 GGmin 76

L1.351.35 mG1NOGmGY1mX2mG1ln1 mGLYmXL221L10.010101ln14. 11.350.0010101.3511.351(2)要想使吸收率从90%提高到95%，可增大吸收剂用量

ZH填料层高度 OGNO G对于已有的填料塔，其填料层高度已定，吸收剂用量改变不会改变HOG。因此，NOG不会改变，仍为NOG4.。

新工况下， Y'21Y110．950．01015.05104

Y'2mX25.051040.05

Y1mX20.0101用NOG4.与

Y'2mX20．05，从图5—23查得

Y1mX2LL2.1， m=1, 故2.1 mGG为了使吸收率从90%提高到95%，L／G需要从1.35增加到2.1，增加的百分数为 2.11.35 10055.5% 1.35【5-21】某填料吸收塔的填料层高度已定，用清水吸收烟道气中的CO2 ，CO2的组成为 0.1（摩尔比），余下气体为惰性气体，液一气比为180，吸收率为95%。操作温度为30℃， 总压为2MPa。CO2水溶液的亨利系数由教材中表5-1查取。试计算下列3种情况的溶质吸收率、吸收液（塔底排出液体）组成X1、塔内平均传质推动力Ym，并与原有情况进行比较：(1)吸收剂由清水改为组成为0.0001（摩尔比）的CO2水溶液；(2)吸收剂仍为清水，操作温度从30℃改为20℃；(3)吸收剂为清水，温度为30℃。由于吸收剂用量的增加，使液-气比从180增加到200。

a1Y0.1解 总压p2MP，

(1) X20改为X'20.0001 新工况的Y'2计算 此时，HOGGZ不会改变，因填料层高度Z为一定值，所以NOG不变。 KYaΩHOG原工况 NOGmGY1mX2mG1ln1 mGLYmXL221LmGY1mX'2mG1ln 1mGLY'mX'L221L新工况 N'OG 77

因NmX2OGN'OG，故

Y1YY1mX'2'

a

2mX2Y'2mX2Y10.1,Y2Y1(1)0.1(10.95)0.005 X20，X'20.0001

查得30℃时CO2水溶液的E188MPa

mE/ p188/294

将上述数据代入式(a)

0.100.0.00501940.0001Y' Y'20.0139

2940.0001解得新工况的吸收率'1Y'2/Y110．0139/0.10.861 吸收液组成计算 已知L/G180 原工况 XG0.101LY.0051Y2X218000.000528 新工况 X'G1LYY'0.10.013912X'21800.00010．000578 平均传质推动力的计算 方法①

按原工况计算NOG mG／L94/1800.5222 N110.5222ln10.52220.10OG0.00500.52224.84 原工况 YY1Y2mN0.10.0050.0196 OG4.84因 N'OGNOG4.84 新工况 Y'Y1Y'2mN'0.10.01394.840.0178 OG方法②

原工况 Y*1Y1Y1Y1mX10.194.000052.80 05037 Y*2=Y2-Y2=Y2 mX2 0.005-00. 005 YY1Y20.050370m1nY.0050.0196 1Y1n0.0503720.005新工况 Y'1Y1mX20.194.000057.80 04567 Y2Y'1mX'20.0139940.00010.0045

Y'Y2mY10.045670.00451nY0.0178 1Y1n0.0456720.0045从上述计算结果可以看出：

78

当吸收剂组成 由X20增加到X'10.000时，1

传质推动力 由Ym0.019降为6Y'm0.017 8溶质吸收率 由0.95降为'0.861

吸收液组成 由X10.0005增至

28X'10.0005 78对现有吸收塔，吸收剂入塔组成增大，使传质推动力降低，而导致溶质吸收率下降。

如果不需要计算平均传质推动力的数值，而只需对比，则可如下计算。N'OGNOG

新工况Y’Y''' m1Y2/NOGY1Y2原工况Y/N'0.10.01390.906 mY1Y'2OGY1Y20.10.005(2) X20，操作温度从30℃改为20℃ 查得20℃时CO2水溶液的E144 MPa mE/p144/272 新工况的Y'mG2计算

L721800.4 原工况 NOG4.84（前面已计算）

新工况 N'1OGmG1mG1n1Y1mX2mGLY'mXL L2210.61n0.60.10Y'00.4 2因 NOGN'OG4.84

4.8410.61n0.06Y'0.4 21n0.06'0.42Y.904 2e2.9040.06Y'0.4 2Y'20.00336

新工况的吸收率 '1Y'2/Y11000336.0/1.0966. 吸收液组成计算

原工况 X10.0005(2前面已计算8)

新工况 X'Y'0.10.003361GL1Y2X218000.000536 79

平均传质推动力计算 原工况 Ym'因 NoGNY1Y20.10.0050.0196（前面已计算） NOG4.84oG 4.84Y1Y2'0.10.003360.02 新工况 Y'4.84NoG'm从上述计算结果可知，对现有吸收塔，当操作温度降低，平衡线斜率减小（即m减小），传质推动力增大，导致溶质的吸收率增大。

(3) X20，温度30℃，m=94

原工况 L/G180 mG／L94/1800. 522

200 mG/L新工况 L/G94./20 00 47新工况的Y2'计算

原工况 NOG4.84（前面已计算）

'新工况 NOGmGY1mx2mG1ln1 'mGLLYmX221LoG' 因 NOGN4.84

4.8401.1n11.047'10.47Y200.0 47解得 Y2'0.00423

0.0042/3.01. 0958新工况的吸收率 '1Y2'/Y11吸收液组成计算

2前已计算8)原工况 X10.0005(

新工况 X1'G0.10.00423(Y1Y2')X200.000479 2200Y1Y20.10.0050.019（6前已计算）

4.84NOGoG平均传质推动力计算

'原工况 Ym'新工况 NOGN4.84

Y1Y2'0.10.00423Y0.0198 '4.84NOG'm从上述计算结果可知，对现有吸收塔，当吸收剂用量增加，操作线斜率增大，传质推动力增大，导致溶质的吸收率增大。

【5-22】有一逆流操作的吸收塔，其塔径及填料层高度各为一定值，用清水吸收某混合气体

80

中的溶质。若混合气体流量G，吸收剂清水流量L及操作温度与压力分别保持不变，而使进口混合气体中的溶质组成Y1增大。试问气相总传质单元数NOG、混合气出口组成Y2、吸收液组成X1及溶质的吸收率η将如何变化？并画出操作示意图。

解

①填料层高度Z已定，且气象总传质单元高度HOGGZ不变，故NOG不变。 KYaΩHOGY2mX2为一定值。

Y1mX2②物系一定，操作温度及压力不变，故气液相平衡常数m一定，且G及L不变，故L/Gm一定。因NOG与L/Gm各为一定值，从教材中NOG的计算式（5-76）或图5-23可知且吸收剂为清水，故X2=0，则

Y2为一定值。即随着Y1的增大，Y2按一定比例增大。如习题5-22Y1附图所示，气相进口组成由Y1增大到Y1'，则气相出口组成由Y2增大到Y2'.

③操作线斜率L/G不变，因Y1增大到Y1'，附图中的操作线由TB线平行上移为TB线。TB线与水平的等Y’线交垫横坐标X1'为新条件下的液相出口组成。即吸收液组成由X1增大到X1'。

YY2'Y2④由第②问的分析结果可知'=一定值，故吸收率12不变。

Y1Y1Y1‘

’

‘

’

Y Y2'

T'

'1B'

B

Y1 Y2 T

X2

X1 X1'

习题5-22附图

解吸塔计算

【5-23】由某种碳氢化合物(摩尔质量为113 kg/kmol)与另一种不挥发性有机化合物（摩尔质量为135kg/kmol）组成的溶液，其中碳氢化合物占8%（质量分数）。要在100℃、101. 325kPa（绝对压力）下，用过热水蒸气进行解吸，使溶液中碳氢化合物残留0.2%（质量分数）以内，水蒸气用量为最小用量的2倍。气液相平衡常数m=0.526，填料塔的液相总传质单元高度HOL= 0.5m。试求解吸塔的填料层高度。

习题5-23附图

81

2解 1*

LminY1Y2GXXY1*mX10.5260.1040.07 G0.1040.00239G223.72 L0.070LminL10.511 mG0.05263.72NoLLX1Y2/mL1n1 LmGXY/mmG221mG110.1041n10.5110.5116.3

10.5110.00239ZHOLNOL0.56.33.15m

传质系数计算和吸收剂部分循环

【5-24】 现一逆流吸收填料塔，填料层高度为8m，用流量为100kmol/（㎡·h）的清水吸收空气混合气体中某溶质，混合气体流量为600Nm3/（㎡·h），入塔气体中含溶质0.05（摩尔分数，下同），实验测得出塔气体中溶质的吸收率为95％。已知操作条件下的气液相平衡关系为Y=2.8X。设吸收过程为气膜控制。

（1） 计算该填料的气相总体积传质系数；

（2） 吸收过程中，将吸收后吸收液的50％送入解吸塔解吸后循环使用，解吸后的液体含氨

0.004，若维持进吸收塔总液体量不变，计算纯水和解吸后液体混合后从塔顶加入情况下，出塔气体中溶质的摩尔分数。 解（1）Y1y10.050.0526

1-y11-0.05吸收率为95％时，y2=0.05（1－0.95）＝0.0025，Yy20.00250.0025

21-y21-0.0025混合气体流量G＝600／22.4=26.8 kmol/（㎡·h） 液气比L1003.73

G26.8吸收因数SmG2.80.75 L3.73气相总传质单元数NOG

NOG Y-mX21ln1-S1S1-SY2-mX2NOG10.0526-0ln1-0.750.757.17 1-0.750.0025-0气相总传质单元高度HOG

HOG H81.12m NOG7.1782

气相总体积传质系数KYaG26.823.9kmol/(m3h)

HOG1.12（3） 纯水和解吸后液体混合后的组成X2

X2L0LL0.004 22X2=0.002

出塔气体中溶质摩尔分数

NOGY1-mX'21ln1-S'S '1-SY2-mX27.1710.0526-2.80.002ln1-0.750.75 '1-0.75Y2-2.80.002Y2'0.00784

Y2'0.00784 y0.00777'1Y210.00784'2

多股进料进料位置和方式不同对填料层高度的影响

【5-25】在101.3kPa、25℃的条件下，采用塔截面积为1. Y2 G X2 L Y2 G X2 L ㎡的填料塔,用纯溶剂逆流吸收两股气体混合物的溶质，一股气 体中惰性气体流量为50kmol/h，溶质含量为0.05（摩尔比，下 同），另一股气体中惰性气体流量为50kmol/h，溶质含量为0.03，YbVb Xb 要求溶质总回收率不低于90％，操作条件下体系亨利系数为279 kPa，试求： （1） 当两股气体混合后从塔底加入，液气比为最小液气比的 Y 1m G X1 L 1.5倍时，出塔吸收液浓度和填料层高度（该条件下气 YaGa X1 L YaGa YbVb 3

相总体积传质系数为30 kmol/（h ·m），且不随气体流 习题5-25附图 量而变化）； （2） 两股气体分别在塔底和塔中部适当位置（进气组成与塔

内气相组成相同）进入，所需填料层总高度和适宜进料位置，设尾气气体组成与（1）相同。

（3） 比较两种加料方式填料层高度变化，并示意绘出两种进料情况下的吸收操作线。

解 根据题意吸收流程如图5-14所示： （1） 混合后气体摩尔比浓度：

Y1mGaYaGbYb

GaGbY1m500.05500.030.04

505083

出塔气体浓度：

Y2Y1m(1-)0.041-0.900.004

物系的相平衡常数mE2792.75,X2=0

P101.3Y-YL操作液气比L1.51.51m21.5m1.50.902.753.72 Ym1GGminX2mX1＝X2GY1m-Y20.04-0.004＝0.00968 L3.72G50502.17m KYa301.传质单元高度HOGSmG2.750.74 L3.72 NOG1ln(1S)1S

1S1-NOG11ln(10.74)0.744.

10.741-0.90 ZNOGHOG 2.174.6410.07 m（2） 当两股气体分别进入吸收塔，高浓度在塔底进入，低浓度在如图5-14所示塔中部进入，吸收塔分为两部分，塔内液气比不同，填料层高度分两段计算。

上段填料层高度：

对于塔上部：进塔气体组成为Yb0.03，出塔气体组成为Y20.004，液气比L/V＝3.72，塔中部液体组成Xb＝传质单元高度HOG1GYb-Y20.03-0.004。 ＝0.00699L3.72G2.17m

KYaS1mG0.74 LYmX21ln(1S1)bS1 1S1Y2mX2NOG1NOG110.03ln(10.74)0.743.81

10.740.004 Z1NOG1HOG1 3.812.178.27m

第二股气体进塔位置距塔顶8.27m处。

下段填料层高度：

对于塔下部：进塔气体组成为Ya0.05，中部气体

Y Ya Ym Yb Y2 A B D C E

O Xb X1 习题5-25附图 84

X 组成为Yb0.03，液气比L/G＝3.72X2＝7.44，进塔液体组成Xb＝0.00699。 传质单元高度HS2OG2G/21.085m KYamG/20.37 LNOG2YmXb1ln(1S2)aS2 1S2YbmXb10.05-2.750.0069ln(10.37)0.371.21

10.370.03-2.750.0069NOG2Z2NOG2HOG2 1.211.0851.31m

ZZ1Z28.271.319.58m

（3）气体混合后进入吸收塔的操作线如图5-15为ABC，分别在适宜位置进入吸收塔的操作线为ABD，从操作线距离平衡线的距离看，气体混合后进入吸收塔的操作线靠**衡线，传质推动力降低，所以填料层高度增加。吸收是分离过程，而组成不同的气体先混合是返混，返混对吸收不利，故填料层高度增加。

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