化工原理答案 - 第五章 - - 吸收

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。 溶液中NH3的量为 n?1?10?3/17kmol 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或 c??sMsx?99.82?0．010?5．0kmol582／m3 18NH3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=?0.01098 1?Y21?0.0111气液相平衡

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【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?100/18气相中NH3的平衡分压 P*＝0.798 kPa 亨利系数 E?p*／x?0.798/0.0105?76

n1?10?3/17液相中NH3的浓度 c???0.581 kmol／m3 ?3V101?10/998.2溶解度系数 H?c/p*?05.81/0.79?8.0k7m28ol3/(m?液相中NH3的摩尔分数 x?1/17?0．0105

1／17?100/18 Pak气相的平衡摩尔分数 y*?p*／p?07.9／81 00相平衡常数 m?y*0.798??0.76 x100?0.0105或 m?E/p?76/100?.0 76【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。

解 总压p?101.325 kPa

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 亨利系数 E?3.313?106kPa (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

故 1kmo水溶液≈18／999.7m3水 l 64

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。试求氨水溶液的最大浓度，kmolNH3／m3溶液。

解 气相中NH3的摩尔分数y?0.015

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 1899.82?0．038 118水溶液中NH3的最大浓度 cA?cx? ?2.11kmol NH3/m3溶液 (2) 利用亨利定律p*A?E?80kPa,H?cA计算 H?sEMs=998.2=0．693 kmol/(m3?kPa) 80?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，

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p?0.1MPa 时 m?1660，p'?1MPa 时

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0．012kmol NH3／kmol水。此物系的平衡关系为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?y1??0.06/0.94?0.0638 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

*塔底气相推动力 ?Y1?Y1?Y?.0638?0.009?12 0.054710【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

①液相中CO2的浓度 cA?0.01kmol CO2／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

p*?1.662?105x?1.662?105?1.805?10?4?30kPa

0.01=1.805?10?4

997/18气相分压差表示的推动力 ?p?p?*（吸收） p?50?30?20kPa② 液相中CO2的浓度cA?0.05kmol／m3水溶液

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液相中CO2的摩尔分数x?c0.05A/c?997/18?9.027?10?4

与液相平衡的气相平衡分压为

p*?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cA?0.01kmol CO2/m3水溶液 液相浓度差表示的推动力为

?c?c*.01666?0.01?0.00666kmol／m3A?cA?0 （吸收）

②液相中CO2的浓度cA?0.05 kmol CO32/m水溶液 液相浓度差表示的推动力为

?c?c05?0.01666?0.0333kmol/m3A?c*A?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3.2895kPa

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?3.289k5P a空气分压 pB1?p?pA1?101.325?3.2895 ?98.04 kPa

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

习题5-10附图

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