化工原理(第三版)習(xí)題解(譚天恩)第九章習(xí)題解

1、第九章 吸收9-1 總壓為、含（體積分?jǐn)?shù)）的混合氣體，在下與濃度為的氨水接觸，試判別此過程的進(jìn)行方向，并在圖上示意求取傳質(zhì)推動力的方法。解 氨水平衡關(guān)系列在本章附錄二中，需將題中組成化為其中的單位，以便比較。氣相氨分壓 液相組成換算要用到密度，暫取（參考例9-2，溫度較高較?。?。對氨水，每立方米含氨，含水；故水中含氨。與附錄二比較，氨水組成為氨.，下的平衡氨分壓為，比題給氨分壓低，故知過程方向應(yīng)為吸收。（注：雖然氨水密度的估計(jì)稍有誤差，但不影響過程方向。作圖從略）9-2 含（體積分?jǐn)?shù)）的空氣混合氣，在填料塔中用水進(jìn)行逆流吸收，操作壓力為（絕）為、溫度為，試求出塔的水中最多可溶解多少克？其濃度又

2、為多少？解 出塔水的最大濃度系與逆流進(jìn)塔的氣體平衡，此時(shí)的分壓，查本章附錄一，下溶于水的亨利系數(shù)。按式（9-5），液相平衡組成為 而 即 濃度 9-3 總壓、含（體積分?jǐn)?shù)）的空氣，在下與濃度為的水溶液接觸，試判別其傳質(zhì)方向。解 空氣中的分壓，水溶液的摩爾分?jǐn)?shù)，式中，為溶液的總濃度，。溶液的平衡分壓按式（9-5）即計(jì)算，而下的從本章附錄一查得為。故 可知，過程為脫吸。9-4 焦?fàn)t煤氣（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）含粗苯，流量，經(jīng)洗油吸收后（見圖9-1），降為，求粗苯的吸收率和吸收量。設(shè)粗苯的平均摩爾質(zhì)量可取為。解 現(xiàn)煤氣中粗苯含量很低，可用給出的濃度之比代替摩爾比。按式（9-1），吸收率為 吸收量 校核：按摩爾比

3、再次計(jì)算如下。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下粗苯的物質(zhì)量 煤氣的物質(zhì)量 粗苯摩爾比 吸收后 煤氣中惰性氣量不變，仍為其摩爾比 故 與以上按濃度計(jì)算的結(jié)果相同（取三位有效數(shù)字時(shí)）。9-5 求溫度為及時(shí)與（絕）空氣接觸的水中，氧（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）的最大濃度（分別以、摩爾分?jǐn)?shù)表示）及溶解度系數(shù)（以表示）。氧在空氣中的體積分?jǐn)?shù)為。解 氧在水中的最大濃度即為接觸狀態(tài)下的平衡濃度，可由本章附錄一查出亨利系數(shù)后。由式（9-5）計(jì)算其摩爾分?jǐn)?shù)：式中氧的分壓 氧在水中的摩爾濃度 其中總濃度 其質(zhì)量濃度需對乘以氧的摩爾質(zhì)量；再換算到，需乘以。溶解度系數(shù)按式（9-3）計(jì)算，?，F(xiàn)將查得及算出的結(jié)果列于下表中。1033106.343.5211

4、.271.6763048104.372.427.721.1549-6 二氧化硫與水在下的平衡關(guān)系為：0.10.20.20.50.711.50.6261.572.634.806.9310.516.7試換算成總壓（絕）下的關(guān)系，并在圖中作出平衡曲線。解 根據(jù)例9-5中所得的算式 及計(jì)算，取三位有效數(shù)字，可得下表（作圖從略）：2.815.628.4314.019.728.142.06.2615.726.348.069.31051679-7 及（絕）下，有、空氣（體積分?jǐn)?shù)，下同）的氣體，與的清水在容積的密閉容器中接觸，進(jìn)行傳質(zhì)。問在水中的最終濃度及剩余氣體的總壓各為多少？若上述過程在初始總壓為（絕）下

5、進(jìn)行，求其結(jié)果。解 現(xiàn)氣相體積不變，隨著的溶解，分壓將下降。最終達(dá)平衡時(shí)與水中摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系，可用亨利定律表示。查附錄一，知，故有 （a）兩未知量與的另一關(guān)系是物料衡算：氣相失去的為 （b）水中得到的為 最終有，并將給定的及、代入式（b），得 （c）聯(lián)立方程（a）、（c）求解，得到 ，而容器內(nèi)剩余氣體總壓為。以上忽略水的蒸汽壓。 若總壓為，式（a）必備，代入式（b），得物料衡算式 與式（a）聯(lián)立求解得 ，容器內(nèi)剩余氣體總壓為 9-8 求習(xí)題9-7在剛開始接觸時(shí)的總傳質(zhì)推動力，分別以分壓差、液相摩爾分?jǐn)?shù)差及濃度差表示。解 以分壓差表示的總推動力為。剛開始時(shí)，故。以液相摩爾分?jǐn)?shù)差表示時(shí)， 以液相摩

6、爾濃度差表示時(shí)， 9-9 在填料塔中用清水吸收氣體中所含的丙酮蒸汽，操作溫度、壓力（絕）。若已知給質(zhì)系數(shù)，平衡關(guān)系服從亨利定律，亨利系數(shù)，求傳質(zhì)系數(shù)、和氣相阻力在總阻力中所占的比例。解 從兩相給質(zhì)系數(shù)、按以下公式求總傳質(zhì)系數(shù) 式中溶解度系數(shù)根據(jù)傳質(zhì)系數(shù)間的換算式，有 氣相阻力在總阻力中所占的比例為 或9-10 根據(jù)以下雙塔吸收的四個(gè)流程圖，分別作出其平衡線和操作線的示意圖（設(shè)吸收液最初不含溶質(zhì)）并說明各自適用于哪些情況。解 流程（）相當(dāng)于一個(gè)氣液逆流的單塔。當(dāng)吸收所需的填料層甚高，單塔有困難時(shí)，用此流程。在圖解中平衡線用代表，1、2兩塔的操作線分別用（1）、（2）表示（下同）。流程（）中每塔都

7、送入新鮮溶劑，使全流程的推動力較流程（）為大。適用于吸收要求高、所需溶劑量大的情況。流程（）中氣體并流、液體逆流，可用于氣體中溶質(zhì)易吸收（如伴有快速反應(yīng)），要求出塔液體近于飽和（或相對較高）的情況。流程（）中第二塔氣液并流，適用于伴有化學(xué)反應(yīng)，或液量超過吸收所需甚多，故推動力與流向關(guān)系不大的情況。通常后兩種流程在實(shí)用中少見，尤其是（）。注：本題可在學(xué)生先做習(xí)題后進(jìn)行課堂討論。9-11 擬設(shè)計(jì)一常壓填料吸收塔，用清水處理、含（體積分?jǐn)?shù)）的空氣，要求的去除率為，實(shí)際用水量為最小水量的倍。已知塔內(nèi)操作溫度為，平衡關(guān)系為；取塔底空塔氣速為，氣相體積總傳質(zhì)系數(shù)為。試求：（1）用水量和出塔液濃度；（2）填

8、料層高度；（3）若入塔水中已含氨（摩爾分?jǐn)?shù)），問即使填料層高度可隨意增加，能否達(dá)到的去除率？（說明理由）。解 , ， （1） 或（2） （3）當(dāng)時(shí)，有；而，比要求的大，故增高填料層不能達(dá)到要求。9-12 已知某清水吸氨塔的填料層高度，進(jìn)塔氣體含氨，吸收率，操作壓力（絕），溫度，平衡關(guān)系為，氣相流率，液相流率，傳質(zhì)系數(shù)。問：當(dāng)或加倍時(shí)，應(yīng)如何改變方可保持不減?。拷?， ， 液式中，為含氨空氣的平均摩爾質(zhì)量： 而 （1）當(dāng)加倍。若塔仍能正常操作，用水吸收氨為氣膜控制，故對的影響可忽略；另一方面，加倍后出塔液濃度將減半（現(xiàn)），傳質(zhì)推動力因而增大，吸收率將隨著提高，故可不變。以下計(jì)算加倍后的影響： 故

9、 在以平均推動力方法計(jì)算塔高的式（9-48）即中現(xiàn)只有因的加倍而增大，故所需的填料層高度因而反比地減為 （2） 當(dāng)增倍（仍設(shè)塔能正常操作），依題意，按式（9-48），有（比原來增高）9-13 試求例9-6中的填料塔每平方米塔截面共可回收多少丙酮（以計(jì)）？若將原設(shè)計(jì)的填料層高減少，回收量會減少多少？解 例9-6中，故每平方米塔截面的回收量 換算為：丙酮的摩爾質(zhì)量，故 當(dāng)填料層高減少時(shí)。則原，也相應(yīng)減去，即；而并不改變。出塔氣相組成可由式（9-53）計(jì)算： 則 故 回收量回收量減少 減少的相對量為或.9-14 若例9-6中填料塔出塔水中的丙酮為飽和，其余數(shù)據(jù)不變，求所需水量及填料層的高度。解 出塔

10、水中丙酮的組成為 對塔頂、塔底的物料衡算式（9-39）為 故，為原用水量的倍。以下用平均推動力法求填料層高： 與例9-6相同 故 所求為原高度的倍。9-15 在填料塔內(nèi)用稀硫酸吸收空氣中的氨。當(dāng)溶液中存在游離酸時(shí)，氨的平衡分壓為零。下列三種情況下的操作條件基本相同，試求所需填料高度的比例：（1）混合氣含氨，要求吸收率為；（2）混合氣含氨，要求吸收率為；（3）混合氣含氨，要求吸收率為。對于上述低濃氣體，吸收率可按計(jì)算。解 因氨的平衡分壓為零，即，而有、，于是 因吸收率，故，而有?，F(xiàn)操作條件基本相同，故三種情況下的可認(rèn)為相等，于是所需的填料高之比為 9-16 礦石焙燒爐氣含（體積分?jǐn)?shù)），其余為惰性

11、氣體，經(jīng)冷卻后在填料塔內(nèi)以清水吸收的。塔徑，操作溫度，壓力；入塔爐氣流量（操作狀態(tài)），水量為最小值的倍。平衡關(guān)系見習(xí)題9-6，給質(zhì)系數(shù)：，。求：（1）用水量和出塔液濃度；（2）填料高度。解 ，及由習(xí)題9-6算出的平衡數(shù)據(jù)求得，對，故最小液氣比 而 （1）用水量，當(dāng)用表示時(shí)， 出塔液濃度（現(xiàn)）為 (2)填料層高?？煞抡绽?-7的方法，用近似梯級法得出（圖從略）。而在用式（9-65）求時(shí)， 操作范圍內(nèi)的平均斜率取為 故 9-17 含氨（體積分?jǐn)?shù)）的氣體通過填料塔用清水吸收其中的氨（其余為惰性氣體），平衡關(guān)系為。用水量為最小值的倍，氣體流，總傳質(zhì)系數(shù)，填料層高度。（提示：在試算時(shí)，可取。）（1）求出

12、塔氣體中的含氨量。（2）可以采取哪些措施使達(dá)到？（3）對達(dá)的措施做出估算，你選擇哪一種？說明理由。解 本題屬于操作型問題：只知入塔氣、液組成，；而出塔組成、皆為未知；不便于以平均推動力法求解（需用試差法，含超越函數(shù)，初值難設(shè)定）。以下采用吸收因數(shù)法。已知 吸收因數(shù)，已知，但需由物料衡算得出（： (a)現(xiàn)未知，但知，可初步在中忽略而有，以得到或的初值、：因?yàn)?所以 及根據(jù)及插圖9-11，得 當(dāng)將得到的初值代入式（a），以求較準(zhǔn)確的時(shí)，與初值比，將因計(jì)入而略減，因略增；從圖9-11可見略減，由此可知的實(shí)際值應(yīng)較已算出的為大。第二次設(shè)，代入式（a）可求相應(yīng)的: ,從，及求時(shí)，圖9-11欠精確，按式(

13、9-53)計(jì)算： 解得，與原設(shè)相差甚少，不必再算下去，即為最終值。為使提高到，可加大水量至或增高填料層至，都可用式（9-53）計(jì)算。此時(shí) 在應(yīng)用式（9-53）計(jì)算時(shí)，又需對或試差，其解法考慮到式中方括號中的數(shù)值取對數(shù)后變化小，而寫成 （b）方括號內(nèi)的查圖9-11（縱、橫坐標(biāo)分別額15及200）得初值為，代入式（b）方括號中算得等號左邊，故，與原設(shè)基本符合，可用于計(jì)算： 而用水量據(jù) 得。用水量增大的比例為，即增大；一般講，在操作允許范圍內(nèi)。增高填料層可從總傳質(zhì)單元數(shù)的增加直接計(jì)算： 故 比原來增加了約。9-18 氣體混合物中溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)為，要求在填料塔中吸收器。平衡關(guān)系為。求下列各情況下所需的

14、氣相總傳質(zhì)單元數(shù)。（1）入塔液體，液氣比。（2）入塔液體，液氣比。（3），。（4），最大吸收率為多少？解 本題氣液進(jìn)出塔的個(gè)組成易于得出，求以用平均推動力法較便利。（1） ， ， ， （2）、與前相同， （3） ， （4）當(dāng)時(shí)，對應(yīng)于回收率的最大值，與達(dá)到平衡，即，全塔物料衡算式為 故 ，即說明當(dāng)時(shí)，最大吸收率不能超過。9-19 氣體中含有（體積分?jǐn)?shù)）氨，需在填料塔中以水吸收其中氨的，水量為最小值的倍。塔內(nèi)總壓，塔底的氣體流率、，塔頂。入塔水溫，塔內(nèi)操作條件下的汽液平衡數(shù)據(jù)如下。求所需填料層高度。用水吸收高濃度氨時(shí)的平衡數(shù)據(jù)（計(jì)入溶劑熱導(dǎo)致的液溫上升，初溫）12345678912.54.581

15、217233242解 本題屬高濃度氣體的吸收，應(yīng)用式（9-73a）： （a）式中，取塔頂、底的平均值。已給定塔底；塔頂需通過物料衡算。惰性氣流率為 塔底摩爾比 塔頂摩爾比 塔頂流率 傳質(zhì)系數(shù)需換算到以摩爾分?jǐn)?shù)為單位： 故塔底、塔頂?shù)膫髻|(zhì)單元高度分別為 平均值 以下求，以用近似梯級法為便。水吸收氨為氣膜控制物系，梯級法中可用氣相總推動力代替氣相分推動力?，F(xiàn)平衡數(shù)據(jù)已給，作出平衡曲線如附圖所示；另需找出間的物料衡算關(guān)系。為得到最小液氣比，需從平衡曲線查出，據(jù)式（9-38）： 將此及、代入式（9-36a）： 即 （b）現(xiàn)據(jù)此式算出一些、衡算關(guān)系（如下表所示），以作出操作線（曲線）如附圖所示。0123

16、456788.83.239.6115.321.125.129.333.136.639.842.2如附圖所示，再作出操作線與平衡線垂直距離中點(diǎn)的聯(lián)線，可按倍克法作出梯級。其級數(shù)為，即。代入式（a）,得 9-20 若將習(xí)題9-17用清水系數(shù)含氨的過程該在有層理論版的板式塔中進(jìn)行，用水量和氣體流率不變，試重新計(jì)算該題的（1）小題。解 應(yīng)用式（9-76），其中，故 據(jù)習(xí)題9-17（1）的用水量及平衡關(guān)系已得，代入上式，得 9-21 填料塔用弧鞍瓷質(zhì)填料以清水吸收空氣中的低濃度，溫度，壓力（絕）。氣體、液體的質(zhì)量流率分別為和。計(jì)算、和、。解 式（9-91）雖專為水吸收，但填料的差別較大，還是應(yīng)用通用形式的恩田