氣體吸收習(xí)題

第九章氣體汲取一、本章學(xué)習(xí)的目的、應(yīng)掌握的內(nèi)容和學(xué)習(xí)注意事項本章學(xué)習(xí)的目的經(jīng)過本章的學(xué)習(xí)，掌握氣體汲取與解吸的基本觀點隨和體汲取過程的基本計算方法。本章要點掌握的內(nèi)容（1）氣體汲取過程的均衡關(guān)系（2）氣體汲取過程的速率關(guān)系（3）低濃度氣體汲取過程的計算本章應(yīng)掌握的內(nèi)容（1）費克定律和分子傳責(zé)問題的求解方法（2）雙膜模型本章一般認(rèn)識的內(nèi)容（1）溶質(zhì)浸透模型和表面更新模型（2）汲取系數(shù)本章學(xué)習(xí)應(yīng)注意的問題（1）表示汲取過程的均衡關(guān)系為亨利定律，亨利定律有不一樣的表達(dá)形式，學(xué)習(xí)中應(yīng)注意掌握它們之間的聯(lián)系。（2）表示汲取過程的速率關(guān)系為汲取速率方程，汲取速率方程有不一樣的表達(dá)形式，學(xué)習(xí)中應(yīng)注意掌握它們之間的聯(lián)系。（3）學(xué)習(xí)分子傳質(zhì)，不要機械地記憶各過程的求解結(jié)果，應(yīng)注意掌握求解的思路和應(yīng)用背景。（4）學(xué)習(xí)中應(yīng)注意掌握傳質(zhì)機理和汲取過程機理之間的聯(lián)系，注意領(lǐng)會敘述傳質(zhì)機理和汲取過程機理的目的和意義。二、例題分析9-1惰性氣與CO2的混淆氣中CO2體積分?jǐn)?shù)為30％，在表壓1MPa下用水汲取。設(shè)汲取塔底水中溶解的CO2達(dá)到飽和，此汲取液在膨脹槽中減壓至表壓20kPa，放出大多數(shù)CO2，而后再在解吸塔中吹氣解吸。設(shè)所有操作范圍內(nèi)水與CO2的均衡關(guān)系聽從亨利定律，操作溫度為25℃。求1kg水在膨脹槽中最多能放出多少千克CO2氣體。解：依題意，在所有操作范圍內(nèi)水與CO2的均衡關(guān)系聽從亨利定律，查附錄二得25℃下CO2溶于水時的亨力系數(shù)為E=1.66?102MPa方法一：對膨脹槽作CO2物料均衡(以1kg水為衡算基準(zhǔn))入膨脹槽汲取液中CO2的構(gòu)成x1=p1/E=1.1013?0.3/1.66?102=1.990?10-3設(shè)此液1kg水中溶解CO2的kg數(shù)為W1，則有：x1=W1/44=1.990?10-3?W1=4.875?10-3kgW1/44+1/18出膨脹槽汲取液中CO2的構(gòu)成x2=p2/E=(0.1013+0.020)/1.66?102=7.307?10-4設(shè)此液1kg水中溶解CO2的kg數(shù)為W2，則有：x2=W2/44=7.307?10-4W2/44+1/18?W2=1.788?10-3kg故1kg水在膨脹槽中最多能開釋出CO2的kg數(shù)為W=W1-W2=(4.875-1.788)?10-3=3.09?10-3kgCO2/kgH2O方法二：不考慮氣流夾帶走的水量，則膨脹槽內(nèi)水的量恒定不變，于是1kg水在膨脹槽中最多能放出CO2氣體的的千克數(shù)為m=Ls(X1-X2)MCO2≈Ls(x1-x2)MCO2=Ls(p1-p2)MCO2/E1?(1101.3?0.3-121.3)?44==0.00308kgCO2/kgH2O18?166?1039-2某水杯中初始水面離杯上緣1cm，水溫30℃，水汽擴(kuò)散進(jìn)入大氣。杯上緣處的空氣中水汽分壓可設(shè)為零，總壓101.3kPa。求水面降落4cm需要多少天?解：本題因水溫、大氣溫度和大氣壓力恒定，故分子擴(kuò)散的推進(jìn)力(pA1-pA2)恒定，但因阻滯空氣層厚度隨杯中水面的降落而增厚，分子擴(kuò)散阻力漸漸增大，傳質(zhì)速率漸漸降落，故本題為一維制定態(tài)單向分子擴(kuò)散問題，其傳質(zhì)速率仍可表示為NA=Dpt(pA1-pA2)RTzpBm式中：D為水氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)，查教材

P11中表

8-1得

D=0.260cm2/s（25℃），需將其換算至30℃下的值為1.811.81?T?D=D0T???0??p0??303?-4=0.260?10???p??298????101.3?-52?=2.68?10m/s?101.3?又查附錄二、3.得30℃時水的飽和蒸汽壓為4242Pa＝4.242kPa。于是pBm=(pt-pA2)-(pt-pA1)4.242-0==99.164kPaln[(pt-pA2)/(pt-pA1)]ln[(101.3-0)/(101.3-4.242)]NA==Dpt(pA1-pA2)RTzpBm2.68?10101.34.61?10(4.242-0)=8.314?303z99.164z-5-8kmol/(m2?s)設(shè)水杯的截面積為A，在隨意時刻θ時，杯中水面距杯口的高度為z，經(jīng)過時段dθ后水面高度降落了dz，作時段dθ內(nèi)的微分物料衡算有：NAAdθ=ρAdz/MA4.61?10-8dθ=995.7dz/18積分得：zdθ=1.20?10zdz9θ=1.20?109?0.050.01zdz=1.20?109?0.5?(0.052-0.012)=1.44?106s=16.7d9-3采納圖9-3所示的雙塔流程以清水汲取混淆氣中的SO2，氣體經(jīng)兩塔后SO2總的回收率為0.91，兩塔的用水量相等，且均為最小用水量的1.43倍，兩塔的傳質(zhì)單元高度HOG均為1.2m。在操作范圍內(nèi)物2系的均衡關(guān)系聽從亨利定律。試求兩塔的塔高。解：因是低濃度氣體汲取，故兩塔氣相摩爾流率相可視為近似相等，又二塔液相摩爾流率也相等，故兩塔操作的液氣比相等，于是有(y-y2)β(y1-y2)y-y2?L??L?=*1==βm1?=β?y1/m-0y1xA-xA2?G?A?G?A,min(y-y3)β(y2-y3)y-y3?L??L?=*2==βm2?=β?y2/m-0y2xB-xB2?G?B?G?B,min?y1-y2y2-y3?y3=(1-η)y1=0.09y1?L??L?=???=??GGyy??A??B12??y2=y1y3=0.3y1因ηA=(y1-y2)/y1=0.7，ηB=(y2-y3)/y2=0.7，即A=ηB=，η又βA=βB=1.43。于是SA=SB=1βη=1=1.01.?430.7(?ym)B=y3（可參照圖示）即A、B二塔的操作線與均衡線平行，于是有(?ym)A=y2，，故有y2-y30.3y1-0.09y17?(NOG)B===(?ym)B0.09y13??(NOG)A=?(NOG)A=(NOG)B=73y1-y2y1-0.3y17==(?ym)A0.3y13HA=HB=HOG?NOG=1.2?7/3=2.8m說明：對于操作線與均衡線平行的問題對汲取而言，當(dāng)S=1時，不論采納何種方法計算NOG，都會出現(xiàn)一個0/0型的不定式，此時應(yīng)切記?ym=?yi=?y1=?y2，由于此時在塔的任何截面上，傳質(zhì)的對數(shù)均勻推進(jìn)力都相等，現(xiàn)證明以下：不如設(shè)?y1=a+x，?y2=a-x，當(dāng)x→0時，則有?y1=?y2=a。而?ym=?y1-?y2(a+x)-(a-x)2x==ln(?y1/?y2)ln[(a+x)/(a-x)]ln[(a+x)/(a-x)](2x)'2(a+x)(a-x)=lim=ax→0x→0a-x(a+x)(a-x)-(a+x)(a-x)x→0(a-x)+(a+x)a+x(a-x)2?ym=?y1=?y2(x→0)lim(?ym)=lim此結(jié)論不單合用于傳質(zhì)，相同也合用于傳熱的計算。9-4一逆流操作汲取塔以下圖．混淆氣體由塔底引入，此中可溶組分的濃度y1=0.05（摩爾分率，下同），單位塔截面上的氣相流率G=0.014kmol/(m?s)，吸收劑分兩處加入。由塔頂加入的為純?nèi)軇?，單位塔截面上的流率L1=0.0112kmol/(m?s)。從塔頂往下，經(jīng)2米填料層高度后，又加入一股2'=0.01的汲取劑，單位塔截面上的流率L2=0.0112x2kmol/(m?s)，再經(jīng)6m填料層高度后，液體由塔底引出。全塔各處的Kya均為0.028kmol/(m2?s)，物系均衡關(guān)系為y=0.8x，試求：22'（1）第二股汲取劑L2加入后，塔內(nèi)該截面上的液相濃度x2（2）塔底排出的液相濃度x1（3）為使出塔氣相濃度y2降低，第二股汲取劑的加進(jìn)口是向上移仍是向下移？為何？解：依題意，塔上下兩段的傳質(zhì)單元高度相同，且有：全塔物料衡算：'G(y1-y2)=(L1+L2)x1-L1x2-L2x2（1）設(shè)第二股汲取液與上塔段流下來的液相流混淆后的濃度為x3，與之對應(yīng)的氣相構(gòu)成為y3，對上下兩塔段作物料衡算有：上塔：'G(y3-y2)=(L1+L2)(x3-x2)-L2x2?下塔：（2）G(y1-y3)=(L1+L2)(x1-x3)?兩塔段的傳質(zhì)單元數(shù)y3=0.05-1.6(x1-x3)（3）因上塔段的操作線與均衡線平行（L/G=m=0.8），?ym1=?y2=y2-mx2=y2，故有塔上段：NOG1=y3-y2y3-y2h2==1==4??ym1y2HOG0.5y3=5y2（4）塔下段：NOG2=y1-y2y-mx1h16=ln1=2==12?ym21-S'y3-mx3HOG0.5y1-mx1=403.43(y3-mx3)（5）lny1-mx1=6?y3-mx3式中S'=mG/(L1+L2)=0.5x3=2.5y2+0.005，3625（1）聯(lián)立求解方程組，將式（4）代入式（2）可得：由式（1）得x1=0.0再利用式（5），將x1,x3,y3均表示成y2的等式，即可求解出y2，所得結(jié)果以下：-0.625y2，y2=0.001351，x3=0.008378，x1=0.035405，y3=0.006755''=x3=0.008378即本題中的x2（2）前已解出：x1=0.035405（3）為使出塔氣體的濃度y2降低，第二股物流應(yīng)在塔內(nèi)液相濃度x=0.01地方處的截面加入，這樣才不致因第二股物流的進(jìn)入產(chǎn)生返混，使塔的汲取效率發(fā)揮到最大。現(xiàn)對上塔段作計算，觀察經(jīng)過2m填料層高度后的液相構(gòu)成'-x2)?x3'=0.006755G(y3-y2)=L1(x3明顯，還沒有達(dá)到0.01，故第二個加進(jìn)口應(yīng)下移。其物理解說以下：'=0.006755，與第二若第二股物流在原加進(jìn)口加入，在第二股液流進(jìn)塔以前，因塔內(nèi)液相濃度為x3股液流濃度不等，當(dāng)?shù)诙梢毫鬟M(jìn)塔后便會與塔上段下來的液流相混淆，其混淆后的濃度為''=x3=x2'+L2x2'L1x3=0.5(0.006755+0.01)=0.008378L1+L2三、觀點題、思慮題與練習(xí)題（一）觀點題9-1常壓下用水汲取二氧化碳的低濃度系統(tǒng)，如在水中加堿，此系統(tǒng)( )。(A)kG和KG都明顯增大(B)kG減小，KG增大(C)kG基本不變，KG增大(D)kG和KG都基本不變9-2對必定的氣體和稀溶液物系，相均衡常數(shù)m取決于( )溫度和濃度(B)溫度和壓強(C)壓強和濃度(D)流速和濃度9-3只需組分在氣相中的分壓__________液相中該組分的均衡分壓，解吸就會繼續(xù)進(jìn)行，直至達(dá)到一個新的均衡為止。大于(B)小于(C)等于(D)不等于9-4低濃度難溶氣體汲取，其余操作條件不變,入塔肚量增添，氣相總傳質(zhì)單元高度HOG、出塔氣體濃度ya、出塔液體濃度xb將會有( )變化。(A)HOG↑，ya↑，xb↑(B)HOG，↑ya↑，xb↓(C)HOG，↑ya↓，xb↓(D)HOG，↓ya↑，xb↓9-5在逆流汲取塔內(nèi)，入塔條件不變，填料層高度h0趨勢無量大，當(dāng)汲取因數(shù)A<1時，氣液相在( )處達(dá)到均衡。(A)塔頂(B)塔底(C)塔中部(D)塔中某一地點9-6用純?nèi)軇┠媪骷橙』煜龤庵械娜苜|(zhì)，切合亨利定律。當(dāng)入塔氣體濃度上漲低濃度范圍]其余入塔條件不變，則氣體出塔濃度ya和汲取率η(。)(A)ya↑，η↓(B)ya，η↑↓(C)ya，η↓↑(D)ya，η↑

[屬9-7正常操作的逆流汲取塔，因故汲取劑入塔量減少，以致使液氣比小于原定的最小液氣比，將會發(fā)生( )。出塔液xb↑，汲取率η↓(B)出塔氣ya↑，出塔液xb不變(C)出塔氣ya↑，出塔液xb↑(D)在塔下部發(fā)生解吸現(xiàn)象9-8溫度__________，將有益于解吸的進(jìn)行。(A)降低(B)高升(C)變化(D)9-9在解吸操作中，總壓P和溫度T( )，將有益于解吸的進(jìn)行。(A)P↑，T↑(B)P，↑T↓(C)P，↓T↑(D)P，↓T↓9-10在y-x圖上，操作線若在均衡線下方，則表示傳質(zhì)過程是

( )。汲取(B)解吸(C)相均衡(D)不確立（三）思慮題9-1汲取的目的和基本依照是什么？汲取的主要操作花費花銷在哪里？9-2選擇汲取溶劑的主要依照是什么？什么是溶劑的選擇性？9-3E、m、H三者各自與溫度、總壓有何關(guān)系?9-4工業(yè)汲取過程氣液接觸的方式有哪兩種?9·5擴(kuò)散流JA，凈物流N，傳達(dá)速率NA互相之間有什么聯(lián)系和差異？9-6漂流因子有什么含義？平分子反向擴(kuò)散時有無漂流因子？為何？9-7氣體分子擴(kuò)散系數(shù)與溫度、壓力有何關(guān)系？液體分子擴(kuò)散系數(shù)與溫度、黏度有何關(guān)系?9-8修伍德數(shù)、施密特數(shù)的物理含義是什么？9-9傳質(zhì)理論中，有效膜理論與表面更新理論有何主要差異？9-10傳質(zhì)過程中，何種狀況是氣相阻力控制?何種狀況是液相阻力控制？9-11低含量氣體汲取有哪些特色?9-12汲取塔高度計算中，將NOG與HOG分開，有什么長處？9-13成立操作線方程的依照是什么?9-14什么是返混?9-15何謂最小液氣比？操作型計算中有無此類問題？9-16x2max與(L/G)min。是怎樣遇到技術(shù)上的限制的？技術(shù)上的限制主假如指哪兩個限制條件？9-17有哪幾種Nca的計算方法？用對數(shù)均勻推進(jìn)力法和汲取因數(shù)法求Not；的條件各是什么？9-18Hca的物理含義是什么？常用汲取設(shè)施的HOG約為多少？9-19汲取劑的進(jìn)塔條件有哪三個因素？操作中調(diào)理這三因素，分別對汲取結(jié)果有何影響?9-20汲取過程的數(shù)學(xué)描繪與傳熱過程的數(shù)學(xué)描繪有什么近似與差異？9-21高含量氣體汲取的主要特色有哪些？9-22化學(xué)汲取與物理汲取的實質(zhì)差異是什么?化學(xué)汲取有何特色？9-23化學(xué)汲取過程中，何時成為容積過程?何時成為表面過程？（三）練習(xí)題氣液相均衡9-1在盛水的鼓泡汲取器中通人純CO2氣，經(jīng)長久接觸后測得水中CO2的均衡濃度為2.857×10-2mol/L溶液。鼓泡器中的總壓為密度ρ=996kg/m3。求亨利系數(shù)，并將此實驗值與文件值[答：E＝188.1MPa，誤差0.21％]

101.3kPa，水溫30℃，溶液的E=188.5MPa作比較。9-2惰性氣與CO2的混淆氣中CO2體積分?jǐn)?shù)為30％，在表壓1MPa下用水汲取。設(shè)汲取塔底水中溶解的CO2達(dá)到飽和，此汲取液在膨脹槽中減壓至表壓20kPa，放出大多數(shù)CO2，而后再在解吸塔中吹氣解吸。設(shè)所有操作范圍內(nèi)水與CO2的均衡關(guān)系聽從亨利定律，操作溫度為25℃。求1kg水在膨脹槽中最多能放出多少千克CO2氣體。[答：3.07×10-3kgCO2]9-320℃的水與N2氣逆流接觸以脫除水中溶解的O2氣。塔底人口的N2氣中含氧體積分?jǐn)?shù)為0.1％，設(shè)氣液兩相在塔底達(dá)到均衡，均衡關(guān)系聽從亨利定律。求以下兩種狀況下，水走開塔底時的最低含氧量，以mg/m3水表示。(1)操作壓力(絕對)為101.3kPa。(2)操作壓力(絕對)為40kPa。[答：(1)44.16mg/m3水；(2)17.51mg/m3水]9-4氣液逆流接觸的汲取塔，在總壓為101.3kPa下用水汲取Cl2氣，進(jìn)入塔底的氣體混淆物中含氯體積分?jǐn)?shù)為1％，塔底出口的水中含氯摩爾分?jǐn)?shù)x＝0.8×10-5。試求兩種不一樣溫度下塔底的汲取推進(jìn)力，分別以(xe-x)及(y-ye)表示。(1)塔底溫度為20℃；(2)塔底溫度為40℃。[答：(1)1.0910×-5，5.76×10-3；(2)4.710×-6，3.68×10-3]9-5某逆流汲取塔塔底排出液中含溶質(zhì)摩爾分?jǐn)?shù)x＝2×10-4，進(jìn)口氣體中含溶質(zhì)體積分?jǐn)?shù)為2.5％。操作壓力為101kPa，氣液均衡關(guān)系為y＝50x。現(xiàn)將操作壓力由101kPa增至202kPa，問塔底推進(jìn)力(y-ye)及(xe-x)各增添至原有的多少倍。[答：1.33，2.67]擴(kuò)散與相際傳質(zhì)速率9-6柏油馬路上積水2mm，水溫20℃。水面上方有一層0.2mm厚的靜止空氣層，水經(jīng)過此氣層擴(kuò)散進(jìn)入大氣。大氣中的水汽分壓為1.33kPa。問多少時間后路面上的積水可被吹干。[答：0.58hr]9-7某水杯中初始水面離杯上緣1cm，水溫30℃，水汽擴(kuò)散進(jìn)入大氣。杯上緣處的空氣中水汽分壓可設(shè)為零，總壓101.3kPa。求水面降落4cm需要多少天?[答：1.44×106s]9-8某填料塔用水汲取混淆氣中的丙酮蒸氣?；煜龤饬髀蕿?6kmol/(m2·h)，操作壓力101.3kPa。已知容積傳質(zhì)系數(shù)kya＝64.6kmol/(m3·h)，kLa＝16.6kmol/(m3h)(kmol/m3)·，相均衡關(guān)系為pA＝4.62cA。式中氣相分壓pA的單位是kPa，均衡濃度單位是kmol/m3。求(1)容積總傳質(zhì)系數(shù)及傳質(zhì)單元高度HOG。(2)液相阻力占總傳質(zhì)阻力的百分?jǐn)?shù)。[答：(1)54.9kmol/(m3h)·，0.291m；(2)15.1％]9-9在設(shè)計某降膜汲取器時，規(guī)定塔底氣相中溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)y＝0.05，液相中溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)x＝0.01。兩相的傳質(zhì)系數(shù)分別為是kx＝8×10-4kmol/(m2·s)，ky＝5×10-4kmol/(m2s)·。操作壓力為101.3kPa時相均衡關(guān)系為y＝2x。試求：(1)該處的傳質(zhì)速率NA，單位為kmol/(m2·s)；(2)假如總壓改為162kPa，塔徑及氣、液兩相的摩爾流率均不變，不計壓強變化對流體黏度的影響，此時的傳質(zhì)速率有何變化?議論總壓對ky、Ky，及(y-ye)的影響。[答：(1)6.6610×-6；(2)1.0510×-5，ky不變，Ky增添，(y-ye)增添]汲取過程數(shù)學(xué)描繪9-10對低含量氣體汲取或解吸，由9-11低含量氣體逆流汲取，試證：711m1=+出發(fā)，試證NOL=NOG。KykykxANOG=?y1ln11-mG/L?y2式中?y1=y1-y1e為塔底的汲取推進(jìn)力；?y2=y2-y2e為塔頂?shù)募橙⊥七M(jìn)力。9-12用純?nèi)軇Φ蜐舛葰怏w作逆流汲取，可溶組分的回收率為η，采納的液氣比是最小液氣比的β倍。物系均衡關(guān)系聽從亨利定律。試以η、β兩個參數(shù)列出計算NOG的表達(dá)式。[答：NOG=9-13附圖為兩種雙塔汲取流程，試在y-x圖上定性畫出每種汲取流程中A、B兩塔的操作線和平衡線，并標(biāo)出兩塔對應(yīng)的氣、液相進(jìn)口和出口摩爾分?jǐn)?shù)。[答略]9-14含量較高的溶液進(jìn)入圖示解吸塔塔頂，塔底吹氣解吸，塔中部某處抽出一半液體，另一半液體由塔底排出，試在y-x圖上畫出均衡線與操作線，并標(biāo)出各股流體的含量坐標(biāo)。[答略]?1?11?ln1-+???1-ηβη?]βη1-(βη)-1????1汲取過程的設(shè)計型計算9-15流率為0.014kmol/(m2s)·的空氣混淆氣中含氨體積分?jǐn)?shù)為2％，擬用逆流汲取以回收此中95％的氨。塔頂淋入摩爾分?jǐn)?shù)為0.0004的稀氨水溶液，設(shè)計采納的液氣比為最小液氣比的1.5倍，操作范圍內(nèi)物系聽從亨利定律y＝1.2x，所用填料的總傳質(zhì)系數(shù)Kya＝0.052kmol/(m3·s)。試求：(1)液體在塔底的摩爾分?jǐn)?shù)x1；(2)全塔的均勻推進(jìn)力?ym；(3)所需塔高。[答：(1)0.0113；(2)2.3510×-3；(3)2.18m]9-16用純?nèi)軇Φ秃炕煜龤庾髂媪骷橙∫曰厥沾酥械目扇芙M分，物系的相平衡關(guān)系聽從亨利定律，汲取劑用量是最小用量的1．3倍，試求以下兩種狀況下所需的塔高，已知傳質(zhì)單元高度Hoc；＝0.8m。(1)回收率η＝90％。(2)回收率η＝99％。(3)兩種狀況下的汲取劑用量有何差異?[答：(1)4.61m；(2)11.3m；(3)L′＝/L1.1]9-17含H2S摩爾分?jǐn)?shù)2.5×10-5的水與空氣逆流接觸以使水中的H2S脫除，操作在101.3kPa、25℃下進(jìn)行，物系的均衡關(guān)系為y＝545x，水的流率為5000kg/(m2h)·。試求：(1)為使水中H2S的摩爾分?jǐn)?shù)降至x＝0.1×10-5所需的最少空氣用量。(2)當(dāng)空氣用量為G=0.40kmol/(m2h)·，設(shè)計時塔高不受限制，能夠規(guī)定離解吸塔的水中含H2S最低摩爾分?jǐn)?shù)是多少?表示畫8出該種狀況下的解吸操作線。[答：(1)0.489kmol/(m2h)；·(2)5.4310×-6]9-18采納圖示的雙塔流程以清水汲取混淆氣中的SO2，氣體經(jīng)兩塔后SO2總的回收率為0.91，兩塔的用水量相等，且均為最小用水量的1.43倍，兩塔的傳質(zhì)單元高度HOG均為1.2m。在操作范圍內(nèi)物