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第二章 吸收

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第二章 吸收
1.从手册中查得101.33kPa、25℃时，若100g水中含氨1g，则此溶液上方的氨气平衡分压为0.987kPa。已知在此浓度范围内溶液服从亨利定律，试求溶解度系数H kmol/(m3·kPa)及相平衡常数m
解：液相摩尔分数 x =（1/17）/[（1/17）+（100/18）]= 0.0105
气相摩尔分数 y = 0.987/101.33 = 0.00974
由亨利定律 y = mx 得 m = y/x = 0.00974/0.0105 =0.928
液相体积摩尔分数 c =（1/17/（101×10-3/103）= 0.5824×103 mol/m3
由亨利定律p= c/H 得H = c/p =0.5824/0.987 = 0.590 kmol/(m3·kPa)

2. 101.33kPa,10℃时，氧气在水中的溶解度可用= 3.31×106 x表示。式中：为氧在气相中的分压kPa；x为氧在液相中的摩尔分率。试求在此温度及压强下与空气充分接触的水中每立方米溶有多少克氧。
解： 氧在气相中的分压p = 101.33×21％ = 21.28 kPa
氧在水中摩尔分率x = 21.28/（3.31×106）= 0.00643×103
每立方米水溶有氧： 0.0064×103×32/（18×10-6）= 11.43g

3．某混合气体中含有2％（体积）CO2，其余为空气。混合气体的温度为30℃，总压强为506.6kPa。从手册中查得30℃时CO2在水中的亨利系数E = 1.88×105 kPa，试求溶解度系数H kmol/(m3·kPa) 及相平衡常数m，并计算每100g与该气体相平衡的水中溶有多少gCO2 。
解：H == = 103/（10×1.88×105）= 2.955×10-4kmol/(m3·kPa)
m = E/P总 = 1.88×105/506.6 = 0.37×103
由题意 y = 0.02， 根据亨利定律 y = mx 得x = y/m = 0.02/0.37×103 = 0.000054 即每100g与该气体相平衡的水中溶有CO2 0.000054×44×100/18 = 0.0132 g

4．在101.33kPa、0℃下的O2与CO混合气体中发生稳定的分子扩散过程。已知相距0.2cm的两截面上O2的分压分别为13.33kpa和6.67kpa，又知扩散系数为0.185cm2/s，试计算下列两种情况下O2的传递速率，：
（1）O2与CO两种气体作等分子反向扩散；
（2）CO气体为停滞组分。
作此题直接代公式（2－16）和（2－20），注意单位换算。
解
（1）等分子反相扩散时，

（2）CO为停滞组分时，用公式（2－20）计算，其中漂流因数：

5．以浅盘内存有2cm厚的水层，在20℃的恒定温度下逐渐蒸发并扩散到大气中。假定扩散始终是通过一定厚度为5mm的静止空气膜层，此空气膜层以外的水蒸气分压为零。扩散系数为，大气压强为101.33kpa。求蒸干水层所需的时间。
此题为非稳态单向扩散，只能针对某一瞬时列传质速率方程。
解：根据题意，空气为停滞组分B，溶质组分A为水。设时刻的扩散距离为z，则：
（1）
又水面下降速率与水的扩散速率的关系如下：
（2）
根据式（1）和（2）有：
（3）
其中：

，
边界条件：
将以上各项代入式（3）即可得
7．在101.33kPa，27℃下用水吸收混于空气中的甲醇蒸汽。甲醇在气，液两相中的浓度都很低，平衡关系服从亨利定律。已知溶解度系数H = 1.995kmol/(m3·kPa)，气膜吸收系数 kG = 1.55×10-5 kmol/(m2·s·kPa)，液膜吸收系数 kL = 2.08×10-5 kmol/(m2·s·kmol/m3)。试求总吸收系数KG，并计算出气膜阻力在总阻力中所的百分数。
解：根据公式（2-41a），有：
=1.122×10-5 m2/S
气膜阻力占总阻力的百分数为：

8. 在吸收塔内用水吸收混于空气中的甲醇，操作温度为27℃，压强101.33kPa。稳定操作状况下塔内某截面上的气相甲醇分压为5kPa，液相中甲醇浓度位2.11kmol/m3。试根据上题有关的数据算出该截面上的吸收速率。
解：由第7题所得数据有：
H=1.95kmo/(m3．kpa)、 KG=1.122×10-5 m2/S
由亨利定律得该截面上甲醇的平衡分压：

最后得吸收速率：

9．在逆流操作的吸收塔中，于101.33kPa，25℃下用清水吸收 混合气中的CO2将其浓度从2％降至0.1％（体积）。该系统符合亨利定律。亨利系数Ｅ=5.52×104kPa。若吸收剂为最小理论用量的1.2倍，试计算操作液气比L/V及出口组成X。
此题需用到公式2－6、2-51和2-55，对吸收过程，组成均用摩尔比表示较方便。
解：

联立以上各式得到，又
11. 在101.33kPa下用水吸收混于空气中的中的氨。已知氨的摩尔分率为0.1，混合气体于40℃下进入塔底，体积流量为0.556m3/s，空塔气速为1.2m/s。吸收剂用量为最小用量的1.1倍，氨的吸收率为95％，且已估算出塔内气相体积吸收总系数KYa的平均值为0.1112kmol/( m3·s).在操作条件下的气液平衡关系为Y=2.6X，试求塔径及填料层高度。
已知：，，求：D和Z
解：（1）塔径：
（2）填料层高度Z：

当时，，则
脱吸因数：
气相总传质单元数：

气相总传质单元高度：

填料层高度：

14. 在一逆流吸收塔中用三乙醇胺水溶液吸收混于气态烃中的H2S，进塔气相中含H2S（体积）2.91％要求吸收率不低于99％，操作温度300Ｋ，压强101.33kPa，平衡关系为Y* = 2X，进塔液体为新鲜溶剂，出塔液体中H2S浓度为0.013kmol(H2S)/kmol(溶剂)。已知单位塔截面上单位时间流过的惰性气体量为0.015kmol/(m2·s)，气相体积吸收总系数为0.000395 kmol/(m3·s·kPa)。求所需填料层高度。

已知：
求：Z
解：

气相总传质单元高度：

又：

填料层高度：

15.有一吸收塔，填料层高度为3m，操作压强为101.33kpa，温度为20℃，用清水吸收混于空气中的氨。混合气质量流速G=580，含氨6%（体积），吸收率为99%；水的质量流速W=770。该塔在等温下逆流操作，平衡关系为。与气相质量流速的0.8次方成正比而与液相质量流速大体无关。试计算当操作条件分别作下列改变时，填料层高度应如何改变才能保持原来的吸收率（塔径不变）：（1）操作压强增大一倍；（2）液体流量增大一倍；（3）气体流量增大一倍。

已知：

求：（1）
（2）
（3）
解：
混合气的平均摩尔质量：

根据物料衡算：

（1）操作压强增加一倍：

又：
则：
（2）液体流量增大一倍：
，由物料衡算得：

而总传质单元高度不变，所以：

（3）当气体流量增大一倍：
，由物料衡算得：

而总传质单元高度不变，所以：

则：
16.在逆流操作的填料塔内，用纯溶剂吸收混合气体中的可溶组分。已知操作液气比为最小液气比的1.5倍，气相总传质单元高度操作条件下的平衡关系为（Y、X均为摩尔比），吸收过程大致为气膜控制，气相体积传质分系数（G为混合气体的摩尔流量）。试求：（1）要求溶质组分的回收率为95%时所需的填料层高度；（2）在上述填料塔内操作，将气体流量增加20%，而其他条件不变，溶质的吸收率有何变化？（3）新、旧工况下单位时间内被吸收的溶质的量及吸收塔的平均推动力有何变化？结果说明什么问题？
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