第九章传质吸收例题

［例7-2］有一个10cm高的烧杯内装满乙醇，问在101.3kPa及25℃的室温下全部蒸发完约需多少天？若温度升高至35℃，问全部蒸发完约需多少天？假设烧杯口上方空气中乙醇蒸汽分压为零；25℃和35℃下乙醇的饱和蒸汽压分别为8.0kPa和13.3kPa。解：乙醇通过静止空气层的扩散为单向扩散，且为非稳定过程，但因扩散距离z的变化缓慢，故可作为拟稳态处理。基本方法：设在扩散的任意时刻τ，液面离杯口的距离（扩散距离）为z，取dτ时间间隔对物料作衡算，并结合扩散的规律解决之。单向扩散，有：12BBAPPLnRTzDPN（1）式中：D=1.19×10-5m2/s；T=273+25=298K；PB2=101.3-0=101.3kPa；PB1=101.3-8.0=93.3kPa；z-扩散距离，m。代入（1）中，得：)./(1000.43.933.101298314.83.1011019.1285smkmolzLnzNA在dτ时间内，液面高度降低dz，对乙醇作衡算：AAMdzdN/或dzMNdAA（2）式中：ρ=780kg/m3，MA=46kg/kmol；代入上式，得：zdzdzzd881024.4/10446780积分可得：dszdzd5.241012.2)01.0(211024.41024.46281.0008当温度升高至35时℃：PB1=101.3-13.3=88.0kPa;D=1.19×10-5×(308/298)1.5=1.25×10-5m2/s;其余参数不变。)./(1096.6883.101308314.83.1011025.1285smkmolzLnzNAzdzdzzd881044.2/1096.646780积分可得：dszdzd1.141022.1)01.0(211044.21044.26281.0008［例7-3］总压为101.3kPa、温度为20℃时，1000kg水中溶解15kgNH3，此时溶液上方汽相中NH3的平衡分压为2.266kPa。试求溶解度系数H、亨利系数E、相平衡常数m。若总压增倍，维持溶液上方汽相摩尔分率不变，则问此时NH3的溶解度及各系数的值。解：本题中，A—NH3，S—H2O。首先将汽、液相组成换算为y与x。MA=17，MS=1801563.018/100017/1517/15BAAAnnnx由亨利定律得：E=PA*/xA=2.266/0.01563=145.0kPa∴m=E/P=145/101.3=1.431)./(3831.014518/1000/3kPamkmolEMHss若总压增倍，维持溶液上方汽相摩尔分率不变，则E不变，H也不变。716.021431.1)/()/(211221121212PPmmPPEEPEPEmmCA=HPA*=0.3831×2×2.266=1.736kmol/m3仍取溶液的密度为1000kg/m3,则1m3溶液质量为1000kg。A=1.736×17=29.51kg∴NH3的溶解度为:OkgHkgNH231000/4.305.295.2910001000［例7-5］含氨极少的空气于101.33kPa，20℃被水吸收。已知气膜传质系数kG=3.15×10-6kmol/(m2·s·kPa)，液膜传质系数kL=1.81×10-4（m/s），溶解度系数H=1.5kmol／(m3·kPa)。汽液平衡关系服从亨利定律。求：①汽相总传质系数KG，KY；液相总传质系数KL，KX；②气膜与液膜阻力的相对大小；③若汽相主体氨浓度的摩尔分率为0.03，液相主体浓度为0.5kmol/m3，求界面浓度。解：(1)因为物系的汽液平衡关系服从亨利定律，故)../(1011.31081.15.111015.311112646kPasmkmolKHkkKGLGGKY=PTKG=101.33×3.11×10-6=3.15×10-4kmol/(m2.s)KL=KG/H=3.11×10-6/1.5=2.07×10-6m/sKX=CTKL=(1000/18)×2.07×10-6=1.15×10-4kmol/(m2.s)(2)气膜阻力占总阻力的%%7.98%1001015.31011.3/1/166GGGGkKKk计算结果表明,该吸收过程属气膜控制。(3)对稳定吸收过程，由传质速率方程得：NA=kG(P-Pi)=kL(Ci-C)P=PTy=101.3×0.03=3.04kPa∴3.13×10-6(3.04-Pi)=1.81×10-4(Ci-0.5)(a)在界面处汽液相接触处于平衡状态，则Ci=HPi=1.5Pi(b)(a),(b)联立,解得:Pi=0.364kPa,Ci=0.547kmol/m3。［例7-6］用清水吸收某有机物A，吸收塔的操作压强为101.3kPa，温度为293K，进吸收塔的气体流量为900m3/h，其中A含量为0.026(摩尔分数)，要求吸收率为90％，在操作条件下，A在两相间的平衡关系为Y*=1.2X，若取水的用量为理论最小用量的1.5倍，求每小时送入吸收塔顶的水量及塔底流出的吸收液组成。解：进入吸收塔的惰性气体摩尔流量V：hkomlV/46.36)026.01(4.22293/273900进塔气中A的组成Y1：Y1=0.026/(1-0.026)=0.0267进塔溶剂中A组成X2：X2=0平衡线符合亨利定律∴(L/V)min=mη=1.2×0.9=1.08由(L/V)=1.5(L/V)min，得：L=1.5(L/V)min×V=1.5×1.08×36.46=59.07kmol/h吸收液出塔组成：由L(X1-X2)=V(Y1-Y2)得：01483.0007.599.00267.046.36)(212211XLVYXLYYVX［例7-7］空气和氨的混合气体，在直径为0.8m的填料吸收塔中用清水吸收其中的氨。已知送入的空气量为1390kg/h，混合气体中氨的分压为1.33kPa，经过吸收后混合气中有99.5％的氨被吸收下来。操作温度为20℃，压强为101.325kPa。在操作条件下，平衡关系为Y*＝0.75X。若吸收剂(水)用量为52kmol/h。已知氨的汽相体积吸收总系数KYa＝314kmol／(m3·h)。求所需填料层高度。解：(1)用对数平均推动力求填料层高度依题意y1=1.33/101.325=0.01320134.00132.010132.01111yyYY2=0.0134(1-0.995)=6.7×10-5X2=0V=1390/29=47.93kmol/h0123.0052995.00134.093.47)(212211XLVYXLYYVXY1*=mX1=0.75×0.0123=9.225×10-3Y2*=mX2=0.75×0=0ΔY1=Y1-Y1*=0.0134-0.009225=0.004175ΔY2=Y2-Y2*=6.7×10-5-0=6.7×10-5455212110941.9107.6004175.0107.6004175.0LnYYLnYYYm41.1310941.9107.60134.04521mOGYYYNmaKVHYOG3037.08.0431493.472∴z=HOGNOG=0.3037×13.41=4.07m(2)用吸收因数法求填料层高度6913.05293.4775.01LmVA2000107.600134.052221mXYmXY40.136913.0200)6913.01(6913.0111)11(1112221LnAmXYmXYALnANOG∴z=HOGNOG=0.3037×13.40=4.07m