化工原理第七章

第7章习题解答1.含量为0.02（摩尔分数）的稀氨水在20℃时氨平衡的分压为1.66kPa，氨水上方的总压强为常压，在此含量下相平衡关系服从亨利定律，氨水的密度可近似取1000kg/m3，试求算亨利系数E、H和m的数值各是多少？解:(1)由AAExp*可得kPaxpEAA3.8302.0666.1*(2)取1kmol氨水为基准，其中含0.98kmol水与0.02kmol氨，总摩尔体积为kmolmMMVNHOH/02.098.0332氨水的总摩尔浓度为3/6.551702.01898.0100002.098.0132mkmolMMVcNHOH氨的摩尔浓度AAcxc由HcpAA*,可得)./(667.03.836.55**mkNkmolEcpcxpcHAAAA(3)由822.03.1013.83PEm2.在01.33kPa、20℃时，氧气在水中的溶解度可用Po2=4.06×106x表示，式中PO2为氧在气相中的分压，kPa，x为氧在液相中的摩尔分数。试求在此温度及压强下与空气充分接触后的水中，每立方米溶有多少克氧。解：氧在空气中的摩尔分率为0.21,故666101.330.2121.2821.285.24104.06104.0610ppykPapx在本题浓度范围内亨利定律适用，由pEMHpcEMHss*查附录表1可知，20℃时氧在水中的亨利系数E=4.06×106kPa,因x值甚小,所以溶液密度可按纯水计算,即取ρ=1000kg/m3,所以单位体积溶液中的溶质的摩尔浓度为*436100021.282.9110/4.061018scpkmolmEM则每立方米溶解氧气质量为*3329.31/cgm氧气3.一直径为25mm的萘球悬挂于静止空气中，进行分子扩散。系统温度为20℃，已知该温度下萘的蒸汽压为1.3×akp210,萘在空气中的扩散系数smD26101.6，距萘球足够远处萘的浓度为零。求萘球单位表面、单位时间的挥发量。解:萘球的挥发属单向扩散，但因萘球的蒸汽压很小，气相浓度较低，故漂流因子可取为1。设萘的半径为R，距球心r处萘浓度为c（3mkmol）。则萘球表面单位时间的挥发量为24RNA单位时间通过半径为r球面的扩散量可根据费克定律计算，即drdcDrJr2244因萘球挥发速度很慢，可作为拟定态处理，故drdcDrRNA2244积分上式0220cRAdcDrdrRNRDNcA0式中C0—萘球表面空气中的萘的浓度，3mkmol。36201034.5293314.8103.1mkmolRTpc).(1030.1025.01034.5101.62966smkmolNA4.氨气通过静止的空气薄层进行定态单向扩散，系统总压101.33kPa，静止气层两边的氨气分压各为20kPa及13.33kPa,实验测得的传质系数为)/(1098.426aGkPsmkmolk。如果在相同的操作条件和组分浓度下，氨和空气进行等分子反向扩散，试求：(1)此时的传质系数)];/([2aGkPsmkmolk(2)此时的传质速率)]/([2smkmolNA。分析：单向扩散速率)()(2121AAGAABmAppkppppRTZDN等分子反向扩散速率)()(2121AAGAAAppkppRTZDN可知在同样操作条件和组分浓度下，单向扩散速率AN和传质系数Gk较之等分子反向扩散的AN和Gk分别大Bmpp/倍。解：（1）akPp33.101aAkPp201aAkPp33.132aBkPp33.812033.1011aBkPp8833.1333.1012aBmkPp61.8433.8188ln33.8188由,BmGGppkk有44284.61.4.98104.1610/()101.33GGaBmpkKkmolmskPP45212(2)()4.1610(2013.33)2.7710/()AAANkGppkmolms5.某低浓度气体在被吸收时，平衡关系符合亨利定律，溶解度系数H=1.3kmol/(m3.kPa),若已知气相传质系数kG=2.50×10-7kmol/(m2.s.kPa)，液相传质系数kL=6.85×10-5m/s，试求气相总传质系数KG,并分析该吸收过程的控制因素及气体溶解的难易程度。解:因系统符合亨利定律,所以kmolkPasmkHkKGLG/)..(1001.4105.211085.63.111112575)../(1049.21001.41265kPasmkmolKG由于GLGGkHkkK1111,该吸收为气相控制,为易溶气体.6.在101.33kPa、0℃下的,O2与H2S混合气体发生稳定的分子扩散过程。已知相距0.2cm的两截面上的O2的分压分别为13.43kPa和6.70kPa，又知扩散系数为0.180cm2/s，试计算下列两种情况下O2的传递速率，（1）O2与H2S两种气体作等分子反向扩散；（2）H2S气体为停滞组分。解:(1)等分子反向扩散时O2的传递速率)(21AAAppRTzDN已知D=0.180cm2/s=1.80×10-5(m2/s)T=273K,P=101.3kPa,z=0.2cm=2×10-3mpA1=13.43kPa,pA2=6.70kPa,代入上式得)./(1067.2)70.643.13(102273314.81080.12535smkmolNA(2)O2通过停滞H2S的扩散速率7.对低含量气体吸收或解吸，由xyykmkK11出发，试证明OGOLNAN1证明已知xyykmkK11则xyykmkK11同理可得yxxmkkK111即yxmKK得OLOLxyOGHAGLmHLGmKLKGH1//OLOLOGOGNHNHZ)/(1089.243.133.10170.63.101ln102273314.83.1011080.1ln)(25251221smkmolppRTzDPpppPRTzDNBBAABmA所以OGOLNAN18.在直径为1m的填料吸收塔内，用清水作溶剂，入塔混合气流量为100kmol/h，其中溶质含量为6%（体积），要求溶质回收率为95%，取实际液气比为最小液气比的1.4倍，已知在操作条件下的平衡关系为xy0.2，总体积传质系数)/(2003hmkmolaky，试求：（1）出塔液体组成；（2）所需填料层高；（3）若其他条件不变，将填料层在原有基础上，加高m2，吸收率可增加到多少？解：（1）利用液气比与组成的关系可求出塔液体组成21212121*4.1xxyyxxyymyxx4.14.1*111021.024.106.02填料层高可由传质单元数法计算122110.06yyyy20.06(1)0.06(10.95)0.003y＝11*111mxyyyy018.0021.0206.0003.0*222222ymyyyyy00838.0003.0018.0ln003.0018.0ln2121yyyyymmayyyyKGZ)(2100838.0)003.006.0(1785.02001002m33.4(3)其他条件不变，仅增加填料层高度，实际就是不改变传质单元高度而增加传质单元数。故可通过传质单元数与组成的关系计算出塔高增加后的出塔气相组成，进而求出吸收率。''24.339.410.637OGOGZNH1212()10.01820.63()0.060.003xxmVmALyy2122*111ln[(1)]1*1OGyyNAyyAA]63.0)63.01ln[(63.01141.921yy012.012yy'21198.8%yy9.在填料塔内用清水逆流吸收空气中的丙酮蒸气，丙酮初始含量为%3（体积），若在该塔中将其吸收掉%98，混合气入塔流率)/(722hmkmolG，操作压力kPap33.101，温度KT293，此时平衡关系可用xy75.1表示，体积总传质系数)(1058.134aGakpsmkmolK，若出塔水溶液的丙酮溶度为平衡浓度的%70，求所需水量和填料层高。该塔逆流操作。解：所需水量可由全塔物料衡算求出031.097.003.01111yyY421(1)0.020.0316.210YY4222102.61YYy02x由)()(2121xxLyyG，得)0012.0()102.603.0(724L)./(049.0)/(3.17622smkmolhmkmolL填料层高度可由传质单元数法计算。在计算传质单元高度时应注意体积总传质系数的表达方式要符合要求。2121lnyyyyym＝44102.6012.075.103.0ln0102.6012.075.103.031013.3)/(016.03smkmolKpKGaya012.075.103.07.07.07.01*11myxxmyyyKGZmya7.111013.300062.003.0016.002.032110.流率为50kmol/(m2.h)的空气混合气中含氨体积分数为2%，逆流吸收操作回收其中95%的氨。塔淋入摩尔分数为0.0004的稀氨水溶液,设计采用的液气比为最小液气比的1.5倍。已知相平衡关系为y=1.2x,所用填料的体积总传质系数)/(2.1873hmkmolaky。试求：（1）液体在塔底的摩尔分数x1；（2）所需塔高。解：(1)吸收塔出口空气中含氨的摩尔分数为根据物料衡算)()(2121xxLyyG，得0113.0)001.002.0(75.110004.0)(2121yyLGxx（2）则吸收塔的平均推动力为传质单元数为传质单元高度为21(1)0.02(10.95)0.001yy17.10004.02.102.0001.002.0/21212*121minxmyyyxxyyGL75.117.15.15.1minGLGL4*222102.50004.02.1001.0yyy3*1111044.60113.02.102.0yyy34342121m1035.2102.51044.6ln10)2.54.64(lnyyyyy09.81035.2001.002.03m21yyyNOGm27.02.18750OGKyaΩGH所以吸收塔填料层高度11.在一逆流操作的填料吸收塔中用清水吸收空气中某组分A，已知操作条件下平衡关系为xy2.2，入塔气体中A的含量为6%(体积)，吸收率为96%，取吸收剂用量为最小用量的1.2倍，试求：(1)出塔水溶液的浓度；(2)若气相总传质单元高度为0.8m，现有一填料层高为8m的塔，问是否能用？解：对低浓度系统，计算时可用摩尔分数代替摩尔比，用混合气体量代替惰性气体量，用溶液量代替溶剂量。(1)1212min*121()yyyyLmGxxym1212min1211.2()yyyyLLGGxxx110.060.02271.21.22.2yxm(2)110.8681.21.20.96mGmALm*12*221111