《化工原理 第8章 气体吸收 典型例题题解(2)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工原理 第8章 气体吸收 典型例题题解(2)（49页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第第8章章 吸收吸收 典型例题题解典型例题题解例例1：在总压：在总压1200kPa ,温度温度303k下，含下，含CO25.0%（V%）与含与含CO21.0g/l 的水溶液相遇，问：发生吸收还是解吸？并以分压差表示传的水溶液相遇，问：发生吸收还是解吸？并以分压差表示传质的推动力。质的推动力。解：解：判断传质的方向，即将溶液中溶质的平衡分压判断传质的方向，即将溶液中溶质的平衡分压pe 与气相中的分压进行比较。与气相中的分压进行比较。解吸解吸相平衡关系的应用相平衡关系的应用例例2：惰性气体与：惰性气体与CO2的混合气体中，的混合气体中，CO2的体积分数为的体积分数为30% ，在表，在表压压1 Mp
2、a下用水吸收。设吸收塔底水中溶解的下用水吸收。设吸收塔底水中溶解的CO2达到饱和，此吸达到饱和，此吸收液在膨胀槽中减压（表压）至收液在膨胀槽中减压（表压）至20kPa ，放出大部分放出大部分CO2 ，然后再然后再在解吸塔中吹气解吸。设全部操作范围内水与在解吸塔中吹气解吸。设全部操作范围内水与CO2的平衡关系服从的平衡关系服从亨利关系，操作温度为亨利关系，操作温度为20oC ，求求1kg水在膨胀槽中最多能放出多少水在膨胀槽中最多能放出多少kg的的CO2气体？气体？吸吸收收塔塔膨胀槽膨胀槽解解吸吸塔塔解：吸收塔塔底气相中解：吸收塔塔底气相中CO2的分压（绝对压）的分压（绝对压）查查 25oC下，下
3、，CO2在水中溶解的亨利系数在水中溶解的亨利系数CO2在水中的饱和浓度在水中的饱和浓度(最大浓度最大浓度)膨胀槽内膨胀槽内CO2发生解吸发生解吸,解吸后解吸后,CO2在气、液相中的浓度是呈平衡的。在气、液相中的浓度是呈平衡的。解吸气的总压力（即膨胀槽中压力）为解吸气的总压力（即膨胀槽中压力）为25oC时水的饱和蒸气压时水的饱和蒸气压可见水蒸气的分压是很小的，一般来说，可以不考虑。可见水蒸气的分压是很小的，一般来说，可以不考虑。液相中的液相中的CO2浓度浓度膨胀之前水中的膨胀之前水中的CO2含量含量膨胀之后水中的膨胀之后水中的CO2含量含量例例3： 扩散传质速率方程式的应用扩散传质速率方程式的应
4、用-气相扩散系数的测定气相扩散系数的测定 在如图所示的垂直细管中盛以待测组分的液体，该组分通过静止在如图所示的垂直细管中盛以待测组分的液体，该组分通过静止气层气层 z 扩散至管口被另一股气流扩散至管口被另一股气流 B 带走。紧贴液面上方组分带走。紧贴液面上方组分A的分的分压为液体压为液体A在一定温度下的饱和蒸气压，管口处在一定温度下的饱和蒸气压，管口处A的分压可视为零。的分压可视为零。组分组分A的汽化使扩散距离的汽化使扩散距离 z 不断增加，记录时间不断增加，记录时间与与 z的关系。的关系。 0 10 9.34 20 24.9 30 46.7 40 74.8 50 109.0 60在在101.
5、3kPa , 48oC下，测定下，测定CCl4在空气中在空气中的扩散系数。的扩散系数。液液体体A气流气流B解：解： 作拟定态处理，某时刻作拟定态处理，某时刻，扩散距离为扩散距离为 z时的分子扩散速率时的分子扩散速率在在d时间内汽化的时间内汽化的CCl4量量=CCl4扩散出管口的量扩散出管口的量液液体体A气流气流B 在直角坐标上，以在直角坐标上，以 z2为纵坐标，为纵坐标，为横坐标，得直线的斜率为横坐标，得直线的斜率B，其其中含扩散系数中含扩散系数 D ky 小或小或 m小，气膜控制小，气膜控制 kx 小或小或 m大，液膜控制大，液膜控制 传质阻力的问题传质阻力的问题平均推动力方法的另一种表达方
6、式：平均推动力方法的另一种表达方式：当气液平衡关系可以用亨利定律来表示时，当气液平衡关系可以用亨利定律来表示时，y=mx例例1：吸收塔根据流程画操作线：吸收塔根据流程画操作线根据流程画操作线根据流程画操作线例例2：解吸塔根据流程画操作线：解吸塔根据流程画操作线操作线在平衡线的下方因为操作线在平衡线的下方因为例例1： 吸收塔高（填料层高）的计算吸收塔高（填料层高）的计算 在一逆流操作的吸收塔中用清水吸收氨在一逆流操作的吸收塔中用清水吸收氨-空气混合气中的氨，混空气混合气中的氨，混合气流量为合气流量为0.025kmol/s,混合气入塔含氨摩尔分数为混合气入塔含氨摩尔分数为0.02，出塔含氨，出塔含
7、氨摩尔分数为摩尔分数为0.001。吸收塔操作时的总压为吸收塔操作时的总压为101.3kPa，温度为温度为293k，在操作浓度范围内，氨水系统的平衡方程为在操作浓度范围内，氨水系统的平衡方程为y=1.2x ，总传质系数总传质系数Kya=0.0522kmol/(s.m3)。若塔径为若塔径为1m ，实际液气比是最小液气比实际液气比是最小液气比的的1.2倍，求所需塔高为多少？倍，求所需塔高为多少？解：解：填料层高度的计算：填料层高度的计算：求求NOG方法方法1：方法方法2：例例2：解吸塔设计型计算：解吸塔设计型计算用用煤油从空气与苯蒸汽的混合气中吸收苯。所得吸收液在解吸塔中煤油从空气与苯蒸汽的混合气中
8、吸收苯。所得吸收液在解吸塔中用过热水蒸汽进行解吸，待解吸的液体中含苯用过热水蒸汽进行解吸，待解吸的液体中含苯0.05（摩尔分率，下（摩尔分率，下同），要求解吸后液体中苯的浓度不超过同），要求解吸后液体中苯的浓度不超过0.005 ，在解吸操作条件，在解吸操作条件下，平衡关系为下，平衡关系为y=1.25x ，塔内液体流量为塔内液体流量为0.03kmol/(m2.s) ,填料填料的体积传质系数为的体积传质系数为Kya=0.01kmol/(m3.s) 。过热蒸汽的用量为最小过热蒸汽的用量为最小用量的用量的1.2 倍。试求倍。试求： （1）过热蒸汽的用量；（）过热蒸汽的用量；（2）所需填料层的）所需填料
9、层的高度高度解：解：分析分析 HOG HOL NOG NOL 的关系：的关系：例例1：用纯溶剂对低浓度气体作逆流吸收，可溶组分的回收率为：用纯溶剂对低浓度气体作逆流吸收，可溶组分的回收率为 ，操作采用的液气比是最小液气比的操作采用的液气比是最小液气比的倍。物系平衡关系服从亨利定倍。物系平衡关系服从亨利定律。试以律。试以、 两个参数列出计算两个参数列出计算NOG的表达式。的表达式。解：解：综合例题综合例题例例2：水水用清水吸收混合气中的用清水吸收混合气中的SO2 ，气体经两塔后总的回收率为气体经两塔后总的回收率为0.91 ，两，两塔的用水量相等，且均为最小用水量的塔的用水量相等，且均为最小用水量
10、的1.43倍，两塔的传质单元高倍，两塔的传质单元高度均为度均为1.2m 。在操作范围内物系的平衡关系服从亨利定律，试求两在操作范围内物系的平衡关系服从亨利定律，试求两塔的塔高。塔的塔高。解：解：例例2：HETP-分离作用等同于一块理论板的实际填料层的高度。分离作用等同于一块理论板的实际填料层的高度。若应用板式塔进行吸收，根据塔板效率，由理论塔板数换算到实际若应用板式塔进行吸收，根据塔板效率，由理论塔板数换算到实际塔板数。塔板数。Np 为达到同样分离效果所需要的实际塔板数。为达到同样分离效果所需要的实际塔板数。理论塔板数理论塔板数N与传质单元数与传质单元数NOG之间的关之间的关系：系： 吸收操作
11、的调节吸收操作的调节调节的目的：增大吸收率调节的目的：增大吸收率调节的方法：改变吸收剂的入口条件，包括：流量调节的方法：改变吸收剂的入口条件，包括：流量L 、浓度浓度x2 、温度温度t 三方面。三方面。（1）流量）流量L的调节的调节流量流量L的调节作用是有限的。的调节作用是有限的。分析最大吸收率的问题分析最大吸收率的问题（2）x2的调节的调节x2的调节主要受解吸过程的限制。的调节主要受解吸过程的限制。（3）温度）温度t的调节的调节温度温度t受到冷却器换热能力的限制受到冷却器换热能力的限制和冷却剂用量的限制。和冷却剂用量的限制。例例 1：气体处理量的变化对吸收操作的影响：气体处理量的变化对吸收操
12、作的影响 某吸收塔在某吸收塔在101.3kPa ,293K下用清水逆流吸收丙酮下用清水逆流吸收丙酮-空气混合物空气混合物中的丙酮，当操作液气比为中的丙酮，当操作液气比为2.1时，丙酮回收率可达时，丙酮回收率可达95% 。已知物。已知物系在低含量下的平衡关系为系在低含量下的平衡关系为y=1.18x ,操作范围内总传质系数操作范围内总传质系数Kya近近似与气体流率的似与气体流率的0.8次方成正比。今气体流率增加次方成正比。今气体流率增加20% ，而液量及，而液量及气液进口浓度不变，试求：气液进口浓度不变，试求：1、丙酮的回收率有何变化？、丙酮的回收率有何变化？2、单位时间内被吸收的丙酮量增加多少？
13、、单位时间内被吸收的丙酮量增加多少？3、吸收塔的平均推动力有何变化？、吸收塔的平均推动力有何变化？解：解：原工况下：原工况下：利用填料层高度不变这一特点。利用填料层高度不变这一特点。新工况：新工况：解之：解之： 得得结论：气相传质控制时，适当增加气体的流量（增加设备的生产能力），尽管结论：气相传质控制时，适当增加气体的流量（增加设备的生产能力），尽管吸收率有所减小，但是吸收的绝对量增加（由于传质速率增加所致），有着实吸收率有所减小，但是吸收的绝对量增加（由于传质速率增加所致），有着实际意义。际意义。例例2：填料容积传质系数的计算：填料容积传质系数的计算 在高度为在高度为6m的填料塔内用纯溶剂吸
14、收某混合气体中的可溶组分。的填料塔内用纯溶剂吸收某混合气体中的可溶组分。在操作条件下相平衡常数为在操作条件下相平衡常数为0.5 ，L/G=0.8 ，回收率为回收率为90% 。现改。现改换另一种填料，装填高度仍为换另一种填料，装填高度仍为6m 。在相同操作条件下，经测定回在相同操作条件下，经测定回收率提高到收率提高到95% 。试计算新填料的体积传质系数。试计算新填料的体积传质系数Kya是原填料体积是原填料体积传质系数的多少倍？传质系数的多少倍？解：解：例例3：第：第1类操作型问题的计算类操作型问题的计算某填料吸收塔用含溶质某填料吸收塔用含溶质x2=0.0002的溶剂逆流吸收混合气中的可溶组分，采
15、用的液的溶剂逆流吸收混合气中的可溶组分，采用的液气比为气比为3 ，入塔气体中可溶组分的摩尔分率，入塔气体中可溶组分的摩尔分率y1=0.01 ，回收率为回收率为90% 。已知操作。已知操作条件下物系的相平衡关系为条件下物系的相平衡关系为y=2x 。现因解吸操作不良，使吸收剂入塔的浓度现因解吸操作不良，使吸收剂入塔的浓度x2升到了升到了0.00035 , 试求：试求： （1）回收率变为多少？（）回收率变为多少？（2）塔底流出液的浓度）塔底流出液的浓度x1变为变为多少？多少？解：解：填料不变，气相流率、液相流率不变，填料不变，气相流率、液相流率不变，HOG不变，所以不变，所以NOG不变，即不变，即物
16、料衡算物料衡算例例4：操作型问题的计算：操作型问题的计算 在在15oC 、101.3kPa下用下用大量的硫酸大量的硫酸逆流吸收空气中的水汽。入塔空气中含水汽逆流吸收空气中的水汽。入塔空气中含水汽的摩尔分数为的摩尔分数为0.0145 ，硫酸进、出塔的浓度（摩尔，硫酸进、出塔的浓度（摩尔%）均为）均为80% ，这种浓度的硫，这种浓度的硫酸溶液液面上所产生的平衡水汽的摩尔分数为酸溶液液面上所产生的平衡水汽的摩尔分数为ye=1.0510-4 。已知该塔的容积传已知该塔的容积传质系数质系数Kya与气相流量的与气相流量的0.8次方成正比次方成正比 。空气通过该塔被干燥至含水汽摩尔分数。空气通过该塔被干燥至
17、含水汽摩尔分数0.000322 。现将空气的流量增加一倍，则出塔空气中的水汽含量变为多少？。现将空气的流量增加一倍，则出塔空气中的水汽含量变为多少？解：解：原原工况工况求出求出新新工况工况实际吸收水汽量的变化实际吸收水汽量的变化结论：气相传质控制时，适当增加气体的流量（增加设备的生产能力），尽管结论：气相传质控制时，适当增加气体的流量（增加设备的生产能力），尽管吸收率有所减小，但是吸收的绝对量增加（由于传质速率增加所致），有着实吸收率有所减小，但是吸收的绝对量增加（由于传质速率增加所致），有着实际意义。际意义。例例5：第：第2类操作型问题的计算类操作型问题的计算 在填料层高为在填料层高为 6m
18、 的塔内用洗油吸收煤气中的苯蒸气。混合气流的塔内用洗油吸收煤气中的苯蒸气。混合气流速为速为200kmol/(m2 h),其初始苯体积含量为其初始苯体积含量为2% ，入口洗油中不含苯，入口洗油中不含苯，流量为流量为40kmol/(m2 h) 。操作条件下相平衡关系为操作条件下相平衡关系为y=0.13x ，体积传体积传质系数质系数 Kya 近似与液量无关，值为近似与液量无关，值为 0.05 kmol/(m3. s) 。若希望苯的若希望苯的吸收率不低于吸收率不低于95% ，问：，问：（1）能否满足要求？）能否满足要求？（2）若保证回收率达到）若保证回收率达到95% ，所需洗油量为多少？，所需洗油量为
19、多少？（3）若因故洗油中苯的初始含量变为）若因故洗油中苯的初始含量变为 2.5% （摩尔（摩尔%），仍保证回收率达到，仍保证回收率达到95% ，则所需洗油量变为多少？，则所需洗油量变为多少？解解： （1）（2）增加增加L不变不变在塔内在塔内 H=6m ,达到达到 95% 回收率所需的传质单元数回收率所需的传质单元数试差迭代解得：试差迭代解得：（3）则则S减小减小 ,由由S计算出计算出L （L将增加）。将增加）。 例例6：一填料塔，内装二段填料，每段的高度均为：一填料塔，内装二段填料，每段的高度均为 5.5m ,处理二股处理二股溶质浓度不同的混合气体，其摩尔流率皆为溶质浓度不同的混合气体，其摩尔
20、流率皆为 0.02kmol/(m2. s) ，初初始浓度分别为始浓度分别为5% 和和 1% (v%) ，吸收剂不含溶质，其摩尔流速为吸收剂不含溶质，其摩尔流速为 0.04kmol/(m2. S) 。已知操作条件下相平衡关系为已知操作条件下相平衡关系为 y=0.8x ，吸收过程的吸收过程的 Kya=0.32G0.7 kmol/(m3. s) ，（，（G 的单位为的单位为 kmol/(m2. s) ）。）。若要求若要求出塔气体浓度小于出塔气体浓度小于0.1% , 问：问：（1）较稀的气体由塔中部（二段填较稀的气体由塔中部（二段填料中间）进入，能否满足要求？（料中间）进入，能否满足要求？（2）若二股
21、气体事先混合后，再）若二股气体事先混合后，再由塔底进入塔内，则结果又如何？由塔底进入塔内，则结果又如何？解：解：先设能够满足分离要求，气体出口浓先设能够满足分离要求，气体出口浓度度 ya=0.001自塔自塔2段计算起，仍根据填料层高度段计算起，仍根据填料层高度是否够用为判断依据。是否够用为判断依据。塔的塔的 1段段塔顶出口浓度可以达到塔顶出口浓度可以达到（2）若二股气体事先混合好由塔底进入）若二股气体事先混合好由塔底进入即，塔顶气体出口浓度即，塔顶气体出口浓度结论：组成不同的物料之间的混合对吸收是不利的。结论：组成不同的物料之间的混合对吸收是不利的。在实际生产中，采取塔中间某处进料时，应使得进
22、料处的塔内气体在实际生产中，采取塔中间某处进料时，应使得进料处的塔内气体组成等于此股气体的组成。这样分离效果最好，或达到预定分离要组成等于此股气体的组成。这样分离效果最好，或达到预定分离要求，所需的填料层高度最小。求，所需的填料层高度最小。 例例1：一填料吸收塔吸收某低浓度混合气体中可溶组分，现因故：一填料吸收塔吸收某低浓度混合气体中可溶组分，现因故x2升高了，保持其他操作条件不变，则升高了，保持其他操作条件不变，则y2 x1将如何变化？将如何变化？采用近似分析法：采用近似分析法：例例2：在一填料塔中用清水吸收空气：在一填料塔中用清水吸收空气-氨混合气中的低浓度氨，若氨混合气中的低浓度氨，若L
23、加大，其余操作条件不变，则加大，其余操作条件不变，则 y2 x1 将如何变化？将如何变化？采用近似分析法：采用近似分析法：定性分析题定性分析题例例3：在一填料塔中处理低浓度气体混合物，若：在一填料塔中处理低浓度气体混合物，若G加大，其余操作条加大，其余操作条件不变，则件不变，则 y2 x1 将如何变化？将如何变化？采用近似分析法：采用近似分析法：例例4：在一填料塔中处理低浓度气体混合物，若：在一填料塔中处理低浓度气体混合物，若G加大，但要求吸收加大，但要求吸收率不下降，有人说只要按比例增大率不下降，有人说只要按比例增大L（即保持即保持L/G不变）就能达到目不变）就能达到目的，这是否可行？的，这
24、是否可行？解：解：例例5：解吸填料塔操作中，如液体进口浓度：解吸填料塔操作中，如液体进口浓度 x1 增加，而其余操作条增加，而其余操作条件不变，假设气液均在低浓区，试分析件不变，假设气液均在低浓区，试分析 气液出口组成气液出口组成 y1 x2 的变化的变化情况。情况。解解吸吸塔塔采用近似分析法：采用近似分析法：再分析再分析 x2例例6 ：吸吸收收塔塔解解吸吸塔塔采用近似分析法：采用近似分析法：解吸：解吸：吸收：吸收：对比易对比易混淆的混淆的公式：公式：例：填料塔塔径和压降的计算：用水洗涤混合气中的例：填料塔塔径和压降的计算：用水洗涤混合气中的SO2 。需要处理的气体量为需要处理的气体量为100
25、0m3/h ，实际用水量为实际用水量为27155lg/h 。已知气体的密度已知气体的密度G=1.34kg/m3 ，液相密度液相密度与水相同，与水相同， L=1000kg/m3 。操作压强为操作压强为101.325kPa ，温度为温度为20oC ，试求填料试求填料（乱堆填料）吸收塔的塔径。（乱堆填料）吸收塔的塔径。解：解： （1）计算泛点气速）计算泛点气速（2）计算塔径）计算塔径根据压力容器公称直径标准，圆整为根据压力容器公称直径标准，圆整为DT=0.8m(Lw) min=0.08 m3/(m.h)填料的比表面积填料的比表面积at=190泛泛点点线线操作条件下，塔内实际的喷淋密度为操作条件下，塔
26、内实际的喷淋密度为（3）改选其他填料再计算塔径）改选其他填料再计算塔径应应权衡塔体费用和填料费用，使总费用最少。权衡塔体费用和填料费用，使总费用最少。（4）压降计算）压降计算应用拉西环时：应用拉西环时：应用鲍尔环时：应用鲍尔环时：填料塔填料塔(packed tower)packed tower)与板式塔与板式塔(tray tower)的比较：的比较：1、填料塔操作范围小，特别是对于液体负荷的变化更为敏感。填料塔操作范围小，特别是对于液体负荷的变化更为敏感。2、填料塔不宜处理易聚合或含有固体悬浮物的物料。填料塔不宜处理易聚合或含有固体悬浮物的物料。3、当气液接触过程中需要换热时；或需要有侧线出料
27、、进料时，当气液接触过程中需要换热时；或需要有侧线出料、进料时， 不宜采用填料塔。不宜采用填料塔。4、乱堆填料塔直径一般认为不宜超过乱堆填料塔直径一般认为不宜超过1.5m ，而板式塔直径一般不而板式塔直径一般不 小于小于0.6m 。5、板式塔的设计比较准确，安全系数可取得更小。板式塔的设计比较准确，安全系数可取得更小。6、填料塔造价便宜。填料塔造价便宜。7、填料对泡沫填料对泡沫(froth)有限制和破碎的作用，对易起泡物系填料塔有限制和破碎的作用，对易起泡物系填料塔 更适合更适合8、对腐蚀性物系，填料塔更适合。对腐蚀性物系，填料塔更适合。9、对热敏性物系，填料塔更适合，因塔内滞液量比板式塔少。对热敏性物系，填料塔更适合，因塔内滞液量比板式塔少。10、填料塔的压降比板式塔小，因而对真空操作更为适宜。填料塔的压降比板式塔小，因而对真空操作更为适宜。
