化工原理第二版下册答案(柴诚敬主编)

第七章 传质与分离过程概论1.在吸收塔中用水吸收混于空气中的氨。已知入塔混合气中氨含量为5.5%（质量分数，下同），吸收后出塔气体中氨含量为0.2%，试计算进、出塔气体中氨的摩尔比、。解：先计算进、出塔气体中氨的摩尔分数和。 进、出塔气体中氨的摩尔比、为 由计算可知，当混合物中某组分的摩尔分数很小时，摩尔比近似等于摩尔分数。2. 试证明由组分A和B组成的双组分混合物系统，下列关系式成立： （1） （2） 解：（1） 由于 故 （2） 故 3. 在直径为0.012 m、长度为0.35 m的圆管中，CO气体通过N2进行稳态分子扩散。管内N2的温度为373 K，总压为101.3 kPa，管两端CO的分压分别为70.0 kPa和7.0 kPa，试计算CO的扩散通量。解：设 ACO； BN2 查附录一得 4. 在总压为101.3 kPa，温度为273 K下，组分A自气相主体通过厚度为0.015 m的气膜扩散到催化剂表面，发生瞬态化学反应。生成的气体B离开催化剂表面通过气膜向气相主体扩散。已知气膜的气相主体一侧组分A的分压为22.5 kPa，组分A在组分B中的扩散系数为1.85×10-5 m2/s。试计算组分A和组分B的传质通量和。 解：由化学计量式 可得代入式（7-25），得分离变量，并积分得 5. 在温度为278 K的条件下，令某有机溶剂与氨水接触，该有机溶剂与水不互溶。氨自水相向有机相扩散。在两相界面处，水相中的氨维持平衡组成，其值为0.022（摩尔分数，下同），该处溶液的密度为998.2 kg/m3；在离界面5 mm的水相中，氨的组成为0.085，该处溶液的密度为997.0 kg/m3。278 K时氨在水中的扩散系数为1.24×109 m2/s。试计算稳态扩散下氨的传质通量。 解：设 ANH3；BH2O离界面5 mm处为点1、两相界面处为点2，则氨的摩尔分数为，点1、点2处溶液的平均摩尔质量为溶液的平均总物质的量浓度为 故氨的摩尔通量为 6. 试用式（7-41）估算在105.5 kPa、288 K条件下，氢气（A）在甲烷（B）中的扩散系数。解：查表7-1，得 cm3/mol查表7-2，计算出由式7-41 7. 试采用式（7-43）估算在293 时二氧化硫（A）在水（B）中的扩散系数。解：查得293 K时水的黏度为查表7-3，得 查表7-4，得 cm3/mol 由式（7-43） 8. 有一厚度为8 mm、长度为800 mm的萘板。在萘板的上层表面上有大量的45 的常压空气沿水平方向吹过。在45 下，萘的饱和蒸汽压为73.9 Pa，固体萘的密度为1 152 kg/m3，由有关公式计算得空气与萘板间的对流传质系数为0.016 5 m/s。 试计算萘板厚度减薄5所需要的时间。解：由式（7-45）计算萘的传质通量，即 式中为空气主体中萘的浓度，因空气流量很大，故可认为；为萘板表面处气相中萘的饱和浓度，可通过萘的饱和蒸气压计算，即 kmol / m3 设萘板表面积为S，由于扩散所减薄的厚度为b，物料衡算可得第8章 2. 在温度为25 及总压为101.3 kPa的条件下，使含二氧化碳为3.0%（体积分数）的混合空气与含二氧化碳为350 g/m3的水溶液接触。试判断二氧化碳的传递方向，并计算以二氧化碳的分压表示的总传质推动力。已知操作条件下，亨利系数kPa，水溶液的密度为997.8 kg/m3。解：水溶液中CO2的浓度为对于稀水溶液，总浓度为 kmol/m3水溶液中CO2的摩尔分数为 由 kPa气相中CO2的分压为 kPa < 故CO2必由液相传递到气相，进行解吸。 以CO2的分压表示的总传质推动力为 kPa3. 在总压为110.5 kPa的条件下，采用填料塔用清水逆流吸收混于空气中的氨气。测得在塔的某一截面上，氨的气、液相组成分别为、。气膜吸收系数kG=5.2×10-6 kmol/(m2·s·kPa)，液膜吸收系数kL=1.55×10-4 m/s。假设操作条件下平衡关系服从亨利定律，溶解度系数H0.725 kmol/(m3·kPa)。 （1）试计算以、表示的总推动力和相应的总吸收系数； （2）试分析该过程的控制因素。解：(1) 以气相分压差表示的总推动力为 kPa 其对应的总吸收系数为 kmol/(m2·s·kPa) 以液相组成差表示的总推动力为 其对应的总吸收系数为 （2）吸收过程的控制因素气膜阻力占总阻力的百分数为气膜阻力占总阻力的绝大部分，故该吸收过程为气膜控制。4. 在某填料塔中用清水逆流吸收混于空气中的甲醇蒸汽。操作压力为105.0 kPa，操作温度为25 。在操作条件下平衡关系符合亨利定律，甲醇在水中的溶解度系数为2.126kmol/(m3·kPa)。测得塔内某截面处甲醇的气相分压为7.5 kPa，液相组成为2.85 kmol/m3，液膜吸收系数kL=2.12×10-5 m/s，气相总吸收系数KG1.206×10-5 kmol/(m2·s·kPa)。求该截面处（1）膜吸收系数kG、kx及ky；（2）总吸收系数KL、KX及KY；（3）吸收速率。解：(1) 以纯水的密度代替稀甲醇水溶液的密度，25 时水的密度为 kg/m3溶液的总浓度为kmol/m3 （2）由m/s 因溶质组成很低，故有 （3）吸收速率为 5. 在101.3 kPa及25 的条件下，用清水在填料塔中逆流吸收某混合气中的二氧化硫。已知混合气进塔和出塔的组成分别为y1=0.04、y2=0.002。假设操作条件下平衡关系服从亨利定律，亨利系数为4.13×103 kPa，吸收剂用量为最小用量的1.45倍。（1） 试计算吸收液的组成； （2） 若操作压力提高到1013 kPa而其他条件不变，再求吸收液的组成。 解：（1） 吸收剂为清水，所以 所以操作时的液气比为 吸收液的组成为 （2） 6. 在一直径为0.8 m的填料塔内，用清水吸收某工业废气中所含的二氧化硫气体。已知混合气的流量为45 kmol/h，二氧化硫的体积分数为0.032。操作条件下气液平衡关系为，气相总体积吸收系数为0.056 2 kmol/(m3·s)。若吸收液中二氧化硫的摩尔比为饱和摩尔比的76%，要求回收率为98%。求水的用量（kg/h）及所需的填料层高度。解： 惰性气体的流量为水的用量为 求填料层高度 7. 某填料吸收塔内装有5 m高，比表面积为221 m2/m3的金属阶梯环填料，在该填料塔中，用清水逆流吸收某混合气体中的溶质组分。已知混合气的流量为50 kmol/h，溶质的含量为5（体积分数）；进塔清水流量为200 kmol/h，其用量为最小用量的1.6倍；操作条件下的气液平衡关系为；气相总吸收系数为；填料的有效比表面积近似取为填料比表面积的90。试计算（1）填料塔的吸收率；（2）填料塔的直径。解：（1）惰性气体的流量为对于纯溶剂吸收 依题意（2） 由 填料塔的直径为8. 在101.3 kPa及20 的条件下，用清水在填料塔内逆流吸收混于空气中的氨气。已知混合气的质量流速G为600 kg/(m2·h)，气相进、出塔的摩尔分数分别为0.05、0.000526，水的质量流速W为800 kg/(m2·h)，填料层高度为3 m。已知操作条件下平衡关系为Y= 0.9 X，KGa正比于G 0.8而于W无关。若（1）操作压力提高一倍；（2）气体流速增加一倍；(3) 液体流速增加一倍，试分别计算填料层高度应如何变化，才能保持尾气组成不变。解：首先计算操作条件变化前的传质单元高度和传质单元数 操作条件下，混合气的平均摩尔质量为 m （1） 若气相出塔组成不变，则液相出塔组成也不变。所以 m m m 即所需填料层高度比原来减少1.801m。 （2） 若保持气相出塔组成不变，则液相出塔组成要加倍，即 故 m m m 即所需填料层高度要比原来增加4.910 m。 （3） W对KGa无影响，即对KGa无影响，所以传质单元高度不变，即 m 即所需填料层高度比原来减少0.609 m。9. 某制药厂现有一直径为1.2 m，填料层高度为3 m的吸收塔，用纯溶剂吸收某气体混合物中的溶质组分。入塔混合气的流量为40 kmol/h，溶质的含量为0.06（摩尔分数）；要求溶质的回收率不低于95%；操作条件下气液平衡关系为Y = 2.2X ；溶剂用量为最小用量的1.5倍；气相总吸收系数为0.35 kmol/ (m2·h