1、1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 、 。1Y2解：先计算进、出塔气体中氨的摩尔分数 和 。1y212.5/170.93.0942./.4.8y进、出塔气体中氨的摩 尔 比 、 为1Y210.93.Y2.4.0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
2、组 成 的 双 组 分 混 合 物 系 统 ， 下 列 关 系 式 成 立 ：（ 1） 2)(ddMxxw（ 2） 2A)(BABw解 ： （ 1） Mxw BA)1(Mxx2)BA)(Adxxx 2)BA(x由 于 1B故 2)BA(ddMxw（ 2） BAwx2)()(dBAB11MwMwx 2)(BA1()Mw2)(B12故 2)(dAdBAMwx3. 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
3、 的扩散通量。解 ： 设 A CO； B N2查 附 录 一 得 s1038.24D31.kPa71B1 p原 9.A222.53.14ln9lB1 Mpsmkol10273.smkol7.0-12.573.08.314 2624A2A RTzPDN4. 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BA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 1.8510-5 m2/s。试计算组分 A
4、 和组分 B 的传质通量 和 。 NB解 ： 由 化 学 计 量 式 3可 得 A3NBA2代 入 式 （ 7-25） ， 得 AAdNpzRTNycD原分 离 变 量 ， 并 积 分 得 原原pzDA1AB2ln215 252.80.30.2.5l kmol/(s)1.0 kmol/(s)347 52BA31.2kmol/(s) 3.610l/() N 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
5、 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1.24109 m2/s。 试 计 算 稳 态 扩 散 下 氨 的 传 质 通 量 。解 ： 设 A NH3； B H2O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，8.1x0.Ax915.872.B23946.015.78ln.9.0lB12 BMx点 1、 点
6、2 处 溶 液 的 平 均 摩 尔 质 量 为kmolg2.7kolg9.085.981872 溶 液 的 平 均 总 物 质 的 量 浓 度 为33kol/58.kol/.792.1021 原原原原原 Mc故 氨 的 摩 尔 通 量 为 )(A21BAxczDNx原2 29 71.2405.7(0.85.)kmol/(s)9.10kmol/(s)6 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 。ABD解 ： 查 表 7-1， 得cm3/mol.Av查 表 7-2， 计 算 出
7、33B(16.5984)c/l24.cm/olv由式 7-41 23/1B3/1A75.)()(0.vpMTD原s2m51024.6sm)42.07.(5168. 3/13/1/5. 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 。ABD解 ： 查 得 293 K 时 水 的 黏 度 为sPa105.B查 表 7-3， 得 .6查 表 7-4， 得 cm3/mol bA.8V由式（7 -43） 0.6bAB15B2/)(0. VTMD/sm1058./sm8.415.29386.7 22960/1 8. 有 一 厚 度 为 8 mm、 长 度
8、 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4 AbiLAckN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bc 0Abci处气相中萘的饱和浓度，可通过萘的饱和蒸气压计算，
9、即 kmol / m3 3Ai 5i73.9kmol/2.7910814pRT2 2LiAb 7()0.65()(s)4.610kol/(ms)Nkc 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bM2.8hs1086.7s1206.4837A1 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
10、， 亨 利 系 数 kPa， 水 溶 液 的 密 度 为 997.8 kg/m3。5106.E解：水溶液中 CO2 的浓度为 33/ol/.8ol/4c对于稀水溶液，总浓度为kmol/m33t97.8kml/5.41水溶液中 CO2 的摩尔分数为 4t0.10cx由 kPa5*63kPa23.954pE气相中 CO2 的分压为kPa t10.0y*p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kPa*(23.954.)kPa2.915p3. 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
11、。 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=5.210-6 kmol/(m2skPa)， 液 膜吸收系0.y3.06oml/c数 kL=1.5510-4 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/(m 3kPa)。（1）试计算以 、 表示的总推动力和相应的总吸收系数； p（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kPat 1.06*(10.532)kPa2.775cyH5其对应的总吸收系数为246GLG111( )(mskPa)/ol0.725.0
12、5.KHk32 52(8.9)(sPa/kol.0(s)/kmlkmol/(m2skPa)64以液相组成差表示的总推动力为33*(10.53.751.6)l/1.04ol/cpc其对应的总吸收系数为m/s08./s102.5.1 664GL kHK（2）吸收过程的控制因素气膜阻力占总阻力的百分数为 %58.9102.5974/16GkK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
13、度 系 数 为 2.126kmol/(m3kPa)。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=2.1210-5 m/s，气相总吸收系数 KG1.20610 -5 kmol/(m2skPa)。求该截面处（1）膜吸收系数 kG、k x 及ky；（2）总吸收系数 KL、K X 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，2 5 时 水 的 密 度 为kg/m30.97溶液的总浓度为kmol/m33t.kmol/5.918c232xtL.210kol/(ms)1.740kol/(ms) 原 255G( Pa)
14、 .6.kKH4273(sa)/ l51.40kolP5232ytG.10l/(1.790kol/(s)kp （ 2） 由 m/s6L 3.s26. HK248.10.5.97SMpm总233yx1()(s/kol7.9610(s)/kmol1.2.k32.60ol(msK3242xy.48.60l/().l/() 6因 溶 质 组 成 很 低 ， 故 有 6242XtL5.39710kmol/(s)3.10kmol/(s)Kc 5 3YtG1026p（ 3） 吸 收 速 率 为 6 2AL*.7.85l/(s)N521.0kol/(s)5. 在 101.3 kPa 及 25 的 条 件 下
15、， 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、y 2=0.002。假设操作条件下平衡关系服从亨利定律，亨利系数为 4.13103 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） 10.4.17yY2.23t4.10.7Emp吸收剂为清水，所以 2Xn,L1,V2mi .410.238.1/7/qY所以操作时的液气比为n,Ln,L,V,Vmi1.451.4538.6.2q吸收液的组
16、成为 n, 4112,L 0.17.07.5156.XYX（2） 3t4.0Epn,L12,Vmi .4170.23.81/qYXn,Ln,L,V,Vmi.45.5.6qqn, 3112,L10.47.207.51.XYX6. 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 4.YXkm
17、ol/(m3s)。 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。7解： 10.32.1yY21A098.624.*.534Xm4110.7617.0惰性气 体 的 流 量 为n,V5(.2)kol/h43.6kmol/hq水的用量为n,12 3,L 4.50.1.2l/1.980kmol/h79YX 3m,.98kg/h.8kg/hq求填料层高度m429.0.75.062./42YVn,OGaKH11*317522.61m2920930.75lnlnY.193.6m1O
18、G Nm7407HZ7. 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2.7YX； 填 料 的 有 效 比 表 面 积 近 似 取 为
19、填 料 比 表 面 积 的 90 。 试 计 算 （1）填料塔的吸收率；（2）42310l/(s)填料塔的直径。解：（1）惰性气 体 的 流 量 为n,V5(10.)kol/h47.5kol/hq对于纯溶剂吸收n,L12A,Vmi/YqX依题意 n,L,Vmi02.6347.51n,L,inA(/).95.1%q8（2） 10.5.26yY21A.10.957.26012.0.2421Ln,V1 XYqX11*0.56.701.9622283.026.9lnln21mY.83.5m1OG N79.026.OGZH由 aKqYVn,224OGn, m7.098.021336/5.7H填料塔的直径
20、为 5.m 4.04D8. 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/(m2h)，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/(m2h)， 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
21、高度和传质单元数10.5.26yY2.0.5y操作条件下，混合气的平均摩尔质量为i.17.29kg/mol28.4kg/olMxn,V60.5 kmol/(h)0.7(h)28.4q9n,L22801 kmol/(h)4. kol/(mh)q n,VL0.927.406mqSn,V112L*0.6.50.6.21qYXY11.5.3122*060526Y1OG2.lnln.890.4NSmOG30.56.89ZH（1） tt2ptEmt2pn,VL0.46.3qS若气相出塔组成不变，则液相出塔组成也不变。所以*11.52.10.42Y206561OG2.lnln.9.302NS,V,YGqHK
22、ap总mn,OOG.450.2182总m0.18.9ZNm(3).即所需填料层高度比原来减少 1.801m。（2） n,V,q10n,V20.46.812mqSSL若保持气相出塔组成不变，则液相出塔组成要加倍，即1X故 *111120.526.80.56.0.13YmXYS*21OG2.lnln5.82.NSY,V,V0.n,0.8GnqqHKaPm0.2n, 0.2OGOV435.m.1.87910ZN m(79)即所需填料层高度要比原来增加 4.910 m。（3） n,Ln,2q,Vn0.46.23mS*1OG21lYNS0.56ln.3.2035.4970. W 对 KGa 无影响，即
23、对 KGa 无影响，所以传质单元高度不变，即,LqmO.45H3.972.31ZN(2.1)06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/ (m2h)。 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）出塔的液相组成；（2）所用填料的总比表面积和等板高度。解：（1） 1.6.38y2A0.1950.1Y惰性气 体 的 流 量 为
