环境工程原理习题集060813-完整答案.doc
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1、第八章 吸收8.1在30,常压条件下,用吸收塔清水逆流吸收空气SO2混合气体中的SO2,已知气液相平衡关系式为,入塔混合气中SO2摩尔分数为0。05,出塔混合气SO2摩尔分数为0.002,出塔吸收液中每100 g含有SO2 0。356 g,试分别计算塔顶和塔底处的传质推动力,用、表示。解:(1)塔顶出塔SO2的摩尔分数为,入塔吸收液中SO2的摩尔分数为所以与出塔气相平衡的吸收液摩尔分数为与入塔吸收液平衡的气相摩尔分数为所以kPa忽略吸收液中溶解的SO2,则摩尔浓度可计算为mol/Lmol/L(2)塔底入塔SO2的摩尔分数为,出塔吸收液中SO2的摩尔分数为所以与入塔气相平衡的吸收液摩尔分数为与出
2、塔吸收液平衡的气相摩尔分数为所以kPamol/L8。2吸收塔内某截面处气相组成为,液相组成为,两相的平衡关系为,如果两相的传质系数分别为kmol/(m2s),kmol/(m2s),试求该截面上传质总推动力、总阻力、气液两相的阻力和传质速率。解:与气相组成平衡的液相摩尔分数为所以,以气相摩尔分数差表示的总传质推动力为同理,与液相组成平衡的气相摩尔分数差为所以,以液相摩尔分数差表示的总传质推动力为以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数为 kmol/(m2s)以气相摩尔分数差为推动力的总传质系数为 kmol/(m2s)传质速率 kmol/(m2s)或者 kmol/(m2s)以液相摩尔分数差为推动力的总
3、传质系数分析传质阻力总传质阻力 (m2s)/kmol其中液相传质阻力为(m2s)/kmol占总阻力的66.7气膜传质阻力为(m2s)/kmol占总阻力的33.38。3用吸收塔吸收废气中的SO2,条件为常压,30,相平衡常数为,在塔内某一截面上,气相中SO2分压为4.1kPa,液相中SO2浓度为0。05kmol/m3,气相传质系数为kmol/(m2hkPa),液相传质系数为m/h,吸收液密度近似水的密度。试求:(1)截面上气液相界面上的浓度和分压;(2)总传质系数、传质推动力和传质速率。解:(1)设气液相界面上的压力为,浓度为忽略SO2的溶解,吸收液的摩尔浓度为kmol/m3溶解度系数 kmol
4、/(kPam3)在相界面上,气液两相平衡,所以又因为稳态传质过程,气液两相传质速率相等,所以所以由以上两个方程,可以求得kPa,kmol/m3(2)总气相传质系数 kmol/(m2hkPa)总液相传质系数m/h与水溶液平衡的气相平衡分压为kPa所以用分压差表示的总传质推动力为kPa与气相组成平衡的溶液平衡浓度为kmol/m3用浓度差表示的总传质推动力为kmol/m3传质速率 kmol/(m2h)或者kmol/(m2h)8.4 101。3kPa操作压力下,在某吸收截面上,含氨0.03摩尔分数的气体与氨浓度为1kmol/m3的溶液发生吸收过程,已知气膜传质分系数为 kmol/(m2skPa),液膜
5、传质分系数为m/s,操作条件下的溶解度系数为 kmol/(m2kPa),试计算:(1)界面上两相的组成;(2)以分压差和摩尔浓度差表示的总传质推动力、总传质系数和传质速率;(3)分析传质阻力,判断是否适合采取化学吸收,如果采用酸溶液吸收,传质速率提高多少。假设发生瞬时不可逆反应。解:(1)设气液相界面上的压力为,浓度为因为相界面上,气液平衡,所以,气相中氨气的分压为kPa稳态传质条件下,气液两相传质速率相等,所以根据上面两个方程,求得kPa,kmol/m3(2)与气相组成平衡的溶液平衡浓度为kmol/m3用浓度差表示的总传质推动力为kmol/m3与水溶液平衡的气相平衡分压为kPa所以用分压差表
6、示的总传质推动力为kPa总气相传质系数 kmol/(m2skPa)总液相传质系数m/s传质速率 kmol/(m2s)或者 kmol/(m2s)(3)以气相总传质系数为例进行传质阻力分析总传质阻力 (m2skPa)/kmol其中气膜传质阻力为(m2skPa)/kmol占总阻力的95.6%液膜传质阻力为(m2skPa)/kmol占总阻力的4。4所以这个过程是气膜控制的传质过程,不适合采用化学吸收法。如果采用酸液吸收氨气,并且假设发生瞬时不可逆反应,则可以忽略液膜传质阻力,只考虑气膜传质阻力,则kmol/(m2skPa),仅仅比原来的传质系数提高了4。6%,如果传质推动力不变的话,传质速率也只能提高
7、4。6。当然,采用酸溶液吸收也会提高传质推动力,但是传质推动力提高的幅度很有限。因此总的来说在气膜控制的吸收过程中,采用化学吸收是不合适的.8。5 利用吸收分离两组分气体混合物,操作总压为310kPa,气、液相分传质系数分别为kmol/(m2s)、kmol/(m2s),气、液两相平衡符合亨利定律,关系式为(p*的单位为kPa),计算:(1)总传质系数;(2)传质过程的阻力分析;(3)根据传质阻力分析,判断是否适合采取化学吸收,如果发生瞬时不可逆化学反应,传质速率会提高多少倍?解:(1)相平衡系数所以,以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数为kmol/(m2s)以气相摩尔分数差为推动力的总传质系数
8、为kmol/(m2s)(2)以液相摩尔分数差为推动力的总传质阻力为其中液膜传质阻力为,占总传质阻力的99.7气膜传质阻力为,占传质阻力的0。3%所以整个传质过程为液膜控制的传质过程。(3)因为传质过程为液膜控制,所以适合采用化学吸收。如题设条件,在化学吸收过程中,假如发生的是快速不可逆化学反应,并且假设扩散速率足够快,在相界面上即可完全反应,在这种情况下,可等同于忽略液膜阻力的物理吸收过程,此时kmol/(m2s)与原来相比增大了426倍8.6 已知常压下,20时,CO2在水中的亨利系数为1。44105kPa,并且已知以下两个反应的平衡常数 kmol/m3 kmol/m3若平衡状态下气相中的C
9、O2分压为10kPa,求水中溶解的CO2的浓度.(CO2在水中的一级离解常数为 kmol/m3,实际上包含了上述两个反应平衡,)解:首先求得液相中CO2的浓度由亨利定律忽略CO2的溶解,吸收液的摩尔浓度为 kmol/m3所以 kmol/m3由反应,得 kmol/m3由反应,得 kmol/m3所以水中溶解的CO2总浓度为 kmol/m38。7 在两个吸收塔a、b中用清水吸收某种气态污染物,气-液相平衡符合亨利定律.如下图所示,采用不同的流程,试定性地绘出各个流程相应的操作线和平衡线位置,并在图上标出流程图中各个浓度符号的位置。X2bY2bX1aX1bX2aY1aY2aY1babX2bY1bX1a
10、X1bX2aY1aY2aY2babX2bY2bX1aX1bY1aY2aY1babX2a图8-1 习题8.7图示解:X2b X1b XX2a X1a XYY1aY2a YY1bY2b(a)X2b X1b XX2a X1a XYY1aY2a YY2bY1b(b)X2b X1b XX2a X1a XYY1aY2a YY1bY2b(c)图82 习题8.7图中各流程的操作线和平衡线8.8 用吸收法除去有害气体,已知操作条件下相平衡关系为,混合气体初始含量为,吸收剂入塔浓度为,液气比为2。已知在逆流操作时,气体出口浓度为。如果操作条件不变,而改为并流操作,气体的出口含量是多少?逆流操作吸收的溶质是并流操作
11、的多少倍?假设总体积传质系数不变.解:逆流操作时,液体出口含量为平均传质推动力传质单元数为改为并流操作后,体积传质系数不变,所以传质单元高度不变,传质单元数也不变。联立并流操作的物料衡算和传质单元数计算式将数值代入以上两式,求得,逆流和并流操作所吸收的溶质量之比为8。9 在吸收塔中,用清水自上而下并流吸收混合废气中的氨气。已知气体流量为1000m3/h(标准状态),氨气的摩尔分数为0.01,塔内为常温常压,此条件下氨的相平衡关系为,求:(1)用5 m3/h的清水吸收,氨气的最高吸收率;(2)用10 m3/h的清水吸收,氨气的最高吸收率;(3)用5 m3/h的含氨0。5(质量分数)的水吸收,氨气
12、的最高吸收率。解:(1)气体的流量为mol/s液体的流量为mol/s假设吸收在塔底达到平衡则,所以所以最大吸收率为(2)气体的流量为mol/s液体的流量为mol/s假设吸收在塔底达到平衡则,所以所以最大吸收率为(3)吸收剂中氨的摩尔分数为假设吸收在塔底达到平衡则,所以所以最大吸收率为8.10 用一个吸收塔吸收混合气体中的气态污染物A,已知A在气液两相中的平衡关系为,气体入口浓度为,液体入口浓度为,(1)如果要求吸收率达到80%,求最小气液比;(2)溶质的最大吸收率可以达到多少,此时液体出口的最大浓度为多少?解:(1)气相入口摩尔比,液相入口摩尔比吸收率,所以,所以,最小液气比(2)假设吸收塔高
13、度为无穷大,求A的最大吸收率当液气比,操作线与平衡线重合,气液两相在塔顶和塔底都处于平衡状态.吸收率此时液相出口浓度当液气比,操作线与平衡线在塔顶点相交,即液相进口浓度与气相出口浓度平衡.吸收率此时液相出口浓度与相比,吸收率达到同样大小,但是液相出口浓度要低。当液气比,操作线与平衡线在塔底点相交,即液相出口浓度与气相进口浓度平衡.此时液相出口浓度吸收率与相比,液相出口浓度达到同样大小,但是吸收率要低.8。11 在逆流操作的吸收塔中,用清水吸收混合废气中的组分A,入塔气体溶质体积分数为0.01,已知操作条件下的相平衡关系为,吸收剂用量为最小用量的1。5倍,气相总传质单元高度为1.2m,要求吸收率
14、为80,求填料层的高度.解:已知传质单元高度,求得传质单元数,即可得到填料层高度。塔底:塔顶:,操作过程的液气比为吸收因子所以,传质单元数为 所以填料层高度为m8。12 在一个填料塔中用清水吸收空气中的某气态污染物,在其他条件不变的情况下,将吸收率从95%提高到98%,则吸收剂的用量增加多少倍?假设过程为气膜控制吸收过程,吸收因子为。解:吸收剂用量的增加,会带来液相吸收系数的变化,题意中气膜控制吸收过程用意在于可以忽略液相吸收系数的变化对总传质系数的影响,而认为总传质系数不变.在清水吸收的条件下,吸收塔高度不变,吸收因子,假设吸收剂用量增加n倍,则吸收因子也会增加n倍.其中S=1。779,,所
15、以 求得n=1。90所以吸收剂用量需要增加1.90倍.8。13 在填料层高度为5m的填料塔内,用清水吸收空气中的某气态污染物。液气比为1。0,吸收率为90%,操作条件下的相平衡关系为.如果改用另外一种填料,在相同的条件下,吸收率可以提高到95,试计算两种填料的气相总体积传质系数之比。解:吸收因子原填料下:气相总传质单元高度为:新填料下:气相总传质单元高度为:在其它条件不变的情况下,两种填料的气相总体积传质系数之比为96第九章 吸附9。1 25,101。3kPa下,甲醛气体被活性炭吸附的平衡数据如下:q/ g(气体)g(活性炭)-100.10.20。30。35气体的平衡分压 /Pa0267160
16、0560012266试判断吸附类型,并求吸附常数。如果25,101.3kPa下,在1L的容器中含有空气和甲醛的混合物,甲醛的分压为12kPa,向容器中放入2g活性炭,密闭。忽略空气的吸附,求达到吸附平衡时容器内的压力。解:由数据可得吸附的平衡曲线如下图91 习题9.1图中吸附平衡线由上述的平衡曲线,可以判断吸附可能是Langmuir或Freundlich型。由,整理数据如下1/q1053。32.861/p0。003740.000620。000180。00008作1/q和1/p的直线图92 习题9。1图中1/q1/p的关系曲线由,整理数据如下:lnp5。597。388。639.41lnq2。30
17、1.61-1。201。05作lnq和lnp的直线图9-3 习题9.1图 lnq和lnp的关系曲线由以上计算可知,用Freundlich等温方程拟合更好一些。同时计算参数如下:1/n=0。3336,n=3,lnk=4.1266,k=0。016,所以等温线方程为题设条件下,甲醛的物质的量为mol质量为g假设达到吸附平衡时吸附量为q,则此时的压力为将代入,可以求得Pa所以此时甲醛的平衡分压已经很低,如果忽略的话,可以认为此时容器内的压力为kPa9。2 现采用活性炭吸附对某有机废水进行处理,对两种活性炭的吸附试验平衡数据如下:平衡浓度COD /(mgL1)10050010001500200025003
18、000A吸附量/ mgg(活性炭)155.6192。3227。8326.1357。1378。8394.7B吸附量/mgg(活性炭)147.6181.8294.1357。3398。4434.8476。2试判断吸附类型,计算吸附常数,并比较两种活性炭的优劣。解:由数据可得吸附的平衡曲线如下:Langmuir吸附等温线方程为,变形后可得,整理数据如下:r10050010001500200025003000r/q(A)1.802.604.394。605.606.607.60r/q(B)2.102.753.404.205.025。756。30作r/q和r的直线图9-4 习题9。2图吸附等温线r/q r图
19、95 习题9。2图 r/q和r的关系曲线由直线可知,用Langmuir吸附等温线方程可以很好地拟合吸附曲线。分别求得方程的常数为活性炭A: 1/qm=0.0019,qm=526,1/k1qm=1。8046,k1=0.00105活性炭B: 1/qm=0.0015,qm=667,1/k1qm=1。9829,k1=0。00076比较两种活性炭的吸附平衡常数,可以看到B的饱和吸附量要大于A,比表面积较大,吸附容量比较大;而A的吸附系数比较大,吸附的性能较好。9。3 有一初始浓度(比质量分数)为Y0的流体,要求用吸附剂将其浓度降低到Y2(对应的固体相的吸附质比质量分数为X2)。试证明:两级错流吸附比单级
20、吸附节约吸收剂。证明:对单级吸附,由物料衡算有所以吸附剂的用量为对于二级错流吸附,第一级吸附剂用量为,一级流出流体的浓度为,第一级吸附剂用量为,一级流出流体的浓度为假设两级所用吸附剂总量为,两级的物料衡算方程分别为两式相加,并且设可得,因为所以即所以上式即为9。4 用活性炭固定床对生物处理出水进行深度处理,已知生物处理出水COD浓度为100mg/L,要求活性炭吸附后出水COD浓度达到5mg/L。在不同的空床速度和床层高度下,测得的穿透时间如下:空床速度/(mh1)床高/m0。40。60.81.01.210穿透时间/h148。6452.7751.91047.31355。212.582。1238.
21、7398.4564.3718。61551.3153。3249.6352.1448。9(1)求不同空床流速下的BohartAdams公式的参数,并作空床流速对这些参数的曲线。(2)在进水浓度和处理要求相同的情况下,求空床速度为12m/h,床层高度为1.5m时的穿透时间(认为此时仍然符合BohartAdams公式)。解:(1)固定床的穿透时间与床高的关系式为,其中, ,由实验数据,作tb和z的直线图9-6 习题9.4图tb和z的关系曲线由直线的斜率和截距可以计算得到不同空床流速下的Bohart-Adams公式的参数,v /(mh1)BN0 /(mgL-1)AK /L(mgh)-1zA /m1015
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