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化工原理下册课后题答案(第二版)

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%,试讣算进、出塔气体中氨的摩尔比人、打。

解:先计算进、出塔气体中氨的摩尔分数川和乃。

0.055/17 y. = ------------------------------- = 0.0903 0.055/17 + 0.945/290.002/17儿= -------------------- =0.0034' ・ 0.002/17 + 0.998/29进、岀塔气体中氨的摩尔比X 、Y?为0.0034 ----------- =0.0034 1-0.0034 由讣算可知,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:M < M R d.v A z ・、 」 A o A (1) d 叩 A = -------------------------------------2&A M A +XR M B )(2) 邑)2AfnH ,A A /A A = -------- IV A t竺「0.09931-0.0903du A解: (1)M."A A = X A M A + A B A/ B V A A/A + ~ A A )" B A/A A A 由于dwAdT"A A/A (x A Af A + AB .W B )-X A A/A (A/A -A/ b ) J W A J W B CV A +5)X A +“B i(2)3・在直径为0.012 nu长度为0.35m的圆管中,CO气体通过N?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70.0kPa和7.0kPa, 试讣算CO的扩散通量。

解:设A——O: B——N2査附录一得£>AB=0.318X1()7 nr/sp BI= p:, - p AI = (101.3 - 70)kPa = 31.3kPap B2 = p、一”A2 =(101 ・3 — 7.0)kPa = 94.3kPa4.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而,发生瞬态化学反应A T 3B。

生成的气体B离开催化剂表而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1.85x2 m2/So试计算组分A和组分B的传质通量“人和心。

解:由化学计量式A T3B可得叫=_3孔N=N A+"B =-2弧代入式(7・25),得dvdwA丄(竺+竺)厶」"A M A性叫"A M空+竺)叭M B”_ PB2 —几1P BM _—-—111匹“Bl94.3-31.3f 94.3In -----kPa = 57」2kPa0.318 x IO"4 x 101.38.314x373x0.35x57.12x(70.0 - 7.0)kmol/(m2 -s)= 3.273 x 10"6 kmol/(m2・s)M B= l x(9970 + 99a22 17.92 17.98 故氨的摩尔通量为 dz 叭 一2人叫 % 分离变量,并积分得 2 g Pa =l x 1.85X1Q-X1O1.3 101,34-2x22.5 呗/(打&7・012皿 kmol/(m ^.s) 2 &314x273x0.015 101.3 N B = 一3N,\ = 一3 x 1.012 x 10 ' kmol/(nr ・ s) = -3.036 x 10 kmol/(nr ・ s)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。

在两相界而处,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/m 3;在离界而5 mm 的水相中,氨的组成为0.085,该处溶 液的密度为997.0 kg/m — 278 K 时氨在水中的扩散系数为1.24xl0-9 m 1 2/s o 试讣算稳态扩散 下氨的传质通量。

解:设 A ——NHs : B ——H 2O 离界而5 mm 处为点1、两相界面处为点2,则氨的摩尔分数为5= 0.085, x A2 = 0.022 J =l-x A =1-0.085 = 0.915 Bl Al = 1_A A 2 = 1_0.022 = 0.978 X B2 0.978-0.915 In 0.978 0.915 =0.946 点1、点2处溶液的平均摩尔质量为 A/】 =(0.085xl7 + 0・915xl8)kg/kmol =17.92 kg/kmol M 2 =(0.022 x 17 + 0.978 x 18)kg/kmol = 17.98 kg/kmol 溶液的平均总物质的疑浓度为 kniol/m 5 =55.58kmol/ni'_ x (0.085-0.022)kmol/(m 2 ■ s) = 9.179x 10_? kmol/(m 2 -s) 0.005x0.9466.试用式(741)估算在105.5 kPa 、288 K 条件下,氢气(A )在甲烷(B )中的扩散系数D AB 。

解:査表7・1,得L V A = 7.07 cm 3/mol査表7-2, it 算出“B =(16.5 +1.98 x 4)cm'/mol = 24.42cm °/mol由式7411.013x1 O-5T L 75(-J-+T J-)1/2 D = ________________ 叫 %AB"几[(切A )1"(切 B MF总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D'。

AB解:査得293 K 时水的黏度为//B =1.005 xlOPas査表7-3,得。

=2・6査表74,得% = 44.8 cmVmol由式(7-43)D = 7.4x J/? _T_ AB “B 啪= 7.4X 10"15(2.6X 18),/2 ---------------- --- --------- m 2/s = 1.508x 10"9 nr/s 1.005x10- 3X 44.80-6&有一厚度为8 mm 、长度为800 mm 的蔡板。

在茶板的上层表而上有大量的45 °C 的常压 空气沿水平方向吹过。

在45 °C 下,蔡的饱和蒸气压为73.9 Pa,固体荼的密度为1 152kg/nr\由 有关公式计算得空气与蔡板间的对流传质系数为0.016 5 nVs o 试计算荼板厚度减薄5%所 需要的时间。

解:由式(7-45)计算荼的传质通量,即心=紅(5 - J )1.013X 10-5X 288-(1 + 1严105.5 X (7.07,/3 +24.42,/3)2 m^/s = 6.24x 10 ' m^/s式中 用为空气主体中蔡的浓度,因空气流量很大,故可认为c Ab =0:为荼板表而处气相中茶的饱和浓度,可通过荼的饱和蒸气压计算,即kmol/m' = 2.795 x 10一、kmol /n? Nx =/«出 一 % ) = 0.0165x(2.795x1()7 - 0)kinol/(nr - s) = 4.612 x 10~; kinol/(nr - s) 设茶板表而积为s,由于扩散所减薄的厚度为b,物料衡算可得Sbp 、= NW ROf 叮 =0.05x0.008 XI152 s = 7 806xl()3s = 2168h4.612 x IO'7x 128第八章气体吸收1. 在温度为40 °C 、压力为101.3 kPa 的条件下,测得溶液上方氨的平衡分压为15.0 kPa时,氨在水中的溶解度为76.6g(NH 3)/l 000g(H 2O)o 试求在此温度和压力下的亨利系数E 、 相平衡常数加及溶解度系数解:水溶液中氨的摩尔分数为76.617 76.6 1000 H 17 18 由 /?* = Ex 亨利系数为n* 15 0 E = — =亠一 kPa = 200.0 kPa x 0.075相平衡常数为E m =—=Pi 严0 = 1.974 101.3由于氨水的浓度较低,溶液的密度可按纯水的密度计算。

40 °C 时水的密度为p = 992.2 kg/m 3溶解度系数为c QQ? 7 H = 卩 = -------- --- -- kmol/(m 5 ・ kPa) = 0.276kmol/(m 1 ・ kPa) EM S 200.0x182. 在温度为25 °C 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 07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£=1.66xl05kPa,水溶液的密 度为 997.8 kg/m\解:水溶液中C02的浓度为c =「⑸"⑴“)kmol/nf = 0.008kinol/m A 44=0.075C AI 73.9 8314x318对于稀水溶液,总浓度为997 Xc.=-———kmol/m' = 55.43 kmol/m'1 18水溶液中CO2的摩尔分数为x = t = ^^ = 1.443xl()7 c t 55.43由/?*= E V= I.66X105X1.443X1 0-4 kPa = 23.954 kPa气相中CO2的分压为p = /?,>' = 101.3x O.O3kPa = 3.039 kPa < 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A/? = /?*-/? = (23.954 -3.039)kPa = 20.915 kPa3.在总压为110.5 kPa的条件下,采用填料塔用淸水逆流吸收混于空气中的氨气。

测得在塔的某一截而上,氨的气、液相组成分别为y = 0.032、c = 1.06koml/m‘。

气膜吸收系数加=5.2X10^kmol/(m2skPa),液膜吸收系数灶=1.55Xl(Hm/s。

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