《化工原理》课程教学资源（习题解答）第五章习题解答

第五章习题解答 1)总压100kPa,温度25℃的空气与水长时间接触,水中的M2的浓度为多少? 分别用摩尔浓度和摩尔分率表示。空气中M2的体积百分率为079 解:将空气看作理想气体:y=0.79 p*=yp=79kPa 查表得 E=8.76×103kPa x=p*/E=106 H=p(EMS)=1000/876×103×18)=6342×10-kmoL/(kNm) C=p*H=79×6342×10-5=501×104 kmol/m3 2)已知常压、25℃下某体系的平衡关系符合亨利定律,亨利系数E为015×104 大气压,溶质A的分压为0.54大气压的混合气体分别与三种溶液接触:①溶 质A浓度为000202的水溶液:;②溶质A浓度为0001202水溶液 ③溶质A浓度为0002的水溶液。试求上述三种情况下溶质A在二相 间的转移方向。 解:E=0.15×104atm,p=0054atm,P=latm,y=p/P=0.054 ①m==015×10 0.〔 1×10=36×103 ∴y=mx1=0054 =y-y1=0∴平衡 0.001 l8×1 8 ∴y2=mx2=0027∴=y-y2>0∴气相转移至液相 0003 1×103=54×105 mx3=0081 ∴液相转移至气相 ④P=3atmy=0.054E=0.15×10atm ∴m=E/P=005×104

第五章 习题解答 1）总压 100 ，温度 25℃的空气与水长时间接触，水中的 的浓度为多少？ 分别用摩尔浓度和摩尔分率表示。空气中 的体积百分率为 0.79。 解：将空气看作理想气体：y=0.79 p*=yp=79kPa 查表得 E=8.76× 5 10 kPa 6 * / 10− x = p E = H= /( ) 1000/(8.76 10 18) 6.342 10 /( . ) 5 6 EMS kmoL k N m −  =   =  C=p*.H=79×6.342×10-5=5.01×10-4kmol/m3 2）已知常压、25℃下某体系的平衡关系符合亨利定律，亨利系数 E 为 大气压，溶质 A 的分压为 0.54 大气压的混合气体分别与三种溶液接触：①溶 质 A 浓度为 的水溶液；②溶质 A 浓度为 的水溶液； ③溶质 A 浓度为 的水溶液。试求上述三种情况下溶质 A 在二相 间的转移方向。 解： E=0.15×104atm，p=0.054atm，P=1atm，y=p/P=0.054 ① m E P = = 015104 . x1 3 0 02 5 1 10 18 = 3 6 10  =  − . . ∴ y1 mx1 0 054 * = = . ∴ y = y − y1 = 0 * ∴平衡 ② x2 3 0 001 5 1 10 18 = 18 10  =  − . . ∴ y2 mx2 0 027 * = = . ∴ y = y − y2 0 *  ∴气相转移至液相 ③ x3 3 0 003 5 1 10 18 = 5 4 10  =  − . . ∴ y3 mx3 0 081 * = = . ∴ y = y − y3 0 *  ∴液相转移至气相 ④ P=3atm y=0.054 E=0.15×104atm ∴m=E/P=0.05×104

=x3=5.4×105 ∴y=mx4=0027∴=y-y4>0∴气相转移至液相 3)某气、液逆流的吸收塔,以清水吸收空气~硫化氢混合气中的硫化氢。总压 为1大气压。已知塔底气相中含251.5%(摩尔分率),水中含2S的浓 度为18×103(摩尔分率)。试求塔底温度分别为5℃及30℃时的吸收过 程推动力。 解:查表得(5℃)E1=3.19×10kpam=E/P=315 Ex=0.319×105×1.8×10-5=0.5724KPa y*1=P*1/P=0.5742/101.33=0.0057 y1=0.015 气相推动力:△y1=y1-y*1=0.0093 液相推动力:Ax1=x*+-x1=y1/m-x1=2.96×10-3 查表得(30°C):E2=6,17×10+KPam2=E2/p=609 p*2=E2x=617×10×1.8×1053=1.1106kpa y*2=P*2/P=1.1106/10133=0.011 气相推动力:△y2=y2-y*2=00040 液相推动力 y2/n 663×10-6 4)总压为100kPa,温度为15℃时CO2的亨利系数E为1.22×105kPa。试计 算:①H、m的值(对稀水溶液密度为1002):②若空气中CO2的分 压为50kPa,试求与其相平衡的水溶液浓度,分别以摩尔分率和摩尔浓度表 解:)H=EM/pn=122×103×18103)=2196kNm/KmoL m=E/P=1.22×103/100=1220 2)p 50=1.22×105x x=4.10×10-4 p=HC 50=2196C C=0023kmol/m

x4=x3=5.4×10-5 ∴ y4 mx4 0 027 * = = . ∴ y = y − y4 0 *  ∴气相转移至液相 3）某气、液逆流的吸收塔，以清水吸收空气～硫化氢混合气中的硫化氢。总压 为 1 大气压。已知塔底气相中含 1.5%（摩尔分率），水中含 的浓 度为 （摩尔分率）。试求塔底 温度分别为 5℃及 30℃时的吸收过 程推动力。 解：查表得（5 0 C） E1=3.19×104 kpa m1=E1/P=315 p*1=Ex=0.319 10 1.8 10 0.5724KPa 5 5    = − 6 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 4 5 2 2 2 2 4 2 0 5 1 1 1 1 1 1 1 1 .1 1 1 * / 6.63 10 * 0.0040 * * / 1.1106 /101.33 0.011 * 6.17 10 1.8 10 1.1106 30 6.17 10 , / 609 * / 2.96 10 * 0.0093 0.015 * * / 0.5742 /101.33 0.0057 − − −  = − = − =   = − = = = = = =    = =  = =  = − = − =   = − = = = = = x x x y m x y y y y p P p E x kpa C E KPa m E p x x x y m x y y y y y p P 液相推动力： 气相推动力： 查表得（ ）： 液相推动力： 气相推动力： 4）总压为 100 ，温度为 15℃时 的亨利系数 E 为 。试计 算：①H、m 的值（对稀水溶液密度为 ）；②若空气中 的分 压为 50 ，试求与其相平衡的水溶液浓度，分别以摩尔分率和摩尔浓度表 示。 3 4 5 5 5 3 0.023k l / 50 2196 4.10 10 50 1.22 10 2) / 1.22 10 /100 1220 1 / 1.22 10 18/(10 ) 2196 . / C m o m C p HC x x p Ex m E P H EMs g k N m KmoL = = = =  =  = = =  = = =   = − 解：） 

5)在总压为100kPa、水温为30℃鼓泡吸收器中,通入纯CO2,经充分接触后 测得水中CO2的平衡溶解度为2857×103m0/溶液,溶液的密度可近似取 为100g/m2,试求亨利系数 解:p=100KPa H-c 2857×10-2 2857×10+(mo)kPa E =1945×103kPa HM2857×10-×18 6)组分A通过另一停滞组分B进行扩散,若总压为1015Pa,扩散两端组分A 的分压分别为232kPa和65kPa。实验测得的传质系数ka为 141×10-5mol P 若在相同的操作条件和组分浓度下,组分A和B 进行等分子扩散,试分别求传质系数和传质速率M fif: pAl=232KPa pA2=6.5KPa pBI=P-pA1=781KPa pB2=94.8KPa D P P k pm丿RT8(pa1-Pg) 141×10°mol/(m2·sPa) 12×10-mol/(m2sPa) D 12×10-3mol/m2·s·Pa) RTO (pn-pa2)=2.0× 7)已知:柏油路面积水3m,水温20℃,空气总压100kPa,空气中水汽分 压1.5kPa,设路面积水上方始终有025mm厚的静止空气层。问柏油路面积 水吹干需多长时间? 解:该过程可看作一组分通过另一停滞组分的扩散过程 查表得20%℃时水的饱和蒸汽压为P=1.5kPa 依题意pn=2.3346 kPa p2=1.5kPa

5）在总压为 100 、水温为 30℃鼓泡吸收器中，通入纯 ，经充分接触后 测得水中 的平衡溶解度为 溶液，溶液的密度可近似取 为 ，试求亨利系数。 解： p *=100KPa H C p = =  =  − − * . . 2 857 10 100 2 857 10 2 4 (mol/L)/kPa E HMs = =   =  −  10 2 857 10 18 1945 10 3 4 5 . . kPa 6）组分 A 通过另一停滞组分 B 进行扩散，若总压为 ，扩散两端组分 A 的 分 压 分 别 为 23.2 和 6.5 。 实 验 测 得 的 传 质 系 数 为 。若在相同的操作条件和组分浓度下，组分 A 和 B 进行等分子扩散，试分别求传质系数 和传质速率 。 解：pA1=23.2KPa pA2=6.5KPa pB1=P－pA1=78.1KPa pB2=94.8KPa ( ) k D RT P p D RT P p p p p mol m s Pa G Bm B B B B =       =  − =    −   1 2 2 1 5 2 141 10 ln . / ( ) ∴ D RT mol m s Pa  =    − 12 10 5 2 . / ( ) ∴ k D RT mol m s Pa G  = =    −  12 10 5 2 . / ( ) ∴ ( ) 2.0 10 /( ) 4 2 1 2 N k p p kmol m s A G A A − =    =  − 7）已知：柏油路面积水 ，水温 20℃，空气总压 100 ，空气中水汽分 压 1.5 ，设路面积水上方始终有 厚的静止空气层。问柏油路面积 水吹干需多长时间？ 解：该过程可看作一组分通过另一停滞组分的扩散过程 查表得 200 C 时 水的饱和蒸汽压为 P=1.5kPa 依题意 A1 p =2.3346kPa pA2 =1.5kPa

pB1=100-2.346=976654kPa PB2=100-1.5=98.5Pa Pom =(pBl- PR2)/Ln(pg/p2)=98.08kPa 由表得: 0°C水的扩散系数D=022×10-4m2/s 20°C水的扩散系数D=0248×10-4m2/s N,=DP(PA-Pa/(RTZpr =0.248×10×100×(22346-1.5)/(8.314×293×0.25×10-×9808 346×10-KmoL(m2·s) 以为扩散为稳定扩散,所以 N=ph/(M,0).0=ph/(M,N,) =1000×3×107(18×346×10-)=4808×10s 8)试分别计算0℃及1013kPa下CO2、O2在空气中的扩散系数,并与实验 值进行比较分析 解:(1)A:CO2,B:空气,MA=44,MB=29 VB=299,VA=34.0,P=101.3KPa,t=273.2K 436×103T 1155×10-5m (2)A:SO2,B:空气,MA=64,MB=29 B=299,VA=44.8,P=101.3KPa,t=273.2K 436×10-5Tl M =9822×106m P(VAK 9)试计算HC在35℃水中的扩散系数,并与实验值进行比较分析。 Aif: A: HCl, B: H2O, MB=18, a=2.6 VA=3.7+216=253,T=308.2K,μ=0.7225cp D 74×103(aMB)T 90 An =3.11×10-3cm

( )/( ) 20 0.248 10 / 0 0.22 10 / ( )/ ( / ) 98.08 100 1.5 98.5 100 2.3346 97.6654 1 2 0 4 2 0 4 2 1 2 1 2 2 1 A A A PBm Bm B B B B B B N Dp p p RTZ C D m s C D m s p p p Ln p p kPa p kPa p kPa = − =  =  = − = = − = = − = − − 水的扩散系数 水的扩散系数 由表得： 3.46 10 /( ) 0.248 10 100 (2.2346 1.5)/(8.314 293 0.25 10 98.08) 5 2 4 3 =  KmoL m • s =    −     − − − 以为扩散为稳定扩散，所以 s NA h M A h M ANA 3 5 3 1000 3 10 /(18 3.46 10 ) 4.808 10 /( ) /( ) =     =  = = − −      8）试分别计算 0℃及 101.3 下 、 在空气中的扩散系数，并与实验 值进行比较分析。 解：(1) A：CO2，B：空气，MA=44，MB=29 VB=29.9，VA=34.0，P=101.3KPa，t = 273.2K ( ) D T M M P V V m s A B A B =  +       + =  − − 4 36 10 1 1 1155 10 5 1 5 1 2 1 3 1 3 2 5 2 . . . (2)A：SO2，B：空气，MA=64，MB=29 VB=29.9，VA=44.8，P=101.3KPa，t = 273.2K ( ) D T M M P V V m s A B A B =  +       + =  − − 4 36 10 1 1 9 822 10 5 1 5 1 2 1 3 1 3 2 6 2 . . . 9）试计算 在 35℃水中的扩散系数，并与实验值进行比较分析。 解： A：HCl，B：H2O，MB=18，α=2.6 VA=3.7+21.6=25.3，T=308.2K，μ=0.7225cp ( ) D M T V cm s B A =  =  − − 7 4 10 311 10 8 0 5 0 6 5 . 2 . . .  

10)某传质过程的总压为300kFa,吸收过程传质系数分别为 大,=107bmm,h、,=228m2.),气液相平衡关系符合享利定 律,亨利系数E为10.67×103kPa,试求:①吸收过程传质总系数Ky和Ex ②液相中的传质阻力为气相的多少倍。 解:10.(1)E=1067×103kPa,P=300kPa,m==3557 P m 3557 ∴Ky=0.3919 Kk.k.10722 ∴Kx=13.94 Kmk.k、3557×107 173 11)在填料塔内以水吸收空气~氨混合气中的氨。已知:总压P为1大气压,温 度t为20℃,亨利系数E为766×10Pa,气相体积传质分系数ka为 425×10km0s,m,kPa),液相体积传质分系数k2a为582×1032/。气相 中含氨54%(体积),液相中含氨0062(摩尔分率),液相可按稀溶液处理 试求气、液界面处平衡的浓度以及气相传质阻力占总阻力的分率。 解:m=E/P=76.6/101.33=0.756 ∴y=0.054x=0.062c=1000/18=55.56kmoL/m3 p·kam=1013×425×10-=00431kmoL/(m3·s) km=C·kn=582×10-×5556=0.323kmOL/m3·s) 在界面处:y1=mx1 y1=0.756 431×10-2(0054-y1)=0.323( 得:x1=0.0629 n=00475 1/k,=1/k,+m/k=1/0.0431+0.756/0.323=25.54 气相阻力占总阻力分率为:m=100431×25.54)=90.8%

10） 某 传 质 过 程 的 总 压 为 300 ， 吸 收 过 程 传 质 系 数 分 别 为 、 ，气液相平衡关系符合亨利定 律，亨利系数 E 为 ，试求：①吸收过程传质总系数 和 ； ②液相中的传质阻力为气相的多少倍。 解：10. (1)E = 10.67×103kPa，P = 300kPa，m E P = = 35.57 1 1 1 107 3557 K k 22 m y y kx = + = + . . ∴Ky = 0.3919 1 1 1 1 3557 107 1 Kx mky kx 22 = + =  + . . ∴Kx = 13.94 (2) m k k k mk x y x y 1 1 1 = 1.73 11）在填料塔内以水吸收空气～氨混合气中的氨。已知：总压 P 为 1 大气压，温 度 t 为 20℃，亨利系数 E 为 ，气相体积传质分系数 为 ，液相体积传质分系数 为 。气相 中含氨 5.4%（体积），液相中含氨 0.062（摩尔分率），液相可按稀溶液处理。 试求气、液界面处平衡的浓度以及气相传质阻力占总阻力的分率。 解：m=E/P=76.6/101.33=0.756 ∴ y=0.054 x=0.062 c=1000/18=55.56kmoL/m 3 5.82 10 55.56 0.323 /( ) 101.33 4.25 10 0.0431 /( ) 3 3 4 3 k C k kmoL m s k p k kmoL m s xm Lm ym a m = • =   = • = • =   = • − − 4.31 10 (0.054 ) 0.323( 0.062) 0.756 ( ) ( ) 1 1 2 1 1 1 1 2 1 1  − = − = − = − = − y x y x k y y k x x y mx ym xm 在界面处： 得： x1 = 0.0629 y1 = 0.0475 1/ k ym = 1/ k ym + m/ kxm = 1/ 0.0431+ 0.756 / 0.323 = 25.54 气相阻力占总阻力分率为： 0 0  = 1/(0.0431 25.54) = 90.8