化工原理吸收單元練習(xí)題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題3分，共30分）亨利定律表達(dá)式p_A=Ex_A中，系數(shù)E的物理意義是（）A.溶解度系數(shù)，隨溫度升高而增大B.亨利系數(shù)，隨溫度升高而增大C.相平衡常數(shù)，隨壓力升高而增大D.擴(kuò)散系數(shù)，隨溫度升高而增大答案：B解析：亨利定律中E為亨利系數(shù)，反映氣體溶解度大小，溫度升高時(shí)氣體溶解度降低，故E增大。溶解度系數(shù)用H表示，相平衡常數(shù)用m表示，均與E不同。雙膜理論認(rèn)為傳質(zhì)阻力主要集中在（）A.氣相主體與液相主體B.氣膜與液膜C.相界面處D.氣相主體與氣膜界面答案：B解析：雙膜理論核心論點(diǎn)指出，相界面兩側(cè)各有一停滯膜，傳質(zhì)阻力全部集中于氣膜和液膜內(nèi)，界面處無(wú)傳質(zhì)阻力。某低濃度氣體吸收過(guò)程，若其他條件不變，僅增大吸收劑用量，則吸收推動(dòng)力（）A.增大B.減小C.不變D.無(wú)法確定答案：A解析：增大吸收劑用量會(huì)降低操作液氣比與平衡線斜率的比值，使操作線遠(yuǎn)離平衡線，各截面?zhèn)髻|(zhì)推動(dòng)力均增大，吸收更充分。下列哪項(xiàng)不是吸收劑選擇的基本原則（）A.對(duì)溶質(zhì)溶解度大B.與溶質(zhì)選擇性高C.黏度大以提高吸收效率D.揮發(fā)性低答案：C解析：吸收劑應(yīng)選擇黏度小的物質(zhì)，黏度大則傳質(zhì)系數(shù)小，反而降低吸收效率。其余選項(xiàng)均為吸收劑選擇的關(guān)鍵原則。以氣相分壓為推動(dòng)力的總傳質(zhì)速率方程N(yùn)_A=K_G(p_A-p_A^*)中，K_G與氣膜傳質(zhì)系數(shù)k_G、液膜傳質(zhì)系數(shù)k_L的關(guān)系為（）A.1/K_G=1/k_G+1/(Hk_L)B.K_G=k_G+Hk_LC.1/K_G=1/(Hk_G)+1/k_LD.K_G=1/k_G+H/k_L答案：A解析：根據(jù)雙膜理論推導(dǎo)，總傳質(zhì)系數(shù)與膜傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)系需結(jié)合亨利定律p_A^*=Ex_A=c_A/H，換算后可得氣相總傳質(zhì)系數(shù)的阻力疊加式為1/K_G=1/k_G+1/(Hk_L)。吸收塔操作線方程的斜率取決于（）A.吸收劑用量與溶質(zhì)回收率B.液氣比與相平衡常數(shù)C.液氣比D.相平衡常數(shù)答案：C解析：逆流吸收塔操作線方程為Y=(L/V)X+(Y_1-(L/V)X_2)，其中斜率為液氣比L/V，反映吸收劑與惰性氣體的流量比。對(duì)于易溶氣體吸收過(guò)程，傳質(zhì)阻力主要集中在（）A.氣膜B.液膜C.氣膜與液膜相當(dāng)D.相界面答案：A解析：易溶氣體在液相中溶解度大，液膜阻力可忽略，傳質(zhì)阻力主要集中在氣膜內(nèi)，屬于“氣膜控制”過(guò)程。填料層高度計(jì)算中，傳質(zhì)單元數(shù)N_{OG}反映（）A.設(shè)備效率B.分離任務(wù)難易程度C.傳質(zhì)推動(dòng)力大小D.填料性能優(yōu)劣答案：B解析：傳質(zhì)單元數(shù)表示完成指定分離任務(wù)所需的傳質(zhì)級(jí)數(shù)，反映分離難度；傳質(zhì)單元高度H_{OG}則與設(shè)備性能、操作條件相關(guān)，反映設(shè)備效率。下列哪種情況會(huì)導(dǎo)致吸收塔效率下降（）A.增加填料層高度B.吸收劑入口溫度降低C.氣體流速過(guò)大導(dǎo)致液泛D.減小吸收劑入口濃度答案：C解析：氣體流速過(guò)大引發(fā)液泛時(shí)，氣液接觸惡化，傳質(zhì)效率顯著下降。其余選項(xiàng)均能提高吸收效率或不影響效率。解吸過(guò)程與吸收過(guò)程的根本區(qū)別在于（）A.傳質(zhì)方向相反B.不需要填料層C.只能采用逆流操作D.傳質(zhì)阻力不同答案：A解析：吸收是溶質(zhì)從氣相轉(zhuǎn)入液相，解吸是溶質(zhì)從液相轉(zhuǎn)入氣相，二者傳質(zhì)方向相反，操作原理相似，均可采用填料塔與逆流操作。二、判斷題（每題2分，共20分，對(duì)的打“√”，錯(cuò)的打“×”）亨利定律適用于所有濃度的氣體吸收過(guò)程。（）答案：×解析：亨利定律僅適用于低濃度、稀溶液體系，高濃度時(shí)溶質(zhì)與溶劑間相互作用增強(qiáng)，偏離定律規(guī)律。雙膜理論可完美解釋高度湍動(dòng)體系的傳質(zhì)過(guò)程。（）答案：×解析：雙膜理論假設(shè)存在穩(wěn)定停滯膜，對(duì)自由相界面或高度湍動(dòng)體系，相界面不穩(wěn)定，該假設(shè)不成立，存在局限性。吸收操作線總是位于平衡線的上方。（）答案：√解析：吸收過(guò)程需傳質(zhì)推動(dòng)力(Y-Y^*)>0，故操作線（實(shí)際組成）必在平衡線（平衡組成）上方；解吸時(shí)操作線則在平衡線下方。最小液氣比是保證吸收塔達(dá)到指定分離效率的最小吸收劑用量對(duì)應(yīng)的比值。（）答案：√解析：最小液氣比是操作線與平衡線相切或相交時(shí)的液氣比，此時(shí)所需理論板數(shù)無(wú)窮多，對(duì)應(yīng)最小吸收劑用量，實(shí)際操作需取其1.1-2.0倍。傳質(zhì)系數(shù)k_G的單位是kmol/(m^2?·s?·Pa)。（）答案：√解析：氣膜傳質(zhì)系數(shù)k_G以氣相分壓為推動(dòng)力，單位為kmol/(m^2?·s?·Pa)；液膜傳質(zhì)系數(shù)k_L單位為m?·s。溫度升高對(duì)吸收有利，對(duì)解吸不利。（）答案：×解析：溫度升高使氣體溶解度降低，亨利系數(shù)增大，吸收推動(dòng)力減小，不利于吸收；但解吸是吸收的逆過(guò)程，溫度升高可促進(jìn)溶質(zhì)從液相逸出，對(duì)解吸有利。填料塔的塔徑主要由處理氣量和空塔氣速?zèng)Q定。（）答案：√解析：塔徑計(jì)算公式為D=\sqrt{4V_s/(\piu)}，其中V_s為氣體體積流量，u為空塔氣速，二者直接決定塔徑大小。低濃度氣體吸收過(guò)程中，氣液兩相的摩爾流量可近似視為恒定。（）答案：√解析：低濃度吸收時(shí)，溶質(zhì)在氣液兩相中的摩爾分?jǐn)?shù)均很小，惰性氣體與吸收劑的流量變化可忽略，故總摩爾流量近似恒定，即“恒摩爾流”假設(shè)成立。相平衡常數(shù)m=E/p，隨系統(tǒng)壓力升高而減小。（）答案：√解析：相平衡常數(shù)m與亨利系數(shù)E成正比，與總壓p成反比，壓力升高時(shí)m減小，有利于吸收。吸收因數(shù)法計(jì)算傳質(zhì)單元數(shù)時(shí)，吸收因數(shù)A=L/(mV)越大，分離效果越好。（）答案：√解析：吸收因數(shù)A反映液氣比與平衡特性的匹配程度，A越大，操作線越遠(yuǎn)離平衡線，傳質(zhì)推動(dòng)力越大，分離效果越好。三、計(jì)算題（每題15分，共30分）（一）亨利定律應(yīng)用與傳質(zhì)速率計(jì)算題目：在總壓p=101.3kPa、溫度t=20a??下，稀氨水體系中氨的平衡分壓p_A^*=2.0kPa時(shí)，液相濃度c_A=0.8kmol/m^3。已知該溫度下溶液密度??=998kg/m^3，溶劑摩爾質(zhì)量M_S=18kg/kmol。求：（1）亨利系數(shù)E、溶解度系數(shù)H和相平衡常數(shù)m；（2）若氣相主體氨分壓p_A=3.5kPa，液膜傳質(zhì)系數(shù)k_L=1.2??10^{-4}m/s，氣膜傳質(zhì)系數(shù)k_G=5.0??10^{-7}kmol/(m^2?·s?·Pa)，求總傳質(zhì)速率N_A。答案：計(jì)算亨利定律系數(shù)：液相摩爾分?jǐn)?shù)x_A=c_A/(??/M_S)=0.8/(998/18)a??0.0144亨利系數(shù)E=p_A^*/x_A=2.0/0.0144a??138.9kPa溶解度系數(shù)H=c_A/p_A^*=0.8/2.0=0.4kmol/(m^3?·kPa)相平衡常數(shù)m=E/p=138.9/101.3a??1.371計(jì)算總傳質(zhì)速率：氣相總傳質(zhì)系數(shù)1/K_G=1/k_G+1/(Hk_L)代入數(shù)據(jù)：1/K_G=1/(5.0??10^{-7})+1/(0.4??1.2??10^{-4})=2??10^6+2.083??10^4a??2.0208??10^6得K_Ga??4.948??10^{-7}kmol/(m^2?·s?·Pa)傳質(zhì)推動(dòng)力??p=p_A-p_A^*=3.5-2.0=1.5kPa=1500Pa總傳質(zhì)速率N_A=K_G??p=4.948??10^{-7}??1500a??7.42??10^{-4}kmol/(m^2?·s)解析：本題核心考查亨利定律三系數(shù)的換算及總傳質(zhì)速率方程的應(yīng)用。需注意單位一致性，尤其是分壓?jiǎn)挝恍杞y(tǒng)一為Pa進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)明確總傳質(zhì)阻力為氣膜阻力與液膜阻力的疊加。（二）吸收塔填料層高度計(jì)算題目：某逆流操作的填料吸收塔，用清水吸收空氣中的甲醇，處理氣量V=100kmol/h，進(jìn)料氣體甲醇摩爾比Y_1=0.05，要求回收率?·=95\%，吸收劑用量為最小用量的1.5倍。已知操作條件下平衡關(guān)系為Y^*=1.15X，氣相總傳質(zhì)單元高度H_{OG}=0.8m。求：（1）吸收劑用量L；（2）傳質(zhì)單元數(shù)N_{OG}；（3）填料層高度Z。答案：計(jì)算吸收劑用量：尾氣甲醇摩爾比Y_2=Y_1(1-?·)=0.05??(1-0.95)=0.0025清水入口X_2=0，最小液氣比(L/V)_{min}=(Y_1-Y_2)/(Y_1/m-X_2)=(0.05-0.0025)/(0.05/1.15)a??1.0925操作液氣比L/V=1.5??1.0925a??1.6388吸收劑用量L=1.6388??100a??163.88kmol/h計(jì)算傳質(zhì)單元數(shù)（吸收因數(shù)法）：吸收因數(shù)A=L/(mV)=1.6388/1.15a??1.425傳質(zhì)單元數(shù)N_{OG}=(1/(1-1/A))??ln[(1-1/A)(Y_1/Y_2)+1/A]代入數(shù)據(jù)：1/Aa??0.702，Y_1/Y_2=20N_{OG}=(1/(1-0.702))??ln[(1-0.702)??20+0.702]a??3.356??ln(6.662)a??6.42計(jì)算填料層高度：Z=H_{OG}??N_{OG}=0.8??6.42a??5.14m解析：本題為低濃度氣體吸收典型計(jì)算，需先通過(guò)回收率確定尾氣組成，再計(jì)算最小液氣比與操作液氣比，最后用吸收因數(shù)法求傳質(zhì)單元數(shù)，結(jié)合傳質(zhì)單元高度得到填料層高度，核心是操作線與平衡線的關(guān)系應(yīng)用。四、簡(jiǎn)答題（每題10分，共20分）簡(jiǎn)述雙膜理論的基本論點(diǎn)及局限性。答案：基本論點(diǎn)：①氣液兩相存在穩(wěn)定相界面，界面兩側(cè)各有一停滯膜（氣膜、液膜），傳質(zhì)阻力全部集中于膜內(nèi)，溶質(zhì)以分子擴(kuò)散通過(guò)雙膜；②相界面處氣液兩相瞬間平衡，無(wú)傳質(zhì)阻力，溶質(zhì)在界面上的組成滿足平衡關(guān)系；③膜外氣液主體充分湍動(dòng)，無(wú)濃度梯度，組成均勻。局限性：①假設(shè)存在穩(wěn)定停滯膜，難以解釋高度湍動(dòng)體系的傳質(zhì)，實(shí)際相界面常不穩(wěn)定；②等效膜層厚度及界面濃度無(wú)法直接測(cè)定；③未考慮溶質(zhì)與溶劑間的化學(xué)反應(yīng)對(duì)傳質(zhì)的影響，僅適用于物理吸收。說(shuō)明吸收塔操作中液氣比的選擇依據(jù)及對(duì)吸收過(guò)程的影響。答案：選擇依據(jù)：液氣比需介