化学工学技術者試験対策特集第6回：ガス吸収
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この投稿は最終的にzhanghp30によって2018-10-13 23:02に編集されました。1.ある吸収処理の場合、操作ガスの比率、吸収剤の入口温度、ガスの出口濃度、吸収剤の塔内濃度、操作圧力はすべて一定とします。低濃度の二成分混合ガスを吸収すると仮定し、設計時により優れた性能を持つ充填材を使用した場合、以下のうち正しくないのは（BCD）です。A 必要な伝質ユニット数は変わらず、充填層の高さが低下する；B 必要な伝質ユニット数は変わらず、充填層の高さも変わらない；C必要な伝質ユニット数が減少し、充填層の高さが低下する；D 必要な伝質ユニット数は変わらず、充填層の高さも変わらない； BCDの物質移動ユニット数は相平衡および入口・出口濃度に関連しており、これらが変わらなければ物質移動ユニット数も変わらない；良質な充填剤を使用すると、物質移動ユニットの高さが低下し、物質移動ユニットの数は変わらないため、充填層の高さも低下する。問題の要求に従って、間違ったものを選ばないように注意せよ！ 2.充填塔内で清水を用いて混合ガス中のアンモニアガスを吸収する際、水ポンプの吸水量が減少すると、気相伝質ユニット数は（ A ）となる。A 増加 B 減少 C 変わらない D 判定不能 A S=m*G/L；Lが減少するとSが増加し、そのため吸収駆動力は小さくなり、伝質駆動力は大きくなる。 3.充填塔内で純粋な溶剤を用いて、混合物中の溶解可能な成分Aを逆流吸収する。気体混合物中のAの初期組成は0.06（モル分率、以下同じ）である。吸収後のガスの出口組成は0.005、吸収後の溶液の組成は0.095であり、操作条件における気液相平衡はy=0.6xである。液相および気相の物質移動係数は、液相および気相の流量に比例し、Ky*aはG^0.7に、Kx*aはL^0.7に比例する。また、吸収過程は気膜支配であり、HOG=1mである。次を求めよ：（1）充填層高さが半分になったときの塔断面における気相組成； （2）液相の流量が増加したとき、気相の流量および気液の入口組成を変えない場合、溶質Aの吸収量の変化はどうなるか？（ ） A 増加 B 減少 C 変わらない D 判定不能4. 上海にある有名な環境保護工学会社が、ある外資系企業から依頼を受けて、ガス混合物中の溶存成分Aを除去する処理を行っている。プロセスエンジニアによる現地での初期調査によると、ガスAの初期組成は0.045であった。今回は充填塔を使用し、純粋な溶剤を用いて逆流吸収を行っている。その結果、ガスの出口組成は0.018、溶液の出口組成は0.088となった。操作条件における気液平衡関係はy=0.5xであり、この吸収過程は気膜支配型である。求めるもの：（1）気相伝質単位数NOG； （2）発注者は、気相および気液の入口組成を変えない状態で、液相流量を2倍にした場合でも、ガスが吸収された後の出口濃度が0.006を超えてはならないと要求している。工程エンジニアが工程計算を行い、最終的に（ ）発注者が要求する指標を導き出します。 A 達成可能 B 達成不可能 C 条件不足 D 判定不能
5. 吸収塔のある位置において、気相中の主成分濃度y=0.025、液相中の主成分濃度x=0.01であり、気相側の物質移動係数ky=2kmol/m²·h、気相全体の物質移動係数Ky=1.5kmol/m²·hである。平衡関係はy=0.5xとなる。この場合、その位置における気液界面の気相濃度はいくらか？
ye=0.5×0.01=0.005
NA=Ky(y-ye)=ky(y-yi)
したがって、1.5×(0.025-0.005)=2×(0.025-yi)
yi=0.01
6. ある吸収塔の充填材の高さは4.5mであり、清水を用いて排ガス中の有害成分Aを逆流法で吸収している。平衡関係はy=1.5xであり、液相の出口濃度は0.008である。気相の入口濃度と出口濃度はそれぞれ0.02、0.004である。
(1) NOG
(2) 操作時の液気比は、最小液気比の何倍か？
(3) 地元の環境保護局が定める排出基準は0.003未満でなければならないが、どのような対策を講じればこの基準を満たすことができるか？
(1) V/L=0.0008/(0.02-0.004)=0.5
S=mV/L=1.5×0.5=0.75
NOG=1/(1-S)×Ln=2.77
(2) (L/V)min=(y1-y2)/(x1-x2)=1.2
(L/V)/(L/V)min=2/1.2=1.667
(3) 一般的には、液気比を変えずに充填材の高さを増やす方法が用いられる。したがって、NOG’=1/(1-S)×Lnとなる。ここでy2’=0.003なので、NOG’=3.53となる。
充填材の高さを増やす量detaH=HOG(NOG’-NOG)=(4.5/2.77)×(3.53-2.77)=1.23m
7. 逆流操作により混合ガス中のベンゼンを吸収する。混合ガス中のベンゼン濃度は5%（体積分率）で、残りは不活性成分である。回収率は95%。塔に入る混合ガスの流量は42.4kmol/h。吸収剤はベンゼンを含まない灯油であり、その使用量は最小必要量の1.5倍である。塔の直径は0.6m。操作条件下での平衡関係はye=0.14x。気相全体の物質移動係数Kya=125kmol/m³・h。灯油の平均モル質量は170kg/kmol。(1)灯油の消費量（kg/h）；(2)塔から出る灯油中のベンゼン濃度；(3)充填材の高さ；(4)吸収塔で毎時回収されるベンゼンの量（kg/h）；(5)回収率を向上させるための対策は？
(1) y1=0.05, Q=0.95, x2=0; V=42.4kmol/h, L/V=1.5。L/Vの最小値は1.5*(y1-y2)/(x1-x2)=1.5*0.14*0.95=0.1995。したがって、L=0.1995*42.4=8.459kmol/h。これを質量に換算すると8.459*170=1438kg/h。
(2) y2=y1*(1-Q)=0.0025。x1=G/L*(y1-y2)=0.238。
(3) S=mV/L=0.14/0.1995=0.702。NOG=1/(1-S)*Ln=6.76。HOG=G/Kya=1.2m。したがって、H=NOG*HOG=8.1m。
(4) 回収されるベンゼンの量はV*(y1-y2)*78=42.4*(0.05-0.0025)*78=157kg/h。
(5) 回収率を向上させるためには、吸収効率を高める必要がある。具体的には、圧力を上げたり温度を下げたりして、液気比を増加させることである。
8. 逆流操作を行う充填塔において、脱吸因子S>1の場合、塔の高さが無限大であれば、気液両相は（ ）で平衡に達する。
(A) 塔頂；(B) 塔底；(C) 中央；(D) 塔全体
答え：(B)。平衡線の傾きが操作線の傾きよりも大きいため、操作線を無限に延長すると、高濃度側で平衡線と交わる。つまり、塔底で平衡に達する。
9. 化学吸収を用いると、元々の物理吸収の場合と比べて、( )になる。
(A) 液膜抵抗が増加し、気膜抵抗は変わらない；
(B) 液膜抵抗が減少し、気膜抵抗は変わらない；
(C) 液膜抵抗が増加し、気膜抵抗が減少する；
(D) 液膜抵抗が減少し、気膜抵抗も減少する。
答え：(B)。
10. 逆流吸収システムにおいて、S=1の場合、気相の物質移動単位数は理論段数に（ ）；S>1の場合、気相の物質移動単位数は理論段数に（ ）。
(A) 等しい；(B) 小さい；(C) 大きい；(D) 不確定
答え：(A)、(C)。Nt/NOG=S-1/LnS。S=1の場合、NT=NOG。S>1の場合、Nt>NOG。
11. 低濃度の難溶性ガスを逆流吸収する際、他の操作条件は変わらず、塔に入るガスの量のみが減少した場合、液相の物質移動単位数NOGは（ ）；液相の物質移動単位高さHOGは（ ）；気相の物質移動単位数NOGは（ ）；気相の物質移動単位高さは（ ）；操作線の傾きは（ ）になる。
(A) 増加する；(B) 減少する；(C) ほぼ変わらない；(D) 不確定
答え：(C)、(C)、(A)、(B)、(A)。液膜が支配的な場合、HOLやNOLはガス量の影響を受けにくく、ほぼ変わらない。HOG=S*HOL=mV/L*HOL。Vが減少するとHOGも減少する。NOG=A*NOL=L/mV*NOLとなるため、増加する。
(1) y1=0.05, Q=0.95, x2=0; V=42.4kmol/h, L/V=1.5。L/Vの最小値は1.5*(y1-y2)/(x1-x2)=1.5*0.14*0.95=0.1995。したがって、L=0.1995*42.4=8.459kmol/h。これを質量に換算すると8.459*170=1438kg/h。
(2) y2=y1*(1-Q)=0.0025。x1=G/L*(y1-y2)=0.238。
(3) S=mV/L=0.14/0.1995=0.702。NOG=1/(1-S)*Ln=6.76。HOG=G/Kya=1.2m。したがって、H=NOG*HOG=8.1m。
(4) 回収されるベンゼンの量はV*(y1-y2)*78=42.4*(0.05-0.0025)*78=157kg/h。
(5) 回収率を向上させるためには、吸収効率を高める必要がある。具体的には、圧力を上げたり温度を下げたりして、液気比を増加させることである。
8. 逆流操作を行う充填塔において、脱吸因子S>1の場合、塔の高さが無限大であれば、気液両相は（ ）で平衡に達する。
(A) 塔頂；(B) 塔底；(C) 中央；(D) 塔全体
答え：(B)。平衡線の傾きが操作線の傾きよりも大きいため、操作線を無限に延長すると、高濃度側で平衡線と交わる。つまり、塔底で平衡に達する。
9. 化学吸収を用いると、元々の物理吸収の場合と比べて、( )になる。
(A) 液膜抵抗が増加し、気膜抵抗は変わらない；
(B) 液膜抵抗が減少し、気膜抵抗は変わらない；
(C) 液膜抵抗が増加し、気膜抵抗が減少する；
(D) 液膜抵抗が減少し、気膜抵抗も減少する。
答え：(B)。
10. 逆流吸収システムにおいて、S=1の場合、気相の物質移動単位数は理論段数に（ ）；S>1の場合、気相の物質移動単位数は理論段数に（ ）。
(A) 等しい；(B) 小さい；(C) 大きい；(D) 不確定
答え：(A)、(C)。Nt/NOG=S-1/LnS。S=1の場合、NT=NOG。S>1の場合、Nt>NOG。
11. 低濃度の難溶性ガスを逆流吸収する際、他の操作条件は変わらず、塔に入るガスの量のみが減少した場合、液相の物質移動単位数NOGは（ ）；液相の物質移動単位高さHOGは（ ）；気相の物質移動単位数NOGは（ ）；気相の物質移動単位高さは（ ）；操作線の傾きは（ ）になる。
(A) 増加する；(B) 減少する；(C) ほぼ変わらない；(D) 不確定
答え：(C)、(C)、(A)、(B)、(A)。液膜が支配的な場合、HOLやNOLはガス量の影響を受けにくく、ほぼ変わらない。HOG=S*HOL=mV/L*HOL。Vが減少するとHOGも減少する。NOG=A*NOL=L/mV*NOLとなるため、増加する。
12. パッキングタワー内で純粋な溶剤を用いて、ある気体混合物中の溶解可能な成分Aを逆流吸収する。気体Aの初期組成は0.06（モル分率、以下同じ）である。吸収後の気体出口の組成は0.005、吸収後の溶液の組成は0.095となる。操作条件における気液平衡関係はy=0.6xであり、液相および気相の物質移動係数は液相流量および気相流量に比例し、KyaはG^0.7に、KxaはL^0.7に比例する。また、この吸収過程は気膜支配であり、HOG=1mである。次のことを求めよ：(1)パッキング層の高さおよびその半分の高さにおける塔断面の気相組成；(2)液相流量が増加した場合、気相流量と気液の入口組成を一定に保ったとき、溶質Aの吸収量はどのように変化するか。理由を説明せよ。(1)L/V=y1-y2/x1-x2；L/V=0.579、S=mL/V=1.036、NOG=(1/1-S)Ln=14、したがってH=NOG*HOG=14m。パッキング層の高さが半分のとき、NOG'=7、Sは変わらないので、上式に代入するとy'=0.036。(2)液相流量が増加した場合、気相流量と気液の入口組成を一定に保つと、溶質Aの吸収量は増加する。理由は、吸収過程が気膜支配であり、Lが増加してもVは変わらず、KyaもHOGも変わらないため、hも変わらず、したがってNOGも変わらない。S=mV/Lが小さくなり、NOG=(1/1-S)Lnからy2も小さくなる。その結果、吸収量=V(y1-y2)は増加する。
13. パッキングタワー内で清水を用いて混合ガス中のアンモニアを吸収する際、水ポンプに故障が発生し供給水量が減少すると、気相物質移動単位数(A)はAが増加し、Bは減少し、Cは変わらない。Lが減少し、Sが増加するため、吸収駆動力が減少し、NOGは必然的に増加する。
14. 基本概念：気体吸収過程において、HOGは物質移動装置の性能を示すパラメータであり、NOGは吸収の難易度を示すパラメータである。
15. 基本式：m=E/P、E=ps/HMs、y=mx、C*=H*P。
13. パッキングタワー内で清水を用いて混合ガス中のアンモニアを吸収する際、水ポンプに故障が発生し供給水量が減少すると、気相物質移動単位数(A)はAが増加し、Bは減少し、Cは変わらない。Lが減少し、Sが増加するため、吸収駆動力が減少し、NOGは必然的に増加する。
14. 基本概念：気体吸収過程において、HOGは物質移動装置の性能を示すパラメータであり、NOGは吸収の難易度を示すパラメータである。
15. 基本式：m=E/P、E=ps/HMs、y=mx、C*=H*P。