化工原理：6-2氣液相平衡1

1、第六章第六章 吸收吸收第二節(jié)第二節(jié) 氣液相平衡氣液相平衡化化 工工 原原 理理一、氣體的溶解度一、氣體的溶解度 1. 氣體在液體中溶解度的概念氣體在液體中溶解度的概念 表明一定條件下吸收過程可能達到的極限程度。表明一定條件下吸收過程可能達到的極限程度。 2. 溶解度曲線溶解度曲線 氣體在液體中的飽和濃度氣體在液體中的飽和濃度 *AC對于單組分物理吸收，由相律知對于單組分物理吸收，由相律知 2cf2233溶解度曲線：在一定溫度、壓力下，平衡時溶質(zhì)在氣相和液溶解度曲線：在一定溫度、壓力下，平衡時溶質(zhì)在氣相和液相中的濃度的關(guān)系曲線。相中的濃度的關(guān)系曲線。氣體在液相中的溶解度氣體在液相中的溶解度 ：

2、平衡分壓平衡分壓平衡組成平衡組成化化 工工 原原 理理),(),(AAAAyPTfxPPTfC在總壓不高，在總壓不高，P5atm時時 ),(),(AAAAyTfxPTfC一定溫度下液相組成是氣相組成的單值函數(shù)一定溫度下液相組成是氣相組成的單值函數(shù) )(),(AAAAyfxPfC同理，同理， )(),(AAAAxfyCfP化化 工工 原原 理理化化 工工 原原 理理化化 工工 原原 理理化化 工工 原原 理理吸收劑、溫度吸收劑、溫度T、P 一定時，不同物質(zhì)的溶解度不同一定時，不同物質(zhì)的溶解度不同 溫度、溶液的濃度一定時，溶液上方分壓越大的物質(zhì)越難溶溫度、溶液的濃度一定時，溶液上方分壓越大的物質(zhì)越

3、難溶對于同一種氣體，分壓一定時，溫度對于同一種氣體，分壓一定時，溫度T越高，溶解度越小越高，溶解度越小對于同一種氣體，溫度對于同一種氣體，溫度T一定時，分壓一定時，分壓P越大，溶解度越大越大，溶解度越大加壓和降溫對吸收操作有利加壓和降溫對吸收操作有利 化化 工工 原原 理理二、亨利定律二、亨利定律1. 亨利定律亨利定律 iiExp * E亨利常數(shù)，單位與壓強單位一致亨利常數(shù)，單位與壓強單位一致 。 E值取決于物系的特性及溫度；溫度值取決于物系的特性及溫度；溫度T上升，上升，E值增大；值增大； 在同一溶劑中，在同一溶劑中，E值越大的氣體越難溶。值越大的氣體越難溶。理想溶液：整個組成范圍內(nèi)都符合亨

4、利定律，理想溶液：整個組成范圍內(nèi)都符合亨利定律，E=p0非理想溶液：非理想溶液：E只在液相組成很低的情況下才是常數(shù)只在液相組成很低的情況下才是常數(shù)化化 工工 原原 理理2. 亨利定律的其他表示形式亨利定律的其他表示形式1）用溶質(zhì)）用溶質(zhì)A在溶液中的摩爾濃度和氣相中的分壓表示在溶液中的摩爾濃度和氣相中的分壓表示 Hcpii*H溶解度系數(shù)溶解度系數(shù) ，單位：，單位：kmol/m3Pa 或或 kmol/m3atm H是溫度的函數(shù)，是溫度的函數(shù)，H值隨溫度升高而減小值隨溫度升高而減小易溶氣體易溶氣體H值大，難溶氣體值大，難溶氣體H值小值小化化 工工 原原 理理H與與E的關(guān)系的關(guān)系設(shè)溶液的密度為設(shè)溶液的

5、密度為 3/mkgA的摩爾濃度為的摩爾濃度為3/mkmolci則則)(AsisisAiiiiMMcMcMMcccx)(*AsisiiMMcMEcp)(1AsisMMcEMH對稀溶液，對稀溶液，ci很小很小sEMH化化 工工 原原 理理 2) 氣液相中溶質(zhì)的摩爾分數(shù)表示的亨利定律氣液相中溶質(zhì)的摩爾分數(shù)表示的亨利定律imxyi*m相平衡常數(shù)相平衡常數(shù) ，是溫度和壓強的函數(shù)。，是溫度和壓強的函數(shù)。 溫度升高、總壓下降則溫度升高、總壓下降則m值變大，值變大，m值越大，表明氣體的溶解度越小。值越大，表明氣體的溶解度越小。 m與與E的關(guān)系：的關(guān)系： *iiyppxEp*xPEyPEm 化化 工工 原原 理

6、理3）用摩爾比）用摩爾比Y和和X分別表示氣液兩相組成的亨利定律分別表示氣液兩相組成的亨利定律 摩爾比定義：摩爾比定義： 液相中溶劑的摩爾數(shù)液相中溶質(zhì)的摩爾數(shù)Xxx1數(shù)氣相中惰性組分的摩爾氣相中溶質(zhì)的摩爾數(shù)Yyy1YYyXXx1,1由由 ,*得mxy xmxYY11*化化 工工 原原 理理xmmxY)1 (1*當溶液濃度很低時，當溶液濃度很低時，X0， 上式簡化為：上式簡化為：iimXY *亨利定律的幾種表達形式也可改寫為亨利定律的幾種表達形式也可改寫為HPcEPx* ,mYXmyx* , 化化 工工 原原 理理例：在常壓及例：在常壓及20下，測得氨在水中的平衡數(shù)據(jù)為：下，測得氨在水中的平衡數(shù)據(jù)

7、為：0.5gNH3/100gH2O濃度為的稀氨水上方的平衡分壓為濃度為的稀氨水上方的平衡分壓為400Pa，在該濃度范圍下相平衡關(guān)系可用亨利定律表示，試求亨利，在該濃度范圍下相平衡關(guān)系可用亨利定律表示，試求亨利系數(shù)系數(shù)E，溶解度系數(shù)，溶解度系數(shù)H，及相平衡常數(shù)，及相平衡常數(shù)m。（氨水密度可取。（氨水密度可取為為1000kg/m3） 解：解：由亨利定律表達式知：由亨利定律表達式知：xpE*18/10017/5 . 017/5 . 0 x00527. 0化化 工工 原原 理理亨利系數(shù)為亨利系數(shù)為 xpE 00527. 0400Pa41059. 7又又 mxy *，而，而 Ppy *51001. 14

8、0000395. 0相平衡常數(shù)相平衡常數(shù) 00527. 000395. 0m75. 0Hcp *10001005 . 017/5 . 0c3/293. 0mkmol化化 工工 原原 理理溶解度系數(shù)為：溶解度系數(shù)為： 400293. 0HPamkmol34/1033. 7或由各系數(shù)間的關(guān)系求出其它系數(shù)或由各系數(shù)間的關(guān)系求出其它系數(shù) ssEMH181059. 710004Pamkmol34/1032. 7PEm 341033.1011059. 7749. 0化化 工工 原原 理理三、用氣液平衡關(guān)系分析吸收過程三、用氣液平衡關(guān)系分析吸收過程 1. 判斷過程的方向判斷過程的方向 相對于氣相濃度相對于氣

9、相濃度 y 而言，而言，液相濃度欠飽和液相濃度欠飽和(xy*)，溶質(zhì)，溶質(zhì) A 由氣相由氣相向液相轉(zhuǎn)移。向液相轉(zhuǎn)移。氣、液相濃度氣、液相濃度(y,x)在平在平衡線上方衡線上方(P點點)：yxoy*=f(x)Pyxy*結(jié)論：若系統(tǒng)氣、液相濃度結(jié)論：若系統(tǒng)氣、液相濃度(y,x)在平衡線上方，則體系將在平衡線上方，則體系將發(fā)生從氣相到液相的傳質(zhì)，即吸收過程。發(fā)生從氣相到液相的傳質(zhì)，即吸收過程。x*釋放溶質(zhì)釋放溶質(zhì)吸收溶質(zhì)吸收溶質(zhì)化化 工工 原原 理理相對于氣相濃度而言實相對于氣相濃度而言實際 液 相 濃 度 過 飽 和際 液 相 濃 度 過 飽 和(xx*)，故液相有釋放，故液相有釋放溶質(zhì)溶質(zhì) A

10、的能力。的能力。相對于液相濃度相對于液相濃度 x 而言而言氣 相 濃 度 為 欠 飽 和氣 相 濃 度 為 欠 飽 和(yy*)，溶質(zhì)，溶質(zhì) A 由液相由液相向氣相轉(zhuǎn)移。向氣相轉(zhuǎn)移。氣、液相濃度氣、液相濃度(y,x)在平在平衡線下方衡線下方(Q點點)：yxoy*=f(x)Qyxy*結(jié)論：若系統(tǒng)氣、液相濃度結(jié)論：若系統(tǒng)氣、液相濃度(y,x)在平衡線下方，則體系將在平衡線下方，則體系將發(fā)生從液相到氣相的傳質(zhì)，即解發(fā)生從液相到氣相的傳質(zhì)，即解吸過程。吸過程。x*釋放溶質(zhì)釋放溶質(zhì)吸收溶質(zhì)吸收溶質(zhì)化化 工工 原原 理理相對于氣相濃度而言液相對于氣相濃度而言液相 濃 度 為 平 衡 濃 度相 濃 度 為

11、平 衡 濃 度(x=x*)，故液相不釋放，故液相不釋放或吸收溶質(zhì)或吸收溶質(zhì) A。相對于液相濃度相對于液相濃度 x 而言而言氣相濃度為平衡濃度氣相濃度為平衡濃度(y=y*)，溶質(zhì)，溶質(zhì) A 不發(fā)生不發(fā)生轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移。氣、液相濃度氣、液相濃度(y,x)處于處于平衡線上平衡線上(R點點)：yxoy*=f(x)Ryxy*結(jié)論：若系統(tǒng)氣、液相濃度結(jié)論：若系統(tǒng)氣、液相濃度(y,x)處于平衡線上，則體系從處于平衡線上，則體系從宏觀上講將不會發(fā)生相際間的傳質(zhì)，即系統(tǒng)處于平宏觀上講將不會發(fā)生相際間的傳質(zhì)，即系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。衡狀態(tài)。x*化化 工工 原原 理理 例：在例：在101.3kPa，20下，稀氨水的氣液相平

12、衡關(guān)系為下，稀氨水的氣液相平衡關(guān)系為 ：xy94. 0*，若含氨，若含氨0.094摩爾分數(shù)的混合氣和組成摩爾分數(shù)的混合氣和組成 05. 0Ax的氨水接觸的氨水接觸,確定過程的方向。確定過程的方向。 解：解： 用相平衡關(guān)系確定與實際氣相組成用相平衡關(guān)系確定與實際氣相組成 094. 0y成平衡的液相組成成平衡的液相組成 94. 0/*yx 1 . 0將其與實際組成比較將其與實際組成比較 ： 1 . 005. 0*xx氣液相接觸時，氨將從氣相轉(zhuǎn)入液相，發(fā)生氣液相接觸時，氨將從氣相轉(zhuǎn)入液相，發(fā)生吸收過程吸收過程?；?工工 原原 理理或者利用相平衡關(guān)系確定與實際液相組成成平衡的氣相組成或者利用相平衡關(guān)

13、系確定與實際液相組成成平衡的氣相組成 xy94. 0*05. 094. 0047. 0將其與實際組成比較：將其與實際組成比較： 047. 0094. 0*yy氨從氣相轉(zhuǎn)入液相，發(fā)生氨從氣相轉(zhuǎn)入液相，發(fā)生吸收過程。吸收過程。若含氨若含氨0.02摩爾分數(shù)的混合氣和摩爾分數(shù)的混合氣和 x=0.05的氨水接觸，則的氨水接觸，則 021. 094. 0/02. 094. 0/* yx021. 005. 0*xx氣液相接觸時，氨由液相轉(zhuǎn)入氣相，發(fā)生氣液相接觸時，氨由液相轉(zhuǎn)入氣相，發(fā)生解吸過程解吸過程?；?工工 原原 理理此外，用氣液相平衡曲線圖也可判斷兩相接觸時的傳質(zhì)方向此外，用氣液相平衡曲線圖也可判斷

14、兩相接觸時的傳質(zhì)方向具體方法：具體方法：已知相互接觸的氣液相的已知相互接觸的氣液相的實際組成實際組成y和和x，在，在x-y坐標坐標圖中確定狀態(tài)點，圖中確定狀態(tài)點，若點在若點在平衡曲線上方，則發(fā)生吸平衡曲線上方，則發(fā)生吸收過程；若點在平衡曲線收過程；若點在平衡曲線下方，則發(fā)生解吸過程下方，則發(fā)生解吸過程。 化化 工工 原原 理理2. 計算過程的推動力計算過程的推動力 傳質(zhì)推動力的表示方法可以不同，但效果一樣。 (x*-x)：以液相摩爾分數(shù)差表示的傳質(zhì)推動力。 對吸收過程：(y-y*)：以氣相摩爾分數(shù)差表示的傳質(zhì)推動力；未達平衡的兩相接觸會發(fā)生相際間傳質(zhì)(吸收或解吸)，離平衡濃度越遠，過程傳質(zhì)推動

15、力越大，傳質(zhì)過程進行越快。方法：用氣相或液相濃度遠離平衡的程度來表征氣液相際傳質(zhì)過程的推動力。yxoy*=f(x)Pyxy*x*（y-y*）（x*-x）化化 工工 原原 理理 所謂過程的極限是指兩相充分接觸后，各相組成變化的所謂過程的極限是指兩相充分接觸后，各相組成變化的最大可能性。最大可能性。 組成為組成為y1的混合氣的混合氣 增加塔高增加塔高 減少吸收劑用量減少吸收劑用量 塔底塔底 x1增加增加 極限極限 myxx1*1max1組成為：組成為：組成為組成為y1的混合氣的混合氣增加塔高增加塔高 增加吸收劑用量增加吸收劑用量 塔頂塔頂y2降低降低極限極限 組成為：組成為：2*2min2mxyy3. 確定過程的極限確定過程的極限 化化 工工 原原 理理對吸收而言：對吸收而言：若保持液相濃度若保持液相濃度 x 不變，氣相濃度不變，氣相濃度 y 最低只能降到與之相最低只能降到與之相平衡的濃度平衡的濃度 y*，即，即 ymin=y*；若保持氣相濃度若保持氣相濃度 y 不變