吸收過程的相平衡關(guān)系

1、第 2 節(jié) 吸收過程的相平衡關(guān)系2.2.1氣體在液體中的溶解度1相平衡在一定的溫度和壓強(qiáng)下， 使混合氣體與一定量的吸收劑相接觸， 溶質(zhì)便向液 相轉(zhuǎn)移， 直至液相中溶質(zhì)達(dá)到飽和濃度為止， 這種狀態(tài)稱為相際動平衡， 簡稱相 平衡或平衡。2飽和分壓平衡狀態(tài)下氣相中的溶質(zhì)分壓稱為平衡分壓或飽和分壓。 3飽和濃度（溶解度）液相中的溶質(zhì)濃度稱為平衡濃度或飽和濃度，也即氣體在液體中的溶解度。 溶解度表明一定條件下吸收過程可能達(dá)到的極限程度， 習(xí)慣上用單位質(zhì)量 （或體 積）的液體中所含溶質(zhì)的質(zhì)量來表示。4溶解度曲線氣液相平衡關(guān)系用二維坐標(biāo)繪成的關(guān)系曲線稱為溶解度曲線。 氣體的溶解度通過實(shí)驗(yàn)測定。 圖22圖23

2、及圖 24分別示出常壓下氨、 二氧化硫和氧在水中的溶解度與其在氣相的分壓之間的關(guān)系（以溫度為參數(shù)） 。 圖中的關(guān)系線稱為溶解度曲線。由圖可看出：PHHjtkPa圖Z2氨在水中的溶解度h°hbooo i>eh5上耳瞞悝H0逍P養(yǎng)二>朮»塁淮煙020 4D 6080 100 120p 吟 kPi圖Z4氧在水中的溶解度UOE工話 §X(<£=魁聴熾(1) 在同一溶劑(水)中，不同氣體的溶解度有很大差異。例如，當(dāng)溫度為20 °C、氣相中溶質(zhì)分壓為20kPa時(shí)，每1000kg水中所能溶解的氨、二氧化硫和 氧的質(zhì)量分別為170kg、22k

3、g和0.009kg。這表明氨易溶于水，氧難溶于水，而氧化硫居中(2) 同一溶質(zhì)在相同的溫度下，隨著氣體分壓的提高，在液相中的溶解度加大。例如在10°C時(shí)，當(dāng)氨在氣相中的分壓分別為 40kPa和100kPa時(shí)，每1000kg 水中溶解氧的質(zhì)量分別為 395kg 和 680kg。(3) 同一溶質(zhì)在相同的氣相分壓下，溶解度隨溫度降低而加大。例如，當(dāng)氨的分壓為60kPa時(shí)，溫度從40C降至10C，每1000kg水中溶解的氨從220kg 增加至 515kg。由溶解度曲線所顯示的共同規(guī)律可知：加壓和降溫可以提高氣體的溶解度， 對吸收操作有利；反之，升溫和減壓對脫吸操作有利。2.2.2亨利定律1亨

4、利定律： 描述互成平衡的氣、液兩相間組成的關(guān)系。當(dāng)總壓不高時(shí)，在恒定溫度下，稀溶液上方的氣體溶質(zhì)平衡分壓與其在液相中摩爾分率成正比。由于組成有多種表示方法，所以亨利定律有多種表達(dá)式。2亨利定律表達(dá)式(1) 以 p 及 x 表示的平衡關(guān)系當(dāng)液相組成用物質(zhì)的量的分?jǐn)?shù) (摩爾分?jǐn)?shù)) 表示時(shí)， 則稀溶液上方氣體中溶質(zhì)的分壓與其在液相中物質(zhì)的量的分?jǐn)?shù)(摩爾分?jǐn)?shù))之間存在如下關(guān)系，即：p* = Ex(2- 1)式中 p* 溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓， kPa；x 溶質(zhì)在液相中物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)；E 亨利系數(shù)，單位與壓強(qiáng)單位一致。其數(shù)值隨物系特性及溫度而變。(2) 以 p 及 c 表示的平衡關(guān)系若用物質(zhì)的量濃度c表示

5、溶質(zhì)在液相中的組成，則亨利定律可寫成如下形c式，即：p* = H(2-2)3式中c 單位體積溶液中溶質(zhì)的物質(zhì)的量，kmol/m ；3H 溶解度系數(shù)，kmol/(m kPa)。溶解度系數(shù)的數(shù)值隨物系而變，同時(shí)也是溫度的函數(shù)。對一定的溶質(zhì)和溶劑， H值隨溫度升高而減小。易溶氣體有很大的 H值，難溶氣體的H值很小。對于稀溶液，H值可由下式近似估算，即：PH= EMs(2-3)式中p 溶液的密度，kg / m3；Ms 溶劑的摩爾質(zhì)量。(3)以y與x表示平衡關(guān)系若溶質(zhì)在氣相與液相中的組成分別用物質(zhì)的量的分?jǐn)?shù)y與x表示，亨利定律又可寫成如下形式：y* = mx(2-4)式中y與液相成平衡的氣相中溶質(zhì)物質(zhì)的

6、量的分?jǐn)?shù)；m相平衡常數(shù)，又稱為分配系數(shù)，無因次。式2-4可由式2-1兩邊除以系統(tǒng)的總壓P得到，即：*P eyxP P(4)以X及Y表示平衡關(guān)系在吸收計(jì)算中，為方便起見，常采用物質(zhì)的量之比丫與X分別表示氣、液兩相的組成。物質(zhì)的量之比定義為:X=液相中溶質(zhì)的物質(zhì)的量/液相中溶劑的物質(zhì)的量=x1 -x (2 6)yY=氣相中溶質(zhì)的物質(zhì)的量/氣相中惰性組分物質(zhì)的量二1 - y(2-7)由上式二可得：x = X (1 X)(2 6a)y =Y (1 Y)(2 7a)當(dāng)溶液很稀時(shí)，式2 4又可近似表示為： 丫* = mX(2-8)式2-8表明，當(dāng)液相中溶質(zhì)含量足夠低時(shí)，平衡關(guān)系在 X-Y坐標(biāo)圖中也可 近似

7、的表示成一條通過原點(diǎn)的直線，其斜率為m。亨利定律的各種表達(dá)式既可由液相組成計(jì)算平衡的氣相組成，也可反過來根 據(jù)氣相組成來計(jì)算平衡的液相組成，因此，前述的亨利定律各種表達(dá)式可分別改 寫如下。x* = p/E(2 1a)c* = H/p(2 2a)x*=y/m(2 3a)X*=Y/m(2 4a)223相平衡關(guān)系在吸收操作中的應(yīng)用相平衡關(guān)系在吸收操作中有下面幾項(xiàng)應(yīng)用1 選擇吸收劑和確定適宜的操作條件性能優(yōu)良的吸收劑和適宜的操作條件綜合體現(xiàn)在相平衡常數(shù)m值上。溶劑對溶質(zhì)的溶解度大，加壓和降溫均可使 m值降低，有利于吸收操作。2判斷過程進(jìn)行方向根據(jù)氣、液兩相的實(shí)際組成與相應(yīng)條件下平衡組成的比較，可判斷過

8、程進(jìn)行的方向。若氣相的實(shí)際組成丫大于與液相呈平衡關(guān)系的組成 丫* （二mX）,則為吸收 過程；反之，若丫*丫，則為脫吸過程：丫=丫*，系統(tǒng)處于相際平衡狀態(tài)。3 計(jì)算過程推動力氣相或液相的實(shí)際組成與相應(yīng)條件下的平衡組成的差值表示傳質(zhì)的推動力。 對于吸收過程，傳質(zhì)的推動力為丫-丫*或X* -X o4.確定過程進(jìn)行的極限平衡狀態(tài)即到過程進(jìn)行的極限。對于逆流操作的吸收塔，無論吸收塔有多高， 吸收利用量有多大，吸收尾氣中溶質(zhì)組成 丫2的最低極限是與入塔吸收劑組成呈 平衡，即mX2；吸收液的最大組成Xi不可能高于入塔氣相組成丫1呈平衡的液相 組成，即不高于 Yi/m?？傊?，相平衡限定了被凈化氣體離開吸收塔的最低組成 和吸收液離開塔時(shí)的最高組成。相平衡關(guān)系在吸收操作中的應(yīng)用在 丫一X坐標(biāo)圖上表達(dá)更為清晰，如圖2