气液相平衡关系

1、4. 2气液相平衡关系本节教学要求1、重点掌握的内容：相平衡的影响因素及相平衡关系在吸收过程中的应用；2、熟悉的内容：溶解度、平衡状态、平衡分压、亨利定律.4.2.1相组成表示方法1 .质量分率与摩尔分率质量分率：质量分率是指在混合物中某组分的质量占混合物总质量的分率.对于混合物 中的A组分有.mA,、Wa (4-1)m式中Wa 组分A的质量分率；mA 混合物中组分 A的质量,kg；m混合物总质量,kg.wA + wB + wN =1(4-2)摩尔分率：摩尔分率是指在混合物中某组分的摩尔数nA占混合物总摩尔数 n的分率.对于混合物中的 A组分有气相：yA =n-(4-3)n液相：xA = -A

2、-(4-4)n式中Na、Xa 分别为组分 A在气相和液相中的摩尔分率；nA 液相或气相中组分 A的摩尔数,n 液相或气相的总摩尔数.Na +yB + , Nn =1(4-5)Xa +Xb + ', Xn =1(4-6)质量分率与摩尔分率的关系为:(4-7)w a/M aXa :TTw a/M a ：fw b/M b - w N /M N式中Ma、Mb 分别为组分 A、B的分子量.2 .摩尔比摩尔比是指混合物中某组分 A的摩尔数与惰性组分 B 不参加传质的组分的摩尔数之比,其定义式为YanA0b(4-8)Xa0a0b(4-9)式中 Ya、Xa 分别为组分 A在气相和液相中的摩尔比;摩尔分

3、率与摩尔比的关系为X x 二1 X y y=1 yx -1-x(4-10)(4-11)(4-12)(4-13)【例5-1】 在一常压、298K的吸收塔内,用水吸收混合气中的SO?.混合气体中含SO2的体积百分比为20%,其余组分可看作惰性气体,出塔气体中含 SO2体积百分比为2%,试分别用摩尔分率、摩尔比和摩尔浓度表示出塔气体中SO2的组成.解：混合气可视为理想气体,以下标2表示出塔气体的状态.V2 =0.02丫2 =V21-y20.021 -0.02:0.02PA2 = py2 =101.3 0.02=2.026kPa-0a2 Pa2 2.026一 =-=cA2RT8.314 298= 8.

4、018 104kmol/m 3.s'图4-2氨在水中的溶解度由图4-2可见,在一定的温度下,气相中溶质组成y不变,当总压p增加时,在同一溶4. 2. 2气体在液体中的溶解度1 .溶解度曲线平衡状态：在一定压力和温度下, 使一定量的吸收剂与混合气体充分接触, 气相中的溶 质便向液相溶剂中转移, 经长期充分接触之后,液相中溶质组分的浓度不再增加,此时,气液两相到达平衡,此状态为平衡状态.饱和浓度：气液平衡时,溶质在液相中的浓度为饱和浓度溶解度.平衡分压：气液平衡时,气相中溶质的分压为平衡分压.相平衡关系：平衡时溶质组分在气液两相中的浓度关系为相平衡关系.溶解度曲线：气液相平衡关系用二维坐标

5、绘成的关系曲线称为溶解度曲线.0. 07Q+ 06H 050.040. 030, 010.0101 X10",3X L0-fH A图4-3 20c下SO2在水中的溶解度剂中溶质的溶解度 x随之增加,这将有利于吸收,故吸收操作通常在加压条件下进行.由图4-3可知,当总p、气相中溶质y 一定时,吸收温度下降,溶解度大幅度提升,吸 收剂常常经冷却后进入吸收塔.结论：加压和降温有利于吸收操作过程；而减压和升温那么有利于解吸操作过程.液相中sof摩尔分图4-4 101.3kPa下SO2在水中的溶解度100,10 * 内,kmol/m5图4-5几种气体在水中的溶解度曲线易溶气体：溶解度大的气体如

6、 NH3等称为易溶气体；难溶气体：溶解度小的气体如 .2、CO2溶解度适中的气体：介乎其间的如SO2等气体称为溶解度适中的气体.等气体称为难溶气体；4.2 . 3.亨利定律亨利定律的内容：总压不高譬如不超过5X 105Pa时,在一定温度下,稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分率成正比,其比例系数为亨利系数.亨利定律的数学表达式p* = Ex 4-14式中 p*溶质在气相中的平衡分压,kPa;E亨利系数,kPa; T , E.x溶质在液相中的摩尔分率.亨利定律有不同的表达形式：,* c,2p = 4-15H式中 c溶质在液相中的摩尔浓度,kmol/m 3;3H溶解度系数,kmol

7、/ m , kPa;p 溶质在气相中的平衡分压,kPa.溶解度系数H与亨利系数E的关系为:E 二HM 0(4-16)式中：S为溶剂的密度,kg/m3.T , H.（3） y* = mx4-17式中x液相中溶质的摩尔分率；y* 与液相组成x相平衡的气相中溶质的摩尔分率；m相平衡常数,无因次.相平衡常数m与亨利系数E的关系为：Em = 一P当物系一定时,T.或P ,那么m, , , *4Y =mX式中X一液相中溶质的摩尔比；(4-18)(4-19)Y*与液相组成 X相平衡的气相中溶质的摩尔比;【例5-2】某系统温度为10C,总压101.3kPa,试求此条件下在与空气充分接触后的水中, 每立方米水溶解了多少克氧气？解：空气按理想气体处理,由道尔顿分压定律可知,氧气在气相中的分压为：*p = py = 101.3X 0.21=21.27kPa氧气为难溶气体,故氧气在水中的液相组成 x很低,气液相平衡关系服从亨利定律,由表5-1查得10c时,氧气在水中