化工原理第五章气液相平衡

1、关于化工原理第五章气液相平衡第1页，共31页，2022年，5月20日，13点21分，星期四2022/10/7一、气体在液体中的溶解度1、有关概念（1）相平衡 【定义】若有两个或两个以上的均相，虽然它们互相紧密接触，但它们各自的性质并不随时间而改变，此状态称为“相平衡” 。【特点】从热力学上看，整个物系的自由焓处于最小的状态；从动力学来看，相间表观传递速率为零。第2页，共31页，2022年，5月20日，13点21分，星期四2022/10/7气液相平衡示意图【说明】气液相平衡是一种动态平衡。xy第3页，共31页，2022年，5月20日，13点21分，星期四2022/10/7（3）平衡分压 气液平衡

2、时，气相中溶质的分压为平衡分压。 （4）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。（5）溶解度曲线 气液相平衡关系用二维坐标绘成的关系曲线称为溶解度曲线。（2）饱和浓度 气液平衡时，溶质在液相中的浓度为饱和浓度（平衡溶解度）。第4页，共31页，2022年，5月20日，13点21分，星期四2022/10/7 对单组分物理吸收的物系，根据相律： FK23223 （K3，溶质A，惰性组分B，溶剂S，2，气、液两相）【结论】在温度T、总压P和气、液相组成共4个变量中，有3个自变量（独立变量），另1个是它们的函数。即： 2、相平衡的理论依据第5页，共31页，2022年，5月20日，1

3、3点21分，星期四2022/10/7【易溶气体】溶解度大的气体如NH3等称为易溶气体；【难溶气体】 溶解度小的气体如O2 、CO2等气体： 介乎其间的气体称为溶解度适中的气体（如SO2等）。 【结论】不同气体在同一种吸收剂中的溶解度不同。不同气体在同一种吸收剂中的溶解度温度（T）、压力（P）一定pA(yA)xA 图第6页，共31页，2022年，5月20日，13点21分，星期四2022/10/7平衡分压与溶解度的关系（P、T一定）【结论】溶质（氨）在水中的溶解度随其在气相中的分压增大而增大。氨在水中的溶解度第7页，共31页，2022年，5月20日，13点21分，星期四2022/10/7【规律】当

4、总压P、气相中溶质y一定时，吸收温度下降，溶解度大幅度提高。【启示】吸收剂常常经冷却后进入吸收塔（在低温下吸收）。 温度对溶解度的影响（P、y一定）第8页，共31页，2022年，5月20日，13点21分，星期四2022/10/7总压对溶解度的影响（T、y一定）【规律】在一定的温度下，气相中溶质组成y不变，当总压P增加时，在同一溶剂中溶质的溶解度x随之增加。【启示】吸收操作通常在加压条件下进行。 20下SO2在水中的溶解度第9页，共31页，2022年，5月20日，13点21分，星期四2022/10/7二、亨利定律【亨利定律】1803年英国化学家威廉.亨利研究气体在液体中的溶解度时，总结出一条经验

5、规律 ：“在一定的温度和压强下，一种气体在液体里的溶解度与该气体的平衡分压成正比”。【亨利定律的应用条件】（1）总压不高（不超过5105Pa，5atm）；（2）温度一定；（3）稀溶液。第10页，共31页，2022年，5月20日，13点21分，星期四2022/10/7亨利简介 威廉亨利于1774年12月12日出生在英国的曼彻斯特市。 他们祖孙三代都是医师兼有名的化学家。发明亨利定律的亨利的名字是威廉亨利（William Henry），他的父亲名托马斯亨利( Thomas Henry），他的儿子名威廉查尔斯亨利（William Charles Henry）。他们三代是十八世纪到十九世纪的著名学者。

6、 威廉亨利在1795年进爱丁堡大学，一年之后。因为他父亲医务工作上需要助手，他离开了大学，在家里做实医师。到1805年他又回到爱丁堡大学，继续学业。1807年化完成了医学博士学位。 亨利定律是在1803年由威廉亨利在英国皇家学会上宣读的一篇论文里，加以详细说明的。从此以后，这个定律就被命名为亨利定律了。 1888年，在亨利发表他的定律八十多年后，法国化学家拉乌尔（FrancoisMarie Raoult，18301901）发表了他在溶液蒸气压方面的发现，这就是我们现在所称的拉乌尔定律。 亨利晚年因为严重的头痛和失眠，几乎无法工作，于1836年9月2日离开人世，终年62岁。第11页，共31页，2

7、022年，5月20日，13点21分，星期四2022/10/71、亨利定律的数学表达式式中： pA*溶质在气相中的平衡分压，kPa； E亨利系数，kPa； xA 溶质在液相中的摩尔分率。第12页，共31页，2022年，5月20日，13点21分，星期四2022/10/7（1）对于理想溶液，在压力不高及温度恒定的条件下，PA*x关系在整个组成范围内都符合亨利定律，而亨利系数即为该温度下纯溶质的饱和蒸汽压，此时亨利定律与拉乌尔定律是一致的。（2）实际的吸收操作所涉及的系统多为非理想溶液，此时亨利系数不等于纯溶质的饱和蒸汽压，且只在液相溶质组成很低时（稀溶液）才是常数。【两点讨论】第13页，共31页，2

8、022年，5月20日，13点21分，星期四2022/10/72、亨利系数E【作用】亨利系数是物性常数，表明一种组分溶解的难易程度。在同一溶剂中，难溶气体的E值很大，而易溶气体的E值则很小。 【影响因素】对于一定的气体溶质和溶剂，亨利系数随温度而变化。【变化规律】温度升高则E增大（溶解度随温度升高而减小）。【获取方法】亨利系数可由实验测定，亦可从有关手册中查得。第14页，共31页，2022年，5月20日，13点21分，星期四2022/10/7气体 温度 /( ) 种类 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 60 70 80 90 100 (E106)/(kPa)H2 5.

9、87 6.16 6.44 6.70 6.92 7.16 7.39 7.52 7.61 7.70 7.75 7.75 7.71 7.65 7.61 7.55 空气 4.38 4.94 5.56 6.15 6.73 7.30 7.81 8.34 8.82 9.23 9.59 10.2 10.6 10.8 10.9 10.8 CO 3.57 4.01 4.48 4.95 5.43 5.88 6.28 6.68 7.05 7.39 7.71 8.32 8.57 8.57 8.57 8.57 O2 2.58 2.95 3.31 3.69 4.06 4.44 4.81 5.14 5.42 5.70 5.9

10、6 6.37 6.72 6.96 7.08 7.10 CH4 2.27 2.62 3.01 3.41 3.81 4.18 4.55 4.92 5.27 5.58 5.85 6.34 6.75 6.91 7.01 7.10 第15页，共31页，2022年，5月20日，13点21分，星期四2022/10/73、亨利定律的其他表达形式 若气相组成用分压表示、液相组成用摩尔浓度表示，则：式中 cA溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3； H溶解度系数，kmol/（m3kPa）； PA*溶质在气相中的平衡分压，kPa。 第16页，共31页，2022年，5月20日，13点21分，星期四2022/10/7【

11、溶解度系数 H 与亨利系数 E 的关系】式中 cA液相中A组分的摩尔浓度，kmol/m3； s 溶剂的密度，kg/m3； Ms溶剂的摩尔质量，kg/kmol。 近似式：第17页，共31页，2022年，5月20日，13点21分，星期四2022/10/7 若气、液相组成均用摩尔分率表示，则：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。第18页，共31页，2022年，5月20日，13点21分，星期四2022/10/7【相平衡常数 m 与亨利系数 E 的关系】P气相中的总压，kPa。第19页，共31页，2022年，5月20日，13点21分，星

12、期四2022/10/7 若气、液相组成均用摩尔比表示，可推得： 当液相组成 X 很小时，则：式中 X液相中溶质的摩尔比； Y* 与液相组成X相平衡的气相中溶质的摩尔比。第20页，共31页，2022年，5月20日，13点21分，星期四2022/10/7三、相平衡关系在吸收过程中的应用1、判断过程进行的方向 发生吸收过程的充分必要条件是：反之，溶质自液相转移至气相，即发生解吸过程。y y*x x*或：第21页，共31页，2022年，5月20日，13点21分，星期四2022/10/7平衡关系：y*x吸收解吸判断过程进行的方向第22页，共31页，2022年，5月20日，13点21分，星期四2022/1

13、0/72、指明过程进行的极限 如塔无限高（气液两相接触时间相当长）的情况下，塔底液相的最大出口浓度：【定义】当气液两相接触的时间相当长时，两相将达到平衡状态，此时即为过程的极限。第23页，共31页，2022年，5月20日，13点21分，星期四2022/10/7 又如无限高的塔内，大量的吸收剂和较小气体流量，塔顶气相的出口组成为： 【结论】当x20（纯吸收剂）时，y2,min0 ，理论上实现气相溶质的全部吸收。第24页，共31页，2022年，5月20日，13点21分，星期四2022/10/73、确定过程的推动力过程的推动力实际状态与平衡状态的差距。【yy*】以气相中溶质摩尔分率差表示吸收过程的推

14、动力；【x*x】以液相中溶质的摩尔分率差表示吸收过程的推动力；【 pAp*A】以气相分压差表示的吸收过程推动力；【c*AcA】以液相摩尔浓度差表示的吸收过程推动力。 第25页，共31页，2022年，5月20日，13点21分，星期四2022/10/7气相推动力液相推动力吸收推动力示意图yx第26页，共31页，2022年，5月20日，13点21分，星期四2022/10/7【例】在总压101.3kPa，温度30的条件下, SO2摩尔分率为0.3的混合气体与SO2摩尔分率为0.01的水溶液相接触，试问：（1）从液相分析SO2的传质方向；（2）从气相分析，其它条件不变，温度降到0时SO2的传质方向；（3

15、）其它条件不变，从气相分析，总压提高到202.6kPa时SO2的传质方向，并计算以液相摩尔分率差及气相摩尔率差表示的传质推动力。第27页，共31页，2022年，5月20日，13点21分，星期四2022/10/7【解】（1）查得在总压101.3kPa，温度30条件下SO2在水中的亨利系数E=4850kPa 所以 从液相分析 故SO2必然从液相转移到气相，进行解吸过程。第28页，共31页，2022年，5月20日，13点21分，星期四2022/10/7（2）查得在总压101.3kPa，温度0的条件下，SO2在水中的亨利系数E1670kPa 从气相分析y*mx16.490.010.16y0.3故SO2必然从气相转移到液相，进行吸收过程。【结论】降低温度（101.3kPa，300）有利于吸收。第29页，共31页，2022年，