第二章第1节气—液相平衡

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易溶
400
50
氨在水中的溶解度曲线
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中等溶解度
68
50
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二氧化硫在水中的溶解度曲线
难溶Leabharlann 0.00250氧在水中的溶解度曲线
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在相同条件下，NH3在水中的溶解度较SO2大得多。 用水作吸收剂时，称NH3为易溶气体，SO2为中等溶解气体，溶 解度更小 的气体则为 难溶气体 ( 如 O2 在 30 ℃ 和溶质的分压为 40kPa的条件下，1kg水中溶解的质量仅为0.014g)。 •吸收剂、温度T、P 一定时，不同物质的溶解度不同。 •温度、溶液的浓度一定时，溶液上方分压越大的物质越难溶。 •对于同一种气体，分压一定时，温度T越高，溶解度越小。 •对于同一种气体，温度T一定时，分压P越大，溶解度越大。 •加压和降温对吸收操作有利 ,升温和减压利于脱吸。 2017/12/1
*
X —— 溶质在液相中的摩尔比浓度； Y* —— 与X 呈平衡的气相中溶质的摩尔比浓度。 当m趋近1或当X很小时 对于大多数气体:
Y* mX
t E , H , m
P E , H , m
即：气体溶解度随温度的升高而减小, 随压力的增加而增大。
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亨利定律的几种表达形式也可改写为
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第一节 气—液相平衡
一、气体的溶解度
如果把氨气和水共同封存在容器中，令体系的压力和温度 维持一定，由于氨易溶于水，氨的分子便穿越两相界面进入 水中，但进到水中的氨分子也会有一部分返回气相，只不过 刚开始的时候进多出少。水中溶解的氨量越多，浓度越大， 氨分子从溶液逸出的速率也就越大，直到最后，氨分子从气 相进入液相的速率便等于它从液相返回气相的速率，氨实际 上便不再溶解进水里，溶液的浓度也就不再变化，这种状态 称为相际动平衡，简称相平衡或平衡。 相律F=C-P+n ，独立组分数：C=3 (A、B、S)，相数：P=2 （气、液相），影响因素：n=2（温度、压强） 故：自由度F=3-2+2=3，即气相组成、液相组成、温度、压 力4个变量中，已知3个量，便可确定余下的1个量。
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散装填料 塑料鲍尔环填料
(2)吸收流程——吸收-解吸流程 吸收与解吸(脱吸) 互为逆过程
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工业上从合成氨原料混合气体中回收CO2
蒸馏与吸收操作对比

蒸馏改变状态参数产生第二相，吸收从外界引入另一相 形成两相系统； 蒸馏直接获得易挥发、难挥发组分，吸收混合液经脱吸 才能得到较纯组分； 蒸馏中气相中难挥发组分向液相传递，液相中易挥发组 分向气相传递，是双相传递；吸收中溶质分子由气相向 液相单相传递，惰性组分及溶剂组分处于“停滞”状态。
化工原理
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第二章
概述

吸收
利用混合气体中各组分在液体中溶解度的差异而分离均相气 体混合物的单元操作称为吸收。吸收操作时某些易溶组分进 入液相形成溶液，不溶或难溶组分仍留在气相，从而实现混 合气体的分离。 吸收剂 相界面
气相主体 液相主体
•气体吸收是混合气 体中某些组分在气 液相界面上溶解、 在气相和液相内由 浓度差推动的传质 过程。
分离依据 产生两相的方法 吸收 蒸馏
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处理原料 一般为气 体混合物
一般为液 体混合物
传质方向 单相 （气相→液相)
双相 （气相液相)
溶解度 不同
挥发度 不同
外部引入气相和 液相
加热冷却产生气 相和液相
本章以分析单组分的等温物理吸收为重点，以便掌握最 基本的原理。




气体吸收是物质自气相到液相的转移，这是一种传质过程。 混合气体中某一组分能否进入溶液里，既取决于该组分的分压， 也取决于溶液里该组分的平衡蒸气压。如果混合气体中该气体的 分压大于溶液中该组分的平衡蒸气压，这个组分便可自气相转移 至液相，即被吸收。由于转移的结果，溶液里这个组分的浓度便 增高，它的平衡蒸气压也随着增高，到最后，可以增高到等于它 在气相中的分压，传质过程于是停止，这时称为气液两相达到平 衡。 反之，如果溶液中的某一组分的平衡蒸气压大于混合气体中该组 分的分压，这个组分便要从溶液中释放出来，即从液相转移到气 相，这种情况称为解吸（或脱吸）。 所以根据两相的平衡关系可以判断传质过程的方向与极限，而且， 两相的浓度距离平衡愈远，则传质的推动力愈大，传质速率也愈 大。 吸收操作的分析，应该从气液两相的平衡关系与传质速率关系着 手，本章各节即如此展开讨论。
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四、相平衡关系在吸收过程中的应用
1、判断传质进行的方向
气、液相浓度 ( y,x) 在平衡 线上方(P点)； 相对于液相浓度x而言，气 相 浓 度 为 过 饱 和 ( y>y*)， 溶质 A 由气相向液相转移；
y*
y
y
释放溶质
P
y*=f(x)
吸收溶质
相对于气相浓度 y 而言， 液相浓度欠饱和 ( x<x*) ， 故液相有吸收溶质 A 的能 力。
多组分吸收
化学吸收
几个组分同时溶解
单组分吸收 √除A组分外, 其他组分均不溶解
, 纯物理溶解 物理吸收 √ A与S无化学作用
A、S发生化学反应
按溶质组 成的高低 按吸收的 温度变化
按气液接 触方式
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低组成吸收√ 高组成吸收 等温吸收 √体系温度变化不显著的吸收过程 非等温吸收 逐级接触吸收 连续接触吸收 √
(3) 气体净化 一类是原料气的净化，即除去混合气体中 的杂质，如合成氨原料气脱H2S、脱CO2等；另一类是尾 气处理和废气净化以保护环境，如燃煤锅炉烟气，冶炼 废气等脱除SO2，硝酸尾气脱除NO2等。
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二、气体吸收的分类
气体吸收过程的分类方法 按被吸收 组分数目 按吸收有 无化反应 气体 吸收

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吸收剂(S)
吸 收 塔
吸收尾气 (A+B)
吸收液(A+S)
一、吸收操作的用途

(1) 制取产品 用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品。 如硫酸吸收SO3制浓硫酸，水吸收甲醛制福尔马林溶液，
用水吸收氯化氢制盐酸等 。

(2) 分离混合气体 吸收剂选择性地吸收气体中某些组分 以达到分离目的。例如石油馏分裂解生产出来的乙烯、 丙烯，还与氢、甲烷等混在一起，可用分子量较大的液 态烃把乙烯、丙烯吸收，使与甲烷、氢分离开来 。
体系温度发生明显变化的吸 收过程
三．吸收设备和流程
板式塔 (1)吸收设备-----塔设备 填料塔
级式接触
连续接触(也称微分接触)
级式接触：气、液两相逐级接触传 质，两相的组成呈阶跃变化。 如板 式塔。 连续接触 ( 也称微分接触 ) ：气、液 两相的浓度呈连续变化。如填料塔。
规整填料 塑料丝网波纹填料
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在低浓度气体吸收计算中，通常采用基准不变的摩尔比Y（或 X） 表示组成。
气相中溶质A的摩尔数 y Y 气相中惰气B的摩尔数 1 y 液相中溶质A的摩尔数 x X 液相中溶剂S的摩尔数 1x
以摩尔比表示组成的相平衡关系
+
yi* mxi
mX Y 1 (1 m) X

溶解度大 吸收剂的选择主要考虑的是溶解度，溶解度大则吸收剂用 量少，吸收速率也大，设备的尺寸便小；
选择性好 很显然，吸收剂对溶质气体的溶解度既要大，对混合气体 中其他组分的溶解度却要小或基本上不溶，这样才能进行有效的分离， 满足这一要求称为选择性好； 挥发度要小 吸收剂的挥发度要小，即在操作温度下它的蒸气压要低， 经过吸收后的气体在排出时，往往为吸收剂蒸气所饱和，吸收剂的挥 发度高，其损失量便大。 此外所选用的溶剂尽可能满足无腐蚀性，粘度小，无毒，不燃，价廉 易得等条件。
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y x
xi
界面 yi 气相扩散 液相扩散
气体
吸收质或溶质：混合气体中的溶 解组分，以A表示。 惰性气体或载体：不溶或难溶组 分，以B表示。 吸收剂：吸收操作中所用的溶剂， 以S表示。 吸收液：吸收操作后得到的溶液， 主要成分为溶剂S和溶质A。 吸收尾气：吸收后排出的气体， 混合气体 (A+B) 主要成分为惰性气体B和少量的 溶质A。 吸收过程在吸收塔中进行，逆流 操作吸收塔示意图如右所示。
o
x
x* x
结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线上方，则体系将发生从
气相到液相的传质，即吸收过程。
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1、判断传质进行的方向
气、液相浓度 ( y,x) 在平衡 线下方(Q点)； 相对于液相浓度 x 而言气 相浓度为欠饱和 ( y<y*)， 溶质 A 由液相向气相转移。 相对于气相浓度而言实 际液相浓度过饱和(x>x*)， 故液相有释放溶质 A 的 能力。
y y*
吸收溶质
y*=f(x)
y
释放溶质
Q
o
x*
x
x
结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线下方，则体系将发生从
液相到气相的传质，即解吸过程。
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1、判断传质进行的方向
气、液相浓度 ( y,x) 处于平 衡线上(R点)； 相对于液相浓度 x 而言气 相浓度为平衡浓度 ( y=y*)， 溶质A不发生转移。 相对于气相浓度而言液相 浓度为平衡浓度 ( x=x*) ， 故液相不释放或吸收溶质 A。
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亨利定律的其它形式 当气、液相溶质浓度用其它组成表示法表示时，通过浓 度换算可得其它形式的亨利定律。常用的形式有
yi mxi
*
1 pi ci H
*
yi* —— 与组成为 x 的液相呈平衡的气相中溶质的摩尔分数；
ci —— 溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3； m —— 相平衡常数；
H —— 溶解度系数；kmol/(m3kPa)；
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m与E的关系： 由分压定律知 ：pi
P yi
p yi * i P
* p Ex 由亨利定律：
E y x P

即：
E m P
cm H E
E 三个比例系数之间的关系： m P
cm

Ms
式中cm为溶液的总浓度(kmol/m3)。 对于稀溶液，因溶质的浓度很小，因此cm=/Ms ，其中为溶液 的密度，Ms为溶剂的摩尔质量。
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在温度和压力一定的条件下，平衡时的气、液相组成具有 一一对应关系。

平衡状态下气相中溶质的分压称为平衡分压或饱和分压，
与之对应的液相浓度称为平衡浓度或气体在液体中的溶解
度。这时溶液已经饱和，即达到了它在一定条件下的溶解 度，也就是指气体在液相中的饱和浓度，习惯上以单位质 量（或体积）的液体中所含溶质的质量来表示，也表明一 定条件下吸收过程可能达到的极限程度。
y y* y
y*=f(x)
R
o
x* x
x
结论：若系统气、液相浓度(y,x)处于平衡线上，则体系从宏观上
讲将不会发生相际间的传质，即系统处于平衡状态。
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例：在101.3kPa，20℃下,稀氨水的气液相平衡关系为 ：
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气体（A＋B） 在一定温度和压力下， 令某气体混合物（A＋B）与 液体 S 接触。
A 溶解 A 逸出
液体 S
达平衡状态时 液相组成 XA 气相分压 P*A
P*A=f(XA) P*A~XA曲线
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气体在液体 中的溶解度
平衡方程 溶解度曲线
溶解度曲线：在一定温度、压力下，平衡时溶质在 气相和液相中浓度的关系曲线。
二、亨利定律
当总压不太高（≤5×105 Pa）时，一定温度下溶质在液相中的 溶解度与其在气相中的分压成正比。稀溶液溶解度曲线近似为 直线，即
pi* Exi
—— 亨利定律
式中： pi* —— 溶质在气相中的平衡分压，kPa； xi —— 溶质在液相中的摩尔分数； E —— 亨利系数，kPa。 亨利系数的值随物系的特性及温度而异； 物系一定，E值一般随温度的上升而增大； E值的大小代表了气体在该溶剂中溶解的难易程度； 在同一溶剂中，难溶气体E值很大，易溶气体E值很小； E的单位与气相分压的压强单位一致。
Pi x , ci * HPi E
*
yi Yi * xi , X i m m
*
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三、吸收剂的选择

吸收剂性能的优劣，是决定吸收操作效果是否良好的关键。如果吸收 的目的是制取某种溶液作成品，例如用HCl气生产盐酸，吸收剂只能 用水，自然没有选择的余地，但如果目的在于把一部分气体从混合物 中分离出来，便应考虑选择合用的吸收剂问题。