气液相平衡在吸收操作中的意义
化工原理第九章 吸收
p
* A
cA H
或
cA* HpA
H——溶解度系数 ，单位：kmol/m3·Pa或kmol/m3·atm。
H是温度的函数，H值随温度升高而减小。
易溶气体H值大，难溶气体H值小。
溶解度系数H与亨利系数E间的关系
pA*
cA H
,
pA*
ExA, xA
cA c
E
c H
设溶液的密度为 kg / m3，浓度为 c kmol / m3 ，则
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气相： 液相：
yA
nA n
xA
nA n
yA yB yN 1 xA xB xN 1
质量分数与摩尔分数的关系：
xA
nA n
mw A
/ MA
mw A / M A mw B / MB mw N
/ MN
wA/M A
wA/M A wB/MB wN/M N
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第二节 气液相平衡
一、气体的溶解度 二、亨利定律 三、气液相平衡与吸收过程 的关系
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一、气体的溶解度
1、气体在液体中溶解度的概念
气体在液相中的溶解度 ：气体在液体中的饱和浓度 cA*
表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。
2、溶解度曲线
对于单组分物理吸收，由相律知
f c 2 322 3
2、质量比与摩尔比
质量比：混合物中某组分A的质量与惰性组分B
（不参加传质的组分）的质量之比。 wA mA mB
摩尔比：混合物中某组分的摩尔数与惰性组分摩 尔数之比。
气相：
YA
nA nB
液相： X A
nA nB
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气液相平衡关系
二、气液相平衡关系 平衡状态：在一定压力和温度下，当吸收和解吸速率相等时，气液两相达到平衡。
相平衡关系：吸收过程中气液两相达到平衡时，吸收质在气相和液相中的浓度关系1．气体在液体中的溶解度 （图8-1）平衡时溶质在气相中的分压称为平衡分压，用符号*A p 表示；溶质在液相中的浓度称为平衡溶解度，简称溶解度；它们之间的关系称为相平衡关系。
结论：①在相同的吸收剂、温度和分压下，不同溶质的溶解度不同;②分压一定时，温度越低，则溶解度越大。
较低的温度有利于吸收操作;③温度T 一定时，分压P 越大，溶解度越大。
较高的分压有利于吸收操作;④加压和降温对吸收操作有利。
2．亨利定律（1）亨利定律亨利定律内容：在总压不太高，温度一定的条件下，稀溶液上方溶剂的平衡分压*A p 与溶质在液相中的摩尔分数A x 成正比，比例系数为亨利系数E 。
即： A A Ex p =* 形式一E ——亨利系数， Pa讨论：①E 的来源：实验测得，查手册②E 的影响因素：溶质、溶剂、T 。
物系一定时， ③亨利系数表示气体溶解的难易程度。
E 大的，溶解度小，难溶气体；E 小的，溶解度大，易溶气体。
（2）亨利定律的其它形式① 溶质在液相中的浓度用量浓度A c 表示，气相用分压*A p 表示，则： Hc p A A =* 形式二 ↑↑⇒E TH ——溶解度系数，实验测定。
溶解度↓溶解度系数表示气体溶解的难易程度。
易溶气体，H ↑；难溶气体，H ↓。
溶解度系数H 和亨利系数E 的关系：剂剂EM H ρ=②溶质在气液相中的浓度均用摩尔浓度表示， 则：A A A mx x PE P p y ===** 形式三 m ——相平衡常数。
P E m = 是温度和压强的函数。
讨论：1）P 一定时， 溶解度↓。
升温不利于吸收；2）t 一定时， 溶解度↑。
加压有利于吸收。
③溶质在气液相中的浓度均用比摩尔分数表示时，AA A A X X m Y Y +=+**11 整理得： A A A X m mX Y )1(1-+=* 形式四 比摩尔分数表示的气液相平衡关系。
吸收过程的气液相平衡关系
VB (Y1 Y2 ) N A Za K Y Ym Za VB Y1 Y2 Z K Y a Ym N oG Y1 Y2 Ym
（3）图解积分法
适用范围：普遍适用于各种平衡关系
步骤：
N OG
dY Y2 Y Y *
Y1
i 在X--Y作标系中绘出平衡线,与操作线
Y* X m * 1 Y 1 X
Y*=mX
mX Y 1 (1 m) X
*
亨利定律是稀溶液定律,则x很小,1+（1-m）X=1则
二、相平衡与吸收的关系 1、判断过程进行方向
x=0.05 y=0.1 y*=0.94x y*=0.94×0.05=0.047 > y x*=0.1/0.94=0.106 > x x=0.1 y=0.05 y*=0.1×0.94=0.094 > y x*=0.05/0.94=0.053 < x
ii 选点,列表
iii 作Y—1/（Y-Y*）图 iv 求面积
五、吸收塔计算分析
1、等分子反向扩散
D p A1 p A2 NA RTZ
2、一组分通过另一停滞组分的扩散
DP pA1 pA2 NA RTZPBm
（三）液相中的稳定分子扩散
液相中的扩散速度远远小于气相中的扩散速度， 而且发生等分子反向扩散的机会很少，一组分通过 另一停滞组分的较多见。
' D C ' cA1 cA2 NA zcsm
二、传质机理
（一）分子扩散和菲克定律 分子扩散：在一相内部有浓度差的条件下，由于 分子的无规则热运动而造成的物质传递现象。 菲克定律
J A D AB
dC A dz
《化工原理》第八章 吸收
中一
Y A mX A
（8-11）
第二节 吸收过程的相平衡关系
（3）吸收平衡线 表明吸收过程中气、液相平衡关系 的图线称吸收平衡线。在吸收操作中，通常用图来表示。
图8-2吸收平衡线
第二节 吸收过程的相平衡关系
式（8-10）是用比摩尔分数表示的气液相平衡关系。 它在坐标系中是一条经原点的曲线，称为吸收平衡线，如 图8-2（a）所示；式（8-11）在图坐标系中表示为一条经 原点、斜率为m的直线。如图8-2（b）所示。 （4）相平衡在吸收过程中的应用 ①判断吸收能否进行。由于溶解平衡是吸收进行的极 限，所以，在一定温度下，吸收若能进行，则气相中溶质 的实际组成 Y A 必须大于与液相中溶质含量成平衡时的组 成 Y ，即YA Y 。若出现 YA Y 时，则过程反向进行，为 解吸操作。图8-2中的A点，为操作（实际状态）点，若A Y 点位于平衡线的上方， A Y 为吸收过程；点在平衡线上，
yB 1 yA
（3）比质量分数与比摩尔分数的换算关系
WA mA nAM A M XA A mB nB M B MB
（8-3）
第二节 吸收过程的相平衡关系
M 式中 M 、B 分别为混合物中、组分的千摩尔质量， kg/kmol 。 在计算比质量分数或比摩尔分数的数值时，通常以在 操作中不转移到另一相的组分作为组分。在吸收中，组分 是指吸收剂或惰性气，组分是指吸收质。 2．质量浓度与物质的量浓度 质量浓度是指单位体积混合物内所含物质的质量。对 于组分,有 m V （8-4） 式中 A ——混合物中组分的质量浓度，㎏/m3； V ——混合物的总体积，m3。
二、气液相平衡关系
吸收的相平衡关系，是指气液两相达到平衡时，被吸 收的组分（吸收质）在两相中的浓度关系，即吸收质在吸 收剂中的平衡溶解度。 1．气体在液体中的溶解度 在恒定的压力和温度下，用一定量的溶剂与混合气体 在一密闭容器中相接触，混合气中的溶质便向液相内转移， 而溶于液相内的溶质又会从溶剂中逸出返回气相。随着溶 质在液相中的溶解量增多，溶质返回气相的量也在逐渐增 大，直到吸收速率与解吸速率相等时，溶质在气液两相中 的浓度不再发生变化，此时气液两相达到了动平衡。平衡 p A 表示； 时溶质在气相中的分压称为平衡分压，用符号 溶质在液相中的浓度称为平衡溶解度，简称溶解度；它们 之间的关系称为相平衡关系。
5.2. 气液相平衡关系
图5-6 101.3kPa下SO2在水中的溶解度
由图5-6可知，当总压P、气相中溶质y 一定时，吸收温度下降，溶解度大幅度提高， 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 压和升温则有利于解吸操作过程。
图5-7 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NH3等称为易 溶气体； 难溶气体：溶解度小的气体如O2、CO2。 介乎其间的如SO2等气体称为溶解度适中 的气体。
结论： 降低操作温度，E、m，溶质在液相 中的溶解度增加，有利于吸收；
（y=mx）
压力不太高时，P, E变化忽略不计；但 m↓使溶质在液相中的溶解度增加，有利于吸 收。 （y=mx）
End
EM S
c HpA
c
* A
S pA
EM S
故
1000 21.27 -4 3 c 3.57 10 kmol/m 6 3.3110 18
* A
mA =3.57 10 32 1000=11.42g/m
-4
3
5.2.2. 相平衡关系在吸收过程中的应用
1．判断过程进行的方向与传质推动力：
x——溶质在液相中的摩尔分率。
讨论： T，E。
pA*一定时，E，x↓。
3）亨利定律的其他表达形式： （2） 式中： cA——溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3； H——溶解度系数，kmol/ （m3· kPa）； pA*——溶质在气相中的平衡分压，kPa。
cA p H
* A
（ 5-25）
图5-10 吸收推动力示意图
2．指明过程进行的极限
图5-11
吸收过程的极限
塔无限高、溶剂量很小的情况下：
分离工程习题
分离工程习题 一、填空： 1、分离过程分为（机械分离方法）和（传质分离）两大类。
2、传质分离过程分为（平衡分离过程）和（速率分离过程）两大类。
3、分离剂可以是（能量）和（物质）。
4、机械分离过程是（过滤、离心分离）、旋风分离、静电除尘 5、速率分离过程是超滤、渗析（膜分离、渗透）。
6、平衡分离过程是（吸收、萃取）、精馏、蒸发。
7、气液平相衡常数定义为（气相组成与液相组成的比值）。
8、理想气体的平衡常数与（组成）无关。
9、活度是（修正的）浓度。
10、低压下二元非理想溶液的相对挥发度α12等于（022011p p γγ）。
11、气液两相处于平衡时，（化学位）相等。
12、Lewis 提出了等价于化学位的物理量（逸度）。
13、逸度是（修正的）压力。
14、在多组分精馏中塔顶温度是由（露点方程）方程求定的。
15、露点方程的表达式为（∑=1K /y i i ）16、泡点方程的表达式为（∑=1x K i i ）。
17、泡点温度计算时若1x K i i >∑，温度应调（小）。
18、泡点压力计算时若1x K i i >∑，压力应调（大）。
19、在多组分精馏中塔底温度是由（泡点）方程求定的。
20、绝热闪蒸过程，节流后的温度（降低）。
21、若组成为Z i 的物系，1K /Z 1Z K i i i i >∑>∑且时，其相态为（气液两相）。
22、若组成为Z i 的物系，1Z K i i <∑时，其相态为（过冷液相）。
23、若组成为Z i 的物系，1K /Z i i <∑时，其相态为（过热气相）。
24、绝热闪蒸过程，饱和液相经节流后会有（气相）产生。
25、设计变量与独立变量之间的关系可用下式来表示（Ni ＝Nv －Nc ）。
26、设计变量分为（固定设计变量）与（可调设计变量）。
27、回流比是（可调）（固定、可调）设计变量。
28、关键组分的相挥发度越大，精馏过程所需的最少理论板数（越少）。
化学吸收系统气液平衡数据的测定
实验二化学吸收系统气液平衡数据的测定A 实验目的化学吸收是工业气体净化和回收常用的方法，为了从合成氨原料气、天然气、热电厂尾气、石灰窑尾气等工业气体中脱除CO2 、H2S、SO2等酸性气体，各种催化热钾碱吸收法和有机胺溶液吸收法被广泛采用。
在化学吸收过程的开发中，相平衡数据的测定必不可少，因为它是工艺计算和设备设计的重要基础数据。
由于在这类系统的相平衡中既涉及化学平衡又涉及溶解平衡，其气液平衡数据不能用亨利定律简单描述，也很难用热力学理论准确推测，必须依靠实验。
本实验采用气相内循环动态法测定CO2—乙醇胺（MEA）水溶液系统的气液平衡数据，拟达到如下目的：(1)掌握气相内循环动态法快速测定气液相平衡数据的实验技术。
(2)学会通过相平衡数据的对比，优选吸收能力大，净化度高的化学吸收剂。
(3)加深对化学吸收相平衡理论的理解，学会用实验数据检验理论模型，建立有效的相平衡关联式。
B 实验原理气液相平衡数据的实验测定是化学吸收过程开发中必不可少的一项工作，也是评价和筛选化学吸收剂的重要依据。
气液平衡数据提供了两个重要的信息，一是气体的溶解度，二是气体平衡分压。
从工业应用的角度看，溶解度体现了溶液对气体的吸收能力，吸收能力越大，吸收操作所需的溶液循环量越小，能耗越低。
平衡分压反映了溶液对原料气的净化能力，平衡分压越低，对原料气的极限净化度越高。
因此，从热力学角度看，一个性能优良的吸收剂应具备两个特征，一是对气体的溶解度大，二是气体的平衡分压低。
由热力学理论可知，一个化学吸收过程达到相平衡就意味着系统中的化学反应和物理溶解均达到平衡状态。
若将平衡过程表示为：A（气）‖A（液）+ B（液）= M（液）定义：m 为液相反应物B的初始浓度（mol/l）；为平衡时溶液的饱和度，其定义式为：mB A M 的初始浓度液相反应物组分的浓度形式存在的以反应产物=θa 为平衡时组分A 的物理溶解量。
则平衡时，被吸收组分A 在液相中的总溶解量为物理溶解量a 与化学反应量θm 之和，由化学平衡和溶解平衡的关系联立求解，进而可求得气相平衡分压m p A和与θ*的关系： 在乙醇胺（MEA ）水溶液吸收CO 2系统中，主要存在如下过程：溶解过程： CO 2（g ）= CO 2（l ） （1）反应过程： 5.0<θ时， -++=+R N C O O R N H R N H l CO 222)( （2）5.0>θ时， -+-+=++322222H C O R N H O H CO RNCOO （3）本实验仅讨论5.0<θ时的情况。
填料吸收塔的操作及吸收传质系数的测定解读
实验装置流程示意图
流程简介：
由空气压缩机1提供的空气，经压力定值器2 定值为2×104Pa，并经转子流量计4计量后，进 入内盛丙酮的丙酮汽化器5，产生丙酮和空气的 混合气，混合气从输气管道由塔底进入填料吸收 塔7，在塔内同自塔顶喷下的水逆流接触，被吸 收掉其中大部分丙酮后，从塔顶部气体出口9排 出。由恒压高位槽 13 底部流出的吸收剂（水）， 经转子流量计 15 计量，流经电加热器 16 ，由塔 顶喷入吸收塔，吸收了空气中的丙酮后，由塔底 经液封装置11排入吸收液贮罐。
实验步骤（2）
6、调节空气流量计调节流量为400L/h，液体流 量为3L/h，注意稳定塔内压力，空压机压力及 保持塔底液位高度60％。 7、用气相色谱分析混合气中丙酮的进口浓度。 当平行实验误差小于5%时，即认为实验条件已 基本稳定。 8、在稳定操作条件下测定气体的进口、出口浓 度。并随时记录气体、塔顶和塔底的温度。
式中：G---气相流量（kmol/h）； Y1、Y2---气相进、出塔浓度。
（2）气相平均推动力
可取塔底与塔顶推动力的对数平均值，
即
Y1 Y2 Ym ln(Y1 Y2 )
Y1 Y1 Y1* Y1 mX1
Y2 Y2 Y2* Y2 mX2
（3）气相总体积传质系数
吸收剂进口浓度对吸收的影响
调节吸收剂进口浓度X A,2是控制 和调节吸收效果的又一重要手段。 吸收剂进口浓度X A,2 降低，液相进口 处的推动力增大，全塔平均推动力 也会随之增大，这有利于吸收过程 吸收率的提高。
吸收剂入口温度对吸收的影响
吸收剂入口温度对吸收过程影响 也很大，这也是控制和调节吸收操作 的一个重要因素。降低吸收剂的温度， 使气体的溶解度增大，相平衡常数减 小，平衡线下移，平均推动力增大， 使吸收效果变好。
吸收操作线与相平衡线
吸收操作线与相平衡线
操作线与相平衡线是研究相平衡状况和相变现象的重要工具。
操作线是二元混合物相图中连接各相点的连线，用来表示不同组成下的相平衡状态。
相平衡线是相图中表示相变边界的曲线，表示了在特定温度和压力下，不同相的存在范围。
在研究相平衡时，我们常常需要通过实验或计算来确定操作线和相平衡线。
通过实验，可以通过原位观察或测量等方式来确定混合物的相平衡状态。
而通过计算，则需要借助热力学平衡条件和相图的信息来得出操作线和相平衡线的方程。
操作线的存在表明了混合物中不同组分间存在相平衡，即相互之间存在物质交换。
例如，在气液混合物的相图中，液相与气相通过操作线相连，表示气体的溶解与液体之间的相平衡。
通过操作线的确定，我们可以得知混合物中不同组分的分配行为，进而掌握其物理和化学特性。
操作线的研究对于研究混合物的物理性质、化学反应和分离等过程具有重要意义。
相平衡线则是描述相变行为的重要工具。
相平衡线可以分为临界相平衡线、液相线、气相线等，分别对应不同相变过程的边界。
通过相平衡线的研究，我们可以得知不同压力和温度下不同相的出现概率和存在范围。
相平衡线的研究对于理解相变的机理、优化反应条件和设计化工过程中的操作条件等方面具有重要作用。
总体来说，操作线和相平衡线是研究相平衡状况和相变现象的重要工具。
操作线揭示了混合物的组成对相平衡的影响，而相平衡线表示了不同相变边界的存在范围。
通过研究操作线和相平衡线，我们能够更好地理解混合物的物理和化学性质，也能够优化工艺条件和提高化工过程的效率。
9.2 吸收过程的相平衡关系
第二节 吸收过程的相平衡关系
气、液相浓度(y,x)处于平衡线上(K点)： 液相浓度(y,x)处于平衡线上(K点 (y,x)处于平衡线上(K
y ye y ye=f(x) K
o
xe x
x
结论：若系统气、液相浓度(y,x)处于平衡线上， (y,x)处于平衡线上 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， 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。 状态。
Y y= 1+ Y
X x= 1+ X
ye = mx
Ye X =m 1 + Ye 1+ X
第二节 吸收过程的相平衡关系
即 mX Ye = 1 + (1 − m) X
溶质在液相中的摩尔比浓度； X —— 溶质在液相中的摩尔比浓度； Ye —— 与X呈平衡的气相中溶质的摩尔比浓度； 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 趋近1或当X
Ye = mX
摩尔比浓度表示的 亨利定律
第二节 吸收过程的相平衡关系
例题1 例题 20℃ 1atm下，浓度为0.02（摩尔分数）的稀氨水在20℃时氨 atm下 浓度为0 02（摩尔分数）的稀氨水在20 的平衡分压为1 666kPa，其相平衡关系服从亨利定律， 的平衡分压为1.666kPa，其相平衡关系服从亨利定律，氨水 kPa 密度可近似取1000kg/m 密度可近似取1000kg/m3。求：E、 m 、 H 。 1000
—— 亨利定律
式中： 溶质在气相中的平衡分压，kPa； 式中： pe —— 溶质在气相中的平衡分压，kPa； —— 亨利系数，kPa。 亨利系数，kPa。 —— 溶质在液相中的摩尔分数； 溶质在液相中的摩尔分数；
气液两相处于平衡时的特征
气液两相处于平衡时的特征
气液两相处于平衡时，是指气体和液体两种物质在一定条件下达到平衡状态，
不再有净的物质转化或迁移的过程。
在这种平衡状态下，气相和液相之间存在一系列特征，这些特征对于理解和应用气液平衡有着重要的意义。
首先，气液两相在平衡时具有相同的化学势。
化学势是描述物质在平衡状态下
参与反应或转化的趋势的物理量，气液两相达到平衡时，化学势相等是平衡状态的必然结果。
这一特征表明在平衡状态下，气相和液相之间的物质转化趋势达到平衡，体现了平衡态的稳定性。
其次，气液两相平衡时的温度、压力和化学组分之间存在着一定的关系。
根据
气相和液相的性质，气液平衡的温度和压力条件可以通过平衡常数或者化学反应的热力学公式来确定。
这种关系可以帮助我们在实际应用中准确地控制气液平衡的条件，实现气液相平衡的控制和调节。
此外，气液两相平衡时，气相和液相的物理性质也会发生一些特殊的变化。
比如，气相和液相的密度、粘度、热容等物理性质在平衡状态下可能会发生变化，这些变化对于气液平衡的稳定性和性质有着重要的影响。
理解和掌握气液平衡时的物理性质变化，有助于我们更好地理解和应用气液平衡的原理。
总的来说，气液两相处于平衡时的特征涉及到化学势的平衡、温度、压力和化
学组分的关系，以及气液两相的物理性质的变化等方面。
通过深入研究和理解气液平衡的特征，我们可以更好地应用气液平衡的理论和原理，实现气液相平衡的控制和调节，为气液相平衡的研究和应用提供理论和实践基础。
气液相平衡在吸收操作中的意义
气液相平衡在吸收操作中的意义气液相平衡在吸收操作中扮演着重要的角色。
在化工工业领域，吸收操作被广泛应用于各种进程中，如气体净化、废气处理、原料气体提纯等。
气液相平衡的意义在于，它决定了气体在液体中的溶解度和吸收效率，影响着操作的效果和经济性。
首先，气液相平衡的理论可以用来预测和计算气体在液体中的溶解度。
在吸收操作中，气体通常通过将其与溶剂接触来实现被吸收。
通过气液相平衡的理论和实验方法，可以确定吸收剂对目标气体的吸收能力，从而根据需求选择合适的吸收剂和操作条件。
对于液-液或固-液吸收操作，同样可以通过气液相平衡的方法来优化工艺条件和提高吸收效率。
气液相平衡还可以用来设计和优化吸收操作的设备。
吸收塔是常见的吸收操作设备，它通常包含了大量的填料或装置来增加气液接触面积，从而提高吸收效率。
通过气液相平衡理论，可以确定吸收操作中所需的塔高、填料种类、填料尺寸和塔内液体分布等参数，以达到最佳的吸收效果。
此外，气液相平衡理论还可以用来优化吸收塔的操作条件，如进料速率、温度和压力等，从而在保证吸收效率的前提下降低能耗和操作成本。
此外，气液相平衡还可以用来解释和预测吸收操作中的现象和特点。
例如，吸收过程中液体中的浓度变化、气体从气相到液相的传质过程、溶剂对气体的选择性等都可以通过气液相平衡理论进行描述和解释。
通过对气液相平衡的研究，可以帮助理解吸收操作中的反应机理和影响因素，从而开发新的吸收剂和改进吸收操作的方法。
最后，气液相平衡在吸收操作中的研究也有助于环境保护和能源利用。
吸收操作常用于废气处理和气体净化，通过将有害气体吸收到液体中，达到去除有害物质和净化气体的目的。
气液相平衡的研究可以帮助选择合适的吸收剂和操作条件，以提高废气处理的效率和净化程度。
此外，一些吸收操作还可以用来分离和回收溶剂和有价值的化合物，实现能源利用和资源回收。
综上所述，气液相平衡在吸收操作中具有重要的意义。
它不仅能够预测和计算气体在液体中的溶解度，设计和优化吸收操作的设备，解释和预测吸收操作中的现象和特点，还有助于环境保护和能源利用。
5.2 从溶解相平衡看吸收操作
5.2.1.2 相平衡关系
一、定义 在一定温度和压力下，混合气体与液相 接触时，溶质便从气相向液相转移，而溶于 液相内的溶质又会从溶剂中逸出返回气相。 随着溶质在液相中的浓度逐渐增加，溶质返 回气相的量也逐渐增大，当单位时间内溶于 液相中的溶质量与从液相返回气相的溶质量 相等时，气相和液相的量及组成均不再改变， 达到动态平衡，是吸收过程的极限，它们之 间的关系称为相平衡关系。
②若溶质在液相和气相中的组成分别用摩尔比X和Y表示时， 则亨利定律可表示为
mX Y 1 (1 m) X
m——相平衡常数，无量纲。
对于一定的物系，相平衡常数与温度和压力有关： ◎温度越高，m越大；压力越高，m越小 ◎易溶气体的m值小，难溶气体的m值大 对于极稀溶液，可简化为
Y mX
：
p p
Y -Y
c c
X - X
二、判明过程进行的方向和限度 当气体混合物与溶液相接触时，吸收过程能否发生， 以及过程进行的限度，可由相平衡关系来确定。 当溶质在气相中的实际分压大于溶质的平衡分 压，即 p p 时， 发生吸收过程，实际状态点位 于平衡曲线上方。
当气相中溶质的实际分压等于溶质的平衡分压时，吸收 达到平衡，实际状态点位于平衡曲线上。
当溶质在气相中的实际分压小于溶质的平衡分压，即 p p 时，发生解析过程
三、判断吸收操作的难易程度 状态点距平衡线的距离越远，气液接触的实 际状态偏离平衡状态的程度越远，吸收的推动 力就越大，在其他条件相同的条件下，吸收越 容易进行；反之，吸收越难进行。 四、确定过程的推动力 1、定义 通常把气液接触的实际状态偏离平衡状态的 程度称作为吸收推动力。 2、以浓度差表示 如
6.1吸收过程概述与气液平衡关系
p∗ = Ex
(1)
E — 亨利系数，kPa。
易溶气体E小，难溶气体 E大。 溶解度 ～ 亨利系数
东南大学环境工程系《化工原理》课件
(2) p ～c关系
若溶质在气、液相中的组成以分压p 、
摩尔浓度c表示，
p∗ = c
(2)
H
H — 溶解度系。 溶解度 ～ 溶解度系数
表示气、液相组成，计算很不方便。
¾ 混合气体（液体）中，惰性组分（溶剂）摩尔 数不变——引入以惰性组分（溶剂）为基准的 摩尔比来表示气、液相的组成。
摩尔比的定义：
X
=
液相中溶质的摩尔数＝ x 液相中溶剂的摩尔数 1 − x
Y
=
气相中溶质的摩尔数 ＝ y 气相中惰性组分的摩尔数 1 − y
东南大学环境工程系《化工原理》课件
东南大学环境工程系《化工原理》课件
不发泡、冰点低、价廉易得，且化学性质稳定。
二、吸收过程的气液平衡关系
1. 气体在液体中的溶解度 ¾ 溶解度：指气体在液体中的饱和浓度。
一定T、p下，用一定量的吸收剂与混合气体 接触，气相中的溶质便向液相溶剂中转移，直 至液相中溶质组成达到饱和为止。 ¾ 溶解度曲线
由溶解度曲线看出：
① 在同一溶剂（水）中，相同的温度和溶质分压 下，不同气体的溶解度差别很大：氨在水中的 溶解度最大，氧最小。这表明：氨易溶于水， 氧难溶于水，而二氧化硫居中。
亨利定律表达式各系数之间的关系：
E～H关系： H = ρ
(7)
EM S
E～m关系： m = E
(8)
P
H～m关系：
H= ρ 1
PM S m
(9)
三、用气液平衡关系分析吸收过程
化工原理下2-1气体吸收的相平衡关系
6
Y Y , 能发生吸收 推动力为 ,
*
Y Y * 0.266 0.133 0.113
1000kg / m 3 H EM S 4.81 106 kPa 0.018kg / m ol 0.0116m ol/(m 3 kPa)
c pH 21.3kPa 0.0116 /(m kPa) 0.247mol/ m mol
Y 0.266 6 X 5.6 10 4 m 4.75 10
*
X * X , 能发生吸收 推动力为 , X * X (5.6 2.81) 106 2.79106
小结 • 判断传质的方向，不能简单地把气液相的浓 度进行对比，而把某相的实际浓度和另一相 “换算”的平衡浓度相比较。 • 由于气、液相的浓度表示方式多样，传质过 程的推动力的表达方式多样。 • 在图上，要能够直观地理解推动力。
整理得：
mX Y 1 (1 m) X
当溶液组成很低时，（1－m)X <<1，简化为：
Y mX
小结：亨利定律的表达式 pi pi Exi xi E
ci p H
i
ci Hpi
y mxi
Yi mX i
20
i
xi
yi m
Yi m
X i
②难溶气体。
E大
2. p～c 关系
若溶质在气、液相中的组成分别以分压 p、摩尔 浓度c表示，则亨利定律可写成：
c p H
式中 c：溶液中溶质的体积摩尔浓度，kmol/m3； p*：气相中溶质的平衡分压，kPa； H：溶解度系数，kmol/(m3· kPa)。 注意 溶解度 ～ 溶解度系数 H大 ① 易溶气体； ② 难溶气体。 H小
吸收过程的相平衡关系
吸收过程的相平衡关系
1. 亨利定律表达式
当总压不太高（小于500kPa）时，一定温度下稀溶液上方溶质
的平衡分压与该溶质在液相中的摩尔分数成正比，其比例系数称为
亨利系数。即
pA*=Ex
（7-1）
式中pA*——溶质在气相中的平衡分压，kPa
x——溶质在液相中的摩尔分数；
E——亨利系数，kPa
式(7-1)称为亨利定律。亨利系数E值由实验测定，它与物系、
操作温度等因素有关。常见物系的E值可由有关手册查出。表7-1列
出某些气体水溶液的亨利系数。
吸收过程的相平衡关系
吸收过程的相平衡关系
吸收过程的相平衡关系
亨利系数E的大小表示气体在液体中溶 解的难易程度，在一定温度下，易溶气体E 值小，难溶气体的E值大。当物系一定时， E随温度而变化。一般来说E值随温度升高 而增大，这说明气体的溶解度随温度升高 而减小。压力对E值的影响很小，一般不予 考虑。
吸收过程的相平衡关系
（2）对同一溶质，在相同的气相分压下，温度下降，溶解度
大幅度提高。例如，二氧化硫在温度为0℃，分压为60kPa时，
1000kg
148kg。因此，降低吸收温度，有利于
吸收过程的进行，所以吸收剂常常经冷却后进入吸收塔。
（3）对于同一种溶质，在一定的温度下，气相分压越大，溶 解度越大,如二氧化硫在0℃，分压为100kPa时，1000kg水中的溶 解量为230kg。因此，增加溶质在气相中的分压，将有利于吸收， 故吸收操作通常在加压条件下进行。
吸收过程的相平衡关系
气体在液体中的溶解度与物系的种类、操 作温度、操作压力有关，通常由实验测定。由 实验结果绘成的曲线称为溶解度曲线，气体在 液体中的溶解度曲线可从有关书籍、手册中查 得。图7－1、图7－2和图7－3分别表示了在 总压不高时氨、二氧化硫和氧在水中的溶解度 曲线（以温度为参数）。
气液相平衡分析
气液平衡分析
在吸收操作中，气体和溶液的总量将随吸收过程而变化，但惰性气体和吸收剂的量则始终保持不变，因此，常采用物质的量比表示相的组成，以简化吸收过程的计算。
物质的数量比是指混合物中一种成分物质的数量与另一种成分物质的数量之比，用X或y表示。
吸收液中的吸收剂A对吸收剂S物质量比(摩尔比)可以表示为
XA＝nA／ns (11—1)
物质的质量比和摩尔分数之间的转换关系为
XA＝工作A／(1一XA) (11—2)
式中 XA——吸收溶液中的成分A对组分S物质量比；
nA，ns——组分A与S物质量，kmol；
XA——吸收溶液中的成分A的摩尔分数。
混合气体中吸收质A对惰性组分月物质量比可以表示为
式中 YA——混合物中的成分A对组分B物质量比；
nA，nR——组分A与B物质量，kmol
yA——混合物中的成分A的摩尔分数。
在一定温度和压力下，混合气体与液相接触时，溶质便从气相向液相转移，而溶于液相内的溶质又会从溶剂中逸出返回气相。
随着溶质在液相中的浓度逐渐增加，溶质返回气相的量也逐渐增大，当单位时间内溶解在液相中的质量等于从液相返回到气相的质量时，气相和液相的量及组成均不再改变，达到动态平衡。
它是吸收过程的极限，它们之间的关系称为相平衡关系。
在一定温度下，当气相总压力不高时，稀溶液中溶质的平衡浓度与气体的平衡分压之间的平衡关系可以表示为亨利定律
对于给定物系，亨利系数正随温度升高而增大。
在同一溶剂中，易溶气体的正值很小，而难溶气体的正值很大。
常见系统的亨利系数见附录。
吸收过程的相平衡关系.
平衡状态即到过程进行的极限。对于逆流操作的吸收塔，无论吸收塔有 多高，吸收利用量有多大，吸收尾气中溶质组成Y2的最低极限是与入塔吸收 剂组成呈平衡，即mX2；吸收液的最大组成X1不可能高于入塔气相组成Y1呈 平衡的液相组成，即不高于Y1/m（X * ）。总之，相平衡限定了被净化气体 离开吸收塔的最低组成和吸收液离开塔时的最高组成。
2.2.2亨利定律
1．亨利定律：描述互成平衡的气、液两相间组成的关系。当总压不高时， 在恒定温度下，稀溶液上方的气体溶质平衡分压与其在液相中摩尔分率成正 比。由于组成有多种表示方法，所以亨利定律有多种表达式。
2．亨利定律表达式
(1) 以p及x表示的平衡关系
当液相组成用物质的量的分数（摩尔分数）表示时，则稀溶液上方气体中 溶质的分压与其在液相中物质的量的分数（摩尔分数）之间存在如下关系， 即：
p*＝Ex
（2－1）
式中 p* — 溶质在气相中的平衡分压，kPa； x — 溶质在液相中物质的量分数；
E — 亨利系数，单位与压强单位一致。其数值随物系特性及温度而变。
(2) 以p及c表示的平衡关系
若用物质的量浓度c表示溶质在液相中的组成，则亨利定律可写成如下形
式，即： p*＝ c
（2－2）
H
式中 c — 单位体积溶液中溶质的物质的量，kmol/ m3 ；
亨利定律表达式表示的平衡关系当液相组成用物质的量的分数摩尔分数表示时则稀溶液上方气体中溶质的分压与其在液相中物质的量的分数摩尔分数之间存在如下关系即
第2节 吸收过程的相平衡关系
2.2.1气体在液体中的溶解度 1．相平衡：在一定的温度和压强下，使混合气体与一定量的吸收剂相接 触，溶质便向液相转移，直至液相中溶质达到饱和浓度为止，这种状态称为 相际动平衡，简称相平衡或平衡。
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气液相平衡在吸收操作中的意义
气液相平衡在吸收操作中具有重要意义，主要表现在以下几个方面：
1. 提高传质效率：吸收操作是一种质量传递操作，通过气液相平衡可以提高传质效率。
气体在液体中溶解的速度取决于气体在气液界面的传质速率，而传质速率又受气体和液体间的物理和化学性质影响。
通过控制气液相平衡，可以调整界面上溶解速度的大小，从而提高传质效率。
2. 控制吸收剂的负荷量：吸收操作常常使用吸收剂来吸收特定组分，例如二氧化碳被吸收剂吸收来净化煤矿的风道气。
通过控制气液相平衡，可以调整吸收剂的负荷量，即吸收剂中溶解的目标组分的含量。
可以根据操作要求，选择合适的气液相平衡条件，实现吸收剂的高效利用和目标组分的高效吸收。
3. 实现物质的分离和富集：吸收操作可以用来实现物质的分离和富集。
通过控制气液相平衡，可以调整溶解在液体中的组分的含量，实现将目标组分从气相分离并富集在液相中。
这在液液萃取等分离和富集操作中具有重要意义。
4. 实现反应的转化和控制：吸收操作也可以用来实现反应的转化和控制。
通过控制气液相平衡，可以提高反应物在液相中的浓度，促进反应的进行。
同时，通过调整气液相平衡条件，可以控制反应的速率和选择性，实现对反应过程的控制和优化。
总之，气液相平衡在吸收操作中具有重要意义，可以提高传质
效率，控制吸收剂负荷量，实现物质的分离和富集，以及实现反应的转化和控制。
这些都对吸收操作的效率和产品质量具有重要的影响。