气液相平衡
6.2_双组分溶液气液相平衡
6.2 双组分溶液的气液相平衡1、掌握的内容——双组分理想物系的汽液平衡，拉乌尔定律、泡点方程、露点方程、汽液相平衡图、挥发度与相对挥发度定义及应用、相平衡方程及应用；2、了解的内容——非理想物系汽液平衡；3、本节难点——t-x-y 图及y-x 图，相对挥发度的特点。
6.2.1 理想溶液的气液相平衡汽液相平衡，是指溶液与其上方蒸汽达到平衡时气液两相间各组分组成的关系。
理想溶液的汽液相平衡服从拉乌尔(Raoult)定律。
因此对含有A 、B 组分的理想溶液可以得出：P A =P A o x A (6-1a)P B =P B o x B = P B o （1-x A ） （6-1b)式中： P A , P B —— 溶液上方A 和B 两组分的平衡分压，Pa ；P A o ,P B o —— 同温度下，纯组分A 和B 的饱和蒸汽压，Pa ；x A ,x B —— 混合液组分A 和B 的摩尔分率。
理想物系气相服从道尔顿分压定律，既总压等于各组分分压之和。
对双组分物系：P=P A +P B （6-2）式中： P —— 气相总压，Pa ；P A 和P B —— A,B 组分在气相的分压，Pa 。
根据拉乌尔定律和道尔顿分压定律，可得泡点方程：o A o BA P P p p x --= （6-4）式（6-4）称为泡点方程，该方程描述平衡物系的温度与液相组成的关系。
可得露点方程式：o Bo A oB o A A p p p p p p y --= 6-5 式（6-5）称为露点方程式，该方程描述平衡物系的温度与气相组成的关系。
在总压一定的条件下，对于理想溶液，只要溶液的饱和温度已知，根据A,B 组分的蒸气压数据，查出饱和蒸汽压P A 0, P B 0, 则可以采用式（6-4）的泡点方程确定液相组成x A ，采用式（6-5）的露点方程确定与液相呈平衡的气相组成y A 。
6.2.2 温度组成图(t-y-x 图)t-x-y 图即温度—组成图。
气液平衡的相平衡条件
气液平衡的相平衡条件
气液平衡的相平衡条件是指在闭合系统中，气体与液体达到相平衡的必要条件。
相平衡意味着系统中气体和液体之间的物质交换达到了平衡状态，即两者之间的反应速率相等。
首先，气液相平衡条件之一是液体中溶解的气体分子的逸出速率等于气体中溶
解的气体分子的溶解速率。
这意味着当气体分子从液体中逸出的速率等于气体分子溶解进液体中的速率时，系统达到气液相平衡。
这个平衡条件可以通过亨利定律来描述，该定律指出气体与液体之间的溶解度与气体的分压成正比。
其次，气液相平衡条件还要求气体和液体之间存在均匀的分配。
这意味着在相
平衡状态下，气体和液体之间的分子自由移动并且均匀分布，没有净流动的趋势。
这种均匀分配的态势是通过扩散和浓度均化过程实现的。
最后，气液相平衡还要求液体和气体之间的压力相等。
当气体溶解进液体中时，气体分子对液体施加一定的压力，这被称为溶解气体的蒸气压。
在相平衡状态下，液体的蒸气压与气体的分压相等，从而实现了压力的平衡。
总结来说，气液平衡的相平衡条件包括气体和液体之间溶解速率的平衡、分子
的均匀分配以及压力的平衡。
这些条件是系统达到气液相平衡的前提，同时也是液体和气体之间物质交换达到稳定状态的保证。
气液相平衡
ΔX=X*-X
Δc A
=
c
* A
−
cA
18
2）在x～y图
y
A·
y*
C
x
19
B AC = y − y * AB = x * − x
x*
例5-2-3 在一填料塔内用清水逆流吸收某二元混合 气体中的溶质A。已知进塔气体中溶质的浓度为0.03 （摩尔比，下同），出塔液体浓度为0.0003，总压为 101kPa，温度为 40℃，问: （1）压力不变，温度降为20℃时，塔底推动力
m
=
E p
=
7.6 × 104 200 × 103
= 0.38 ⇒
m
↓, x不变 ⇒
y* ↓
(2)T ↑, x不变，pA* ↑⇒ E = pA * / x = 9.1× 104 Pa ↑
H = 6.1×10−4 kmol /(m 3 .Pa) ↓ m = 0.9 ↑
讨论: (1)亨利定律是压力不太高，一定温度下，稀溶液
吸收过程：y > y* x* >x或 c*A > cA
15
y
y1
·A
y* = mx
y2*
y1* y2
·B
x2* x1 x2 x1* x
A点：平衡线上方，吸收 y1 > y1 * 或x1* > x1
B点：平衡线下方，解吸 y2* > y2或x2 > x2 *
16
二、指明过程进行的极限——相平衡
1）逆流，塔高无限
⇒ Y* =m X 1+Y * 1+ X
⇒ Y * = mX 1 + (1 − m)X
⎯稀⎯溶⎯液 X⎯⎯小→ Y * ≈ mX
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。
空气的气液相平衡
空气的气液相平衡（一）空气的组成空气是一种均匀的多组分混合气体，它的主要成分是氧、氮和氩，此外还含有微量的氢及氖、氦、氪、氙等稀有气体。
根据地区条件的不同，空气中含有不定量的二氧化碳、水蒸气以及乙炔等碳氢化合物，空气的组成及各成分的沸点示于第8章表8-2中。
（二）空气的二元系气液平衡1．气液平衡及氧、氩、氮饱和压力和温度的关系在气液平衡条件下，各相的状态参数保持不变，它们的温度、压力都分别相等，这时的温度称饱和温度，压力称饱和蒸气压力。
纯物质在一定的压力下对应着唯一的饱和温度，或在一定的温度下对应有唯一的饱和压力。
图9-1示出氧、氩、氮纯物质在气液平衡时，饱和压力与温度之间的关系。
图９－１由图知，氧、氩、氮在同一温度下具有不同的饱和蒸气压力，这是由于它们的分子结构和分子间的引力不同所致。
在同一温度下饱和蒸气压的大小，表明了液体气化的难易程度。
饱和蒸气压大的物质容易由液体变为蒸气，反之，饱和蒸气压小的物质不易由液体变为蒸气。
在相同的温度下，氮的饱和蒸气压高于氧的饱和蒸气压，而在相同的压力下，氮的饱和温度低于氧。
氩则介于氧、氮之间。
2．氧－氮二元系的气液平衡压力、温度、比焓与成分的关系氧－氮二元系气液平衡关系可用相平衡图表示。
相平衡图是按用实验方法求得的温度，压力，比焓及摩尔分数之间的关系绘制。
常用的几种平衡图如下：图9-2(1) 图如图9-2所示，图中的每组曲线是在等压下作出的，纵座标表示温度，横座标表示氧的摩尔系数（x及y），对应于每一个压力都有一组气液相平衡曲线（称鱼形曲线，曲线中的压力数值单位是105Pa）。
以任一组曲线为例，上面的一条线称冷凝等压线，它表示在给定的压力下，与液相平衡的气相组成与温度的关系，又称气相线；下面的一条线称沸腾等压线，它表示在给定压力下，与气相平衡的液相组成与温度的关系，又称液相线。
在气相线与液相线之间的区域称湿蒸气区。
曲线的两端点的纵座标分别表示纯氧和纯氮在该压力下的饱和温度。
化工原理第五章气液相平衡
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。 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（ Francois－Marie Raoult，1830－1901）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。
2021/7/31
2、相平衡的理论依据 对单组分物理吸收的物系，根据相律：
F＝K－Φ＋2＝3－2＋2＝3
（K＝3，溶质A，惰性组分B，溶剂S，Φ＝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：
yfT 、 P 、 x
2021/7/31
mE485023.94 p 20.26
从气相分析 y*＝mx＝23.94×0.01＝0.24<y＝0.3
故SO2必然从气相转移到液相，进行吸收过程。 【结论】增大压力（30℃，101.3kPa→202.6kPa）有 利于吸收。
气液相平衡方程
气液相平衡方程
气液相平衡方程是描述气体和液体之间物质传递的数学关系。
它是化学工程、环境科学、生物工程等领域中重要的理论工具。
气液相平衡方程的基本形式是亨利定律，即气体在液体中的溶解度与气体的分压成正比。
这个方程可以用以下数学表达式表示：
C = kH * P
其中，C是气体在液体中的溶解度，kH是亨利常数，P是气体的分压。
亨利常数是气体溶解度与分压的比例常数，它依赖于具体的气体和溶剂系统。
除了亨利定律，还有其他描述气液相平衡的方程，比如罗特定律和拉乌尔定律。
罗特定律是描述溶剂中溶质的逸度与溶液中溶质的摩尔分数之间的关系。
拉乌尔定律是描述理想混合溶液的蒸气压与组成之间的关系。
在工程实践中，气液相平衡方程经常用于设计和优化化工装置。
例如，在气体吸附过程中，通过气液相平衡方程可以计算出吸附剂中溶质的负荷量。
在化学反应工程中，气液相平衡方程可以帮助确定反应器中气体和液体的相互作用，从而优化反应条件。
此外，气液相平衡方程还可以应用于环境科学研究中。
例如，在水体中溶解氧的研究中，可以利用亨利定律来计算氧气在水中的溶解度，从而评估水体的氧化能力。
在大气污染研究中，可以利用拉乌尔定律来估算不同气体在大气中的浓度。
总之，气液相平衡方程是描述气体和液体之间物质传递的重要工具。
通过这些方程，可以深入理解气体和液体的相互作用，为工程设计和科学研究提供有力的支持。
第四章 汽液相平衡
G为极小的条件是：
r
r
r
dGT, p
i(1)dni(1)
i(1)dni(1) ......
( i
)
dni(
)
0
(4 6)
i 1
i 1
i 1
2、多相系平衡条件
对于没有化学反应，闭口系有下例约束方程：
n(1) 1
n(1) 2
n(2) 1
n(2) 2
式（4－12）的形式也可用于固、汽及固液相变。
纯质气液相变时，是等温等压过程，两相平衡时：
Tds dh
sv sl hv hl hv,l
T
T
则
dp hv,l
dT T (vv vl )
(4 -12a)
三、气－液相平衡蒸气压方程 把实际气体关态方程v = ZRT/p代入式（4－12），并用ps表
由于逸度系数是温度T、压力p 的函数，也是系统成分xi、yi的
函数，因此式（4－16）是关联T、p和xi、yi共 r 个关系式。（r 为
组分数。 上面所列四类问题都是式（4－16）在不同情况已知条件下的
求解，求解实质是类似的。
例：泡点压力与成分的计算： 给定T及x1, x2…… xr-1, 求p及 y1, y2…… yr-1。
n(2) 1
n(2) 2
...... n1() ...... n2()
n1 n2
(4 7)
n(1) r
n(2) r
n(2) r
...... nr()
nr
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的特征在物理化学中，气液两相的平衡是一个重要的研究领域。
当气体和液体达到平衡时，它们之间的特征性质将会有所变化。
本文将从气液两相平衡的概念开始，深入探讨其特征。
一、气液两相平衡的概念气液两相平衡是指气体和液体之间达到平衡状态的过程。
在平衡时，气体和液体之间的物质转化速率相等，维持了系统的稳定状态。
这个平衡状态可以通过温度、压力和物质的性质来描述。
二、气液两相平衡的特征1. 相变过程气液平衡的特征之一是相变过程的存在。
当气体和液体达到平衡时，会发生相变，即气体凝结成液体或液体蒸发成气体。
这个相变过程是由温度和压力的变化引起的。
在恒定的温度下，增加压力会促使气体转化成液体，而降低压力则会使液体转化为气体。
这种相变的平衡过程是研究气液平衡的核心。
2. 饱和蒸汽压气液两相平衡时的另一个特征是饱和蒸汽压。
饱和蒸汽压是指在一定温度下，气体和液体的平衡状态下，气体分子从液体表面逸出的压强值。
在饱和状态下，饱和蒸汽压的值与温度密切相关，随着温度的升高，饱和蒸汽压也会增加。
饱和蒸汽压是描述气液平衡状态的重要参数。
3. 平衡液体蒸发速率当气体和液体达到平衡时，液体的蒸发速率等于气体吸收液化（凝结）分子的速率。
这意味着在平衡状态下，气体与液体之间的质量转化速率相等。
这一特征使得气液两相平衡成为一种稳定的状态，通过控制温度和压力，可以调节气体与液体之间的转化速率。
4. 蒸发热气液两相平衡时，液体蒸发的过程需要吸收热量，这个过程称为蒸发热。
蒸发热是描述液体蒸发速率的重要指标，它与液体的性质、温度和压力有关。
蒸发热的大小决定了液体蒸发所需要的能量，同时也影响到气体的饱和蒸汽压。
5. 平衡条件气液两相平衡的特征之一是满足平衡条件。
平衡条件是指在一定的温度和压力条件下，气体和液体达到平衡时所满足的条件。
在平衡状态下，气液之间的化学势、物态和分子结构均达到了稳定的状态。
了解平衡条件是研究气液两相平衡的关键，也是深入理解气液平衡特征的基础。
第一节气液相平衡及亨利定律
求：在（1）乙炔水溶液浓度为 0.29×10−3 Kg / KgH2O （2）乙炔水溶液浓度为 0.15×10−3 Kg / KgH2O
时传质过程的方向及接触瞬间的推动力（用x,y表示）
解:亨利定律 查表 1）对浓度为 0.29
×P1730−235K°gC/时Kg乙H2炔O 水时溶液E
=
1.35
×105
对稀溶液一般c很小 ρ >> c(M S − M A ) ∴ H = ρ + c ( M S − M A ) = ρ
EM S
EM S
∴ P* = c = E M S c
Hρ
而对照 P* = Ex
∴ x = M Sc =
ρ
c
ρ
MS
（条件：c很小时）
3.
{ y* = mx y－* －与液相成平衡的气相中溶质摩尔分率 x－－液相中溶质的摩尔分率
1mol溶液中所含溶质(A)为c Kmol,溶剂的摩尔数为: ρ − cM A
MS
溶质的摩尔分率 x =
c
c + ρ −cMA
= cMS
cMS
+ ρ −cMA
=
cMS
ρ +c(MS −MA)
MS
代入
P*
=
Ex
=
ρ
+
EM Sc
c(MS −
M
A)
而
p* = c H
∴1 H
=
p* c
=
ρ
EM S
+c(MS −MA)
＝
nnA ＝ yA nB yB
＝
yA 1− yA
摩尔分率和摩尔比互换 4)摩尔浓度:
4[1].2.气液相平衡
![4[1].2.气液相平衡](https://img.taocdn.com/s3/m/8c52afe9102de2bd96058868.png)
G，y1
L，x1
20℃ 【 例 】 在 温 度 20℃ 、 总 压 0.1MPa 下 ， 含 有 CO2 0.1( 摩 尔 分 数 ) 的 空 气 与 含 有 CO2 摩 尔 分 数 为 0.00002的水溶液接触， 试判断CO2的传质方向， 00002的水溶液接触， 试判断CO 的传质方向， 的水溶液接触 并计算传质推动力。 并计算传质推动力。
第二节 气液相平衡
一、溶解度
平衡状态： 平衡状态：
在一定压力和温度下， 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， 充分接触 ， 气相中的溶质便向液相溶剂中转移 ， 经长时 间充分接触之后， 液相中溶质组分的浓度不再增加， 间充分接触之后 ， 液相中溶质组分的浓度不再增加 ， 此 气液两相达到平衡，此状态为平衡状态。 时，气液两相达到平衡，此状态为平衡状态。
饱和浓度： 饱和浓度：
气液平衡时，溶质在液相中的浓度（溶解度） 气液平衡时，溶质在液相中的浓度（溶解度）。
平衡分压： 平衡分压：
气液平衡时，气相中溶质的分压。 气液平衡时，气相中溶质的分压。
（一）平衡分压与溶解度的关系
结论： 结论： SO2 在 水 中 的 平 衡 溶解度随气相中 SO2 的 分 压 增 大 而 增大， 增大，随温度的减 小而增大。 小而增大。
（2）亨利定律其它表示方式
cA 1） p = H
* A
H — 溶解度系数，kmol溶质/（kPa· m3溶液） cA — 溶液中溶质的浓度，kmol溶质/m3溶液；
H 的讨论：1.H↑，cA↑，易溶气体 2.P 对 H 影响较小 3.温度对H的影响： T ↑⇒ H ↓
H 与E 的关系：
4.2.气液相平衡解析
H 的讨论：1.H↑，cA↑，易溶气体 2.P 对 H 影响较小 3.温度对H的影响： T H
H 与E 的关系：
cA c c p x H c H
* A
c H E
c M M — 溶液的平均摩尔质量, kg / kmol 对于稀溶液 c MS M s — 溶剂的摩尔质量, kg / kmol
— 溶液的密度，kg / m3
s — 溶剂的密度，kg / m3 S
H
S
EM S
2）y mx y*——溶质在气相中的平衡摩尔分数；
*
m ——相平衡常数，无因次。
m的讨论：
①在一定的气相平衡摩尔分数下，
m↑，x↓，溶解度↓，难溶气体。
m↓，x↑，溶解度↑，易溶气体。
E ——亨利常数，单位同压强单位。
* A
——溶质在气相中的平衡分压，kPa；
讨论： ① E的影响因素：溶质、溶剂、T 物系一定，T E ② 在一定的气相平衡分压下， E↑，x↓，溶解度↓，难溶气体。 E↓，x↑，溶解度↑，易溶气体。
（2）亨利定律其它表示方式
cA 1） p H
* A
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
H — 溶解度系数，kmol溶质/（kPa·m3溶液）
E、H及m之间的关系： E mp 式中： m — 汽液相平衡常数； E — 亨利系数，kPa； p — 总压，kPa； H — 溶解度系数， (kmol溶质 / kPa m 3溶液)；
s
HM s
s — 溶剂的密度，kg / m 3；
M s — 溶剂的摩尔质量，kg / kmol。
二、气液相平衡关系
二、气液相平衡关系
汽液平衡是专业术语，汽相与液相间的相平衡。
它与气液平衡有一些共同的规律，所以有时把它与气液平衡合在一起进行研究。
为简便起见，常把汽相或气相与液相之间的平衡合写成汽（气）液平衡。
习惯上把低于临界温度的气体称为蒸气，简称汽，它可以加压液化；高于临界温度的气相，不能加压液化，称为气体。
概述
气液平衡（vapour-liquid equilibrium）vapour-liquid equilibrium又称汽液平衡。
是由n个组分的混合物构成一个封闭系统，并有气-液两相共存，一定的温度和压力下，两相达到平衡时，各组分在汽液两相中的化学位趋于相等。
或运用逸度更为方便：在混合物中i组分在气相和液相中的逸度相等，称气液平衡。
表示方法
若在某一温度、某一压力下气液两相达到平衡，则仅剩下一个自由度，即，气相组成或液相组成。
气相组成与液相组成之间必然存在着固定的关系。
即：气液平衡关系。
平衡溶解度曲线或者数学关系式（亨利定律）便是反映这一气液平衡关系的方法。
平衡溶解度曲线：在一定条件下，溶解达到相平衡时，反映溶质组分在气相中浓度与液相中浓度的关系曲线。
亨利定律：稀溶液范围内，溶解度曲线通常地近似为一直线。
亨利定律就是描述溶质组分在互呈平衡的气相、液相中浓度关系的数学关系式。
在稀溶液中挥发性溶质的实验中，实验表明，只有当气体在液体中的溶解度不很高时该定律才是正确的，此时的气体实际上是稀溶液中的挥发性溶质，气体压力则是溶质的蒸气压。
所以亨利定律还可表述为：在一定温度下，稀薄溶液中溶质的蒸气分压与溶液浓度成正比。
— 1 —。
化工原理 气液相平衡
一、气体在液体中的溶解度
气液两相处于平衡状态时，溶质在液相中的含量。
pA
O2
CO2
SO2
由图可见，曲线愈平坦，
该组分的溶解度愈大；曲线
愈陡峭，溶解度愈小。
NH 3
cA
几种气体在水中的溶解度曲线图
当总压不太高(p<0.5MPa)时，
总压的变化不改变pA—CA之间的 关系。对于稀溶液，pA—CA符合 线性关系。
y2
x2
x2
y2 y2min
y1
x11 x1max
当吸收剂用量 L↓→x1↑→x1max=x1*=y1/m
x1
y1
L↑→y2↓→y2min=y2*=mx2
Hale Waihona Puke 3.计算过程的推动力y
•
y
x
x*
吸收 y y* x x*
推动力：y y y x x* x
y
y
•
x
x
解吸 y y* x x*
y y* y
推动力：
x x x
二、亨 利 (Henry)定 律
亨利定律：对稀溶液，溶解度曲线为一直线。
pA ExA
E——亨利系数
p
A
cA
/H
H——溶解度系数
或
y
A
mxA
m——相平衡常数
各参数之间的关系
p
A
cA
/
H＝ cM H
cA cM
cM H
xA
p
A
/
P总
E
P总
xA
E CM s
H MsH m E
P总
c
A
Hp A
5[1].2. 气液相平衡
![5[1].2. 气液相平衡](https://img.taocdn.com/s3/m/cfef4f283169a4517723a3b1.png)
m的讨论： 的讨论： 的讨论 1）m大，溶解度小，难溶气体 2）T ↑ m↑ ； p ↑ m↓
3）摩尔比表示相平衡关系 ）
Y y= 1+ Y
X x= 1+ X
Y X =m 1+ Y 1+ X
Y=
mX 1 + (1 − m) X m)
=1或稀溶液 或稀溶液， 很小， 若 m =1或稀溶液，XA很小，则
* Y A = mX A
某系统温度为10℃，总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？ 查得10℃时氧气在水中的亨利系数E为3.31×106kPa。
p*A ＝ py =101.3×0.21=21.27kPa C*A ＝ HpA
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 p A ＞p * A A由气相向液相传质，吸收过程 p A ＝p * A 平衡状态 p A ＜p *A A由液相向气相传质，解吸过程 吸收过程：y ＞ y* 或 x*＞ x 或 C*A＞ CA
例题：在101.325 KPa，20℃下，稀氨水的 气液相平衡关系为y*A=0.94XA，若有含氨 0.094（摩尔分数，下同）的混合气体和组 成为XA=0.05的氨水接触，试确定过程进行 的方向（吸收？解吸？）
问题： 问题：
1、 E值大的是难溶气体还是易溶气体？ 、 值大的是难溶气体还是易溶气体 值大的是难溶气体还是易溶气体？ E大的，溶解度小，难溶气体 E小的，溶解度大，易溶气体
E的影响因素：溶质、溶剂、T 2、 物系一定， T↑ E值怎样变化？ 、 物系一定， 值怎样变化？ 值怎样变化 T↑ E ↑ E的来源：实验测得；查手册 的来源：实验测得； 的来源
2-气液相平衡
AB = 1，平衡时 yA = xA，不能用普通精
馏方法分离
SHANDONG UNIVERSITY
右图中:
yA,3
3 > 2 > 1
yA,2
yA,3 > yA,2 > yA,1 yA,1
则, 采用精馏
方法更易分离
xA
为定值的相平衡曲线
pA 1010mmHg pB* 405 mmHg
xA
p pB* pA* pB*
0.587
yA
pA* xA p
0.78
SHANDONG UNIVERSITY
例5 -2 已知含苯 0.3(mol%)的苯-甲苯 溶液。若总压为101.3 kPa，试求系统的泡 点温度。
解：设Ts = 95 C
pA
pB
p组分A在气相中
总压的摩尔分数
即：
p A
xA
p B
xB
p
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二、相平衡关系表示法
1. 计算法
xA
p pB* pA* pB*
泡点方程 ( xA ～ T )
当 p、T 一 定时，xA 一定。
yyAA
pp*AAxA pp
露点方程 ( yA～ T )
当 p、T一 定时，yA 一定 即：p 、T 一定，xA、yA 也一定
pA* 153.99 kPa pB* 62.26 kPa
xA
p pB* pA* pB*
0.426
>
0.3
重设： 设 Ts = 98.87C
xA = 0.297 0.3
SHANDONG UNIVERSITY
第4章 汽液相平衡
（6）
假设：忽略液体比容，并把气相当作理想气 体，并把 hlv当作常数，在这种条件下得到：
hlv hlv 1 B ln p s C C A RT R T T
（7）
这个方程称为克拉贝龙方程。
中南大学能源科学与工程学院
如果知道物质温度为 T1时的饱和蒸气压 p1s 、蒸 发潜热 hlv ，要计算相应 T2 时的饱和蒸气压 p 2 s ，则 可以用下式近似计算： p2 s hlv 1 1 ln （8） p1s R T2 T1 对于实际气体，在压力比较高时，可采用基于对比 态原理得出的通用蒸气压方程。李 -凯斯勒运用匹察提 出的三参数对比态关系，使蒸气压方程用下列关系表示：
i i i i i
y 若iv 不变化，再判断是否等于 1。若 ，则说 p yi 1 的初值不对，重新调整 明假定的 ，在返回到第 p 二步；若 ，则将结果打印出来。这样求出的 yi 1 p yi 和 即为泡点压力和气相成分。
i
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开始
结束
x i 及各组 输入 T 、 分的物性参数， 给 p 及yi 赋初值
T s v s l h v hl hlv
则得
dp hlv dT T v v v l
（5a）
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二 气液相变的蒸气压方程
将实际气体状态方程 v ZRT / p代入式（5a），得
dps hlv dT RT 2 v Z Zl ps
d ln p s hlv 或 dT RT 2 Z v Z l
1 2 n p p p 力平衡条件：
气液相平衡
8-4
相际传质
一、两相间传质的“双膜”模型 为了解决多相传质问题，路易斯—惠特曼（Lewis-Whitman）将固体溶解理论引入传质 过程，二十年代提出了双膜模型，其要点如下。 1．两相间有物质传递时，相界面两侧各有一层极薄的静止膜，传递阻力都集中在这里。 这实际上是继承了“滞流膜”模型的观点。例如气—液相间的传质，如图 4-8 所示，气相侧 和液相侧的传质通量分别为：
K y ——以 y 表达的气相总传质系数， kmol m 2 s 1 ；
K x ——以 x 表达的液相总传质系数， kmol m 2 s 1 。
下面先解决总传质系数与分传质系数的关系。
四、 传质系数之间的换算 Ky 、 Kx 与ky 、 k x 的关系。 1．
由图 8-11 看出，
8-2
气液相平衡
1． 1． 何谓溶解度？——在一定温度与压力下， 溶质气体最大限度溶解于溶剂中的量， 即溶解度。如图 4-3 所示，NH3 溶于水的速率等于 NH3 逸出水的速率，此时达到动 平衡。动平衡时，水中溶解的氨的量，称为在该温度、压力下的氨在水中的溶解度。
图 8-3 气体溶解示意图 2．溶解度曲线——平衡曲线。 若固定温度、压力不变，测得某动平衡下，溶液上方氨的分压为 p1，此时溶于水的氨 的浓度为 x1；再改变浓度为 x2，测得上方氨分压为 p2；…… 依次类推，改变氨的浓度为 xn，测得溶液上方氨的分压为 pn，如图 4-4 所示。将这 n 个点，标绘在图上，即得在一定温度、压力下的溶解度曲线。
二、 最小液气比
L y1 y 2 G x1 x 2 ， y ， y ， x ， V 1 2 2 在一般的吸收计算中， 是给定的。我们分析式（III） ， L L 当 L 下降， G 亦下降，表示塔底出口浓度 x1 上升。如图 4-13 所示，当 G 下降至塔底
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▪ 吸收的应用：（1）回收有用组分和分离混合气体。例洗 油吸收焦炉气中的苯、甲苯蒸汽。
▪ （2）除去有害组分净化气体。 ▪ （3）制备某种气体的溶液或产物。 ▪ （4）作为生产的辅助环节。例如氨碱法生产中的应用。 ▪ （5）环保要求和职业保健要求。 ▪ 实际过程往往同时兼有净化和回收双重目的。
▪ 化学吸收的极限：极限是化学反应平衡，吸收速率取决 于反应速率或扩散速率，其中最慢的为控制步骤。
▪ 化学吸收的特点：化学吸收操作具有高度选择性。
▪ 化学吸收的条件：
▪ （1）可逆性。如不可逆，不能再生和循环使用溶剂。
▪ （2）较高的反应速率。若反应速率很慢，吸收过程速率 决定于反应速率，可加入适当的催化剂。
▪ 可得 m = E / p
▪ 即T↑，p↓，则m↑，不利吸收操作，反之亦然。
亨利定律的其它表形式
▪ E与H间的关系 ▪ 由于液相浓度 c cM x ，
cM
Mx M s (1 x)
▪ ▪
如果是稀深夜，则
cM
s
Ms
▪ 亨利定律 ▪则
pe ＝E·x 或 pe =H·c
E
Hc x
Hc M
H s
Ms
氨水的溶解和解吸过程
例8-1 设1atm，20℃下稀氨水的相平衡方程为ye
=0.94x ，今使含氨y =10％的混合气和x=0.05的氨水接触， 试判别传质过程的方向。x与y浓度对调，则判别传质过程的 方向。
▪ 解： ye = 0.94x = 0.94×0.05 = 0.047 ＜ y =0.10发生吸
▪ （2）溶剂的蒸汽压很低，挥发不计，气体中不含溶剂。
8.1 概述
吸收操作的条件
▪ 吸收操作条件：选择吸收剂，吸收操作的温度、压力、 吸收设备。
▪ 为了提高吸收传质速率和吸收率，应注意以下问题： ▪ （1）采用连续操作，有利于稳定生产和控制操作条件。 ▪ （2）气液间逆流接触，有利于吸收完全和提高推动力。 ▪ （3）使气相或液相分散，增加气液间的有效接触面积。 ▪ （4）增大相际间湍动程度降低传质阻力。
▪ 溶质的组成表示方法。摩尔分数y或x，物质量的浓度c （kmol/m3），摩尔比X或Y。
▪ 当压力（分压）一定时，气体的溶解度只与温度有关； 当温度一定时，气体的溶解度只与平衡分压有关。
二氧化硫在水中的溶解度
氨在水中的溶解度
吸收平衡时，与温度、压力、浓度和吸收剂的性质有关。 在一定温度下，将平衡时溶质在气相中的分压pe与液相中 的摩尔分数x相关联，即为溶解度曲线。
第八章 气体吸收
教学时数12学时
第8章 气体吸收
▪ 8.1 概述 ▪ 8.2 气液相平衡 ▪ 8.3 扩散和单相传质 ▪ 8.4 相际传质 ▪ 8.5 低含量气体吸收的计算 ▪ 8.6 高浓度气体吸收 ▪ 8.7 化学吸收
8.1 概述
▪ 传质过程 ▪ 气体吸收 ▪ 工业吸收流程 ▪ 溶剂的选择 ▪ 物理吸收和化学吸收 ▪ 吸收操作的经济性 ▪ 吸收过程中气液两相的接触方式 ▪ 吸收操作的条件 ▪ 定态和非定态操作
8.1 概述
工业吸收流程
工业吸收过程的流程和吸收塔的流程。 一个完整的吸收分离过程包括吸收和解吸两个组成部分。
8.1 概述
吸收操作解决三个问题
▪ （1）选择合适的溶剂使其能选择性的溶解某个（或某些） 被分离组分；
▪ （2）提供适当的传质设备（吸收塔），以实现气液两相 的接触，使被分离组分得以自气相转移至液相。
▪ 吸收操作的经济性：由总费用（即操作费用加设备费用） 来衡量的。最经济的吸收操作应是操作费用与设备费用 之和即总费用为最小
8.1 概述 吸收过程中气液两相的接触方式
▪吸收设备：级式接触
▪
微分式接触
板式塔
湿壁塔
填料塔
▪ 级式与微分式接触的计算方法不同，本章讨论微分式吸收的计算， 并且限于
▪ （1）气体混合物中只有一个组分溶于溶剂，其余组分在溶剂中的溶 解度均不计，因而可视为一个惰性组分。
8.1 概述
吸收操作的经济性
▪ 吸收操作的费用主要包括： ▪ （1）气液两相流经吸收设备的能量消耗。 ▪ （2）溶剂的挥发损失和变质损失。 ▪ （3）溶剂的再生费用，此项所占的比例最大。 ▪ 解吸方法：升温、减压、吹气。同时使用最为常见。 ▪ 设备费用：吸收塔及辅助设备（泵、风机、加热器、冷
却器等）的费用。
要低，否则吸收和再生过程中吸收剂的挥发损越大。
▪ （5）粘性小。粘度低、吸收过程中不易产生泡沫，塔内 气液接触良好和塔顶气液易于分离，输液功耗小；
▪ （6）化学性能稳定性，以免发生变质； ▪ （7）价廉、易得、无毒、无害、不易燃烧等。 ▪ （8）操作或处理不当，不污染环境。 ▪ 应对选用吸收剂作全面评价后做出经济合理的选择。
8.1 概述
传质过程
▪ 气体吸收和精馏是讨论化工传质过程及其典型设备。 ▪ 传质过程：物质通过相界面从一相迁移至பைடு நூலகம்一相的过程。 ▪ 研究传质过程：研究物质通过相界面迁移过程的基本规律
以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作。
表8-1 各种传质过程
8.1 概述
气体吸收
▪ 吸收操作：分离气体混合物。 ▪ 分离依据：混合物各组分在溶剂溶解度的差异。实例。 ▪ 吸收组份名称：溶质或吸收质，惰性气体，吸收剂或溶
收过程 ▪ 或 xe = y/m = 0.10/0.94 = 0.106 ＞x =0.05发生吸收过程 ▪ 反之，若以y=0.05的含氨混合气与x=0.1的氨水接触， ye
= 0.94x = 0.94×0.1=0.94发生解吸过程， ▪ 或 xe = y/m = 0.05/0.94 = 0.053 发生解吸过程
8.1 概述
定态和非定态操作
▪ 在吸收操作或其它传质过程中，吸收过程中各参数不随 时间而变化，为定态传质过程；
▪ 否则为非定态传质过程。
8.2 气液相平衡
▪ 8.2.1 平衡溶解度
▪ 溶解度 ▪ 溶解度曲线 ▪ 亨利定律 ▪ 亨利定律的其它表形式 ▪ 用摩尔比表示相平衡关系
▪ 8.2.2 相平衡方程的应用
▪ （3）溶剂的再生，既脱除溶解于其中的被分离组分以便 循环使用。
8.1 概述
溶剂的选择
▪ （1）溶解度大，溶质的平衡分压要低。可提高吸收速率 并减小吸收剂的耗用量，气体中溶质的残余浓度可降低；
▪ （2）选择性高；对其它组分的溶解度要小。 ▪ （3）溶解度与温度的关系敏感，溶剂易再生； ▪ （4）挥发度小，不污染被吸收的气体。吸收剂的蒸汽压
Y mX
▪
1 (1 m) X
▪ 对于稀溶液，X较小，上式简化为：
▪
Y = m·X
8.2.2 相平衡方程的应用
判别过程的方向
▪ 当气液两相接触时，要使溶质自气相转移至液相，即发 生吸收过程的充要条件是
▪
y ＞ ye 或 x ＜ xe
溶质自液相转移至 气相，即发生解吸过 程。如果相等，则达 到平衡。
8.2.2 相平衡方程的应用
指明过程的极限
在吸收塔中，当溶剂量下降，塔底出口浓度x1增大。 在塔很高、溶剂量很小的情况下，x1达到极限，其极限 浓度x1,max与气相浓度y1相平衡的液相浓度x1e
x1e =y1/m
▪ 吸收剂用量很大而气体流
量较小时，在无限高的塔内
进行逆流吸收，出口气体浓
度极限y2,min为入口浓度x2平 衡浓度y2e
▪
pe =H·c
▪ H为溶解度系数，kmol·m-3/Pa。
▪ 相平衡常数m
▪ ye = m·x 或 y = m·xe ▪ m为相平衡常数，m值愈大，溶解度愈小。
▪ m、H、E之间的关系
▪ 总压p不高，气体为理想气体，服从道尔顿分压定律
▪
pe = p·ye
▪ 亨利定律 pe =E·x 和ye = m·x
▪ 判别过程的方向
▪ 指明过程的极限 ▪ 计算过程的推动力
8.2.1 平衡溶解度
溶解度曲线
▪ p、T一定，吸收剂与混合气体接触，溶质向液相转移， 直至液相中溶质饱和，浓度不增加，此时气液两相达到 平衡，这个饱和浓度就叫做气体溶质在液体中的溶解度。
▪ 气液两相的相平衡关系，取决于吸收的极限-溶解度，即 系统的吸收率和溶液的浓度。
8.1 概述
物理吸收
▪ 物理吸收的定义：吸收质简单地从气相溶入液相，吸收 质与溶剂间没有显著的化学反应或只有微弱的化学反应， 吸收后吸收质在溶液中是以游离的或结合很弱，条件改 变，解吸即可发生。如水吸收CO2，洗油吸收煤气中的苯 等。
▪ 物理吸收的极限：是吸收质在溶剂中的溶解度。
▪ 吸收速率：吸收质从气相传递到液相主体的扩散速率。
▪ 常见物系的气液溶解度数据，亨利常数E（或H）可在有 关手册中查到。
8.2.1 平衡溶解度
用摩尔比表示相平衡关系
▪ 为了计算方便，用气体中的惰性组分和液体中的溶剂
作为计算标准，用摩尔比X、Y表示气液相溶质的浓
度。 ▪
x X
或
1 X
X x 1 x
▪
y Y
或
1Y
Y y 1 y
▪ 将Y、X的值代入相平衡关系 y = m·x，得
8.2.1 平衡溶解度
亨利定律
▪ 吸收操作最常用于分离低浓度溶质的气体混合物。
▪ 稀溶液的溶解度曲线通常近似为一直线。此时溶解度x与
平衡分压pe之间服从亨利定律，即
▪
pe ＝E·x
▪ 温度增大，亨利系数E增大，溶液浓度下降，溶解度下降。
8.2.1 平衡溶解度
亨利定律的其它表形式
▪ 溶解度系数H
▪ 用物质的量浓度c（kmol/m3）表示：
▪ 物理吸收的特点：可逆的，热效应一般很小，气相分压 变化也很小。