气液相平衡关系

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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pA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pA与溶质在液相中的摩尔分数xA成正比，比例系数为亨利系数E。

即： pA?ExA 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， T??E?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cA表示，气相用分压pA表示，

则： pA?*????cA 形式二 H

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H——溶解度系数，实验测定。 T??H?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：H??剂EM剂

②溶质在气液相中的浓度均用摩尔浓度表示，

则：yA?p*E??xA?mxA 形式三 PPm——相平衡常数。m?EP 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， T??m?p??m?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，

YA??1?YA?mmXAXA? 整理得： YA? 形式四

1?(1?m)XA1?XA比摩尔分数表示的气液相平衡关系。

（3）吸收平衡曲线

在X?Y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。 当溶液很稀时，XA很小，上式简化为：YA?mXA

上式在X-Y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。 亨利定律的几种表达形式也可改写为：

?x*?P*, c?HPE x*?yY, X*?mm必须指出，亨利定律是一个低压、稀溶液定律，它对常压或接近常压下的难溶气体较为合适，而对易溶气体则仅适用于低浓度的狭小范围。一般要求亨利定律的应用条件为：操作总压p≤500kPa，混合气中的溶质含量要小于10%。

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例题：在常压及20℃下，测得氨在水中的平衡数据为：0.5gNH3/100gH2O浓度为的稀氨水上方的平衡分压为400Pa，在该浓度范围下相平衡关系可用亨利定律表示，试求亨利系数E，溶解度系数H，及相平衡常数m。（氨水密度可取为1000kg/m3） 解：由亨利定律表达式知：

p*E?x?0.00527x?0.5/170.5/17?100/18∴亨利系数为

E?*y又 ?mx，而

p400??7.59?104Pax0.00527p?400*?0.00395y?51.01?10P

∴相平衡常数

∴溶解度系数为：

m?0.003950.00527?0.75p*?cHc?0.5/17?0.293kmol/m30.5?10010000.293?7.33?10?4kmol/m3?Pa400H?或由各系数间的关系求出其它系数

1000?7.32?10?4kmol/m3?Pa4EMs7.59?10?184E7.59?10?0.749m??3P101.33?10H??s?（4）相平衡在吸收过程中的应用 ①确定吸收推动力

吸收推动力：吸收质在气液相中的实际状态与平衡状态的偏离程度来表示。即：

* ?c?c?X?X?X?YA?YA?YA ?pA?pA?p*AA?cA AAA??过程的推动力愈大，则过程的速率愈快。

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② 判断吸收能否进行

*pA?pA吸收质由气相向液相传质，吸收过程 平衡状态

吸收质由液相向气相传质，解吸过程

pA?p*ApA?p*A吸收过程必备条件：

y ? y* 或 x* >x p?p*AA*cA?cA【例8-3】

三、吸收机理

1.传质的基本方式

两种方式：分子扩散及涡流扩散

（1）分子扩散： 在静止或层流流体中，若某一组分存在浓度差，则因分子无规则的热运动使该组分由浓度较高处向浓度较低处的转移过程。

发生在静止或层流流动的流体中，其推动力为浓度差，分子扩散速率取决与扩散物质和流体的温度及某些物理性质。一般情况下，液相中的扩散速率远远小于气相中的扩散速率。

（2）涡流扩散：依靠流体质点的湍流流动和涡流运动将物质由高浓度处向低浓度处的转移过程。

涡流主要取决与流体的湍动程度。其扩散速率远大于分子扩散速率。 （3）对流扩散：湍流主体的涡流扩散和层流内层中的分子扩散的总称。 2.双膜理论

双膜理论的基本论点如下： （1）相互接触的气、液两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各有一个气膜和液膜，膜内流体为层流流动，吸收质以分子扩散方式通

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过气膜和液膜。

（2）在相界面处，气液两相达于平衡，传质无阻力。

（3）膜外的气液相主体中，流体流动的非常剧烈，溶质的浓度很均匀，传质的阻力可以忽略不计，传质阻力集中在两层膜内。

小结：气体在液体中的溶解度；亨利定律；吸收平衡曲线；相平衡在吸收过程中的

应用。

作业：习题8-5、习题8-6

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