氣液相平衡關(guān)系

1、4. 2氣液相平衡關(guān)系本節(jié)教學(xué)要求1、重點(diǎn)掌握的內(nèi)容：相平衡的影響因素及相平衡關(guān)系在吸收過程中的應(yīng)用；2、熟悉的內(nèi)容：溶解度、平衡狀態(tài)、平衡分壓、亨利定律.4.2.1相組成表示方法1 .質(zhì)量分率與摩爾分率質(zhì)量分率：質(zhì)量分率是指在混合物中某組分的質(zhì)量占混合物總質(zhì)量的分率.對于混合物 中的A組分有.mA,、Wa (4-1)m式中Wa 組分A的質(zhì)量分率；mA 混合物中組分 A的質(zhì)量,kg；m混合物總質(zhì)量,kg.wA + wB + wN =1(4-2)摩爾分率：摩爾分率是指在混合物中某組分的摩爾數(shù)nA占混合物總摩爾數(shù) n的分率.對于混合物中的 A組分有氣相：yA =n-(4-3)n液相：xA = -A

2、-(4-4)n式中Na、Xa 分別為組分 A在氣相和液相中的摩爾分率；nA 液相或氣相中組分 A的摩爾數(shù),n 液相或氣相的總摩爾數(shù).Na +yB + , Nn =1(4-5)Xa +Xb + ', Xn =1(4-6)質(zhì)量分率與摩爾分率的關(guān)系為:(4-7)w a/M aXa :TTw a/M a ：fw b/M b - w N /M N式中Ma、Mb 分別為組分 A、B的分子量.2 .摩爾比摩爾比是指混合物中某組分 A的摩爾數(shù)與惰性組分 B 不參加傳質(zhì)的組分的摩爾數(shù)之比,其定義式為YanA0b(4-8)Xa0a0b(4-9)式中 Ya、Xa 分別為組分 A在氣相和液相中的摩爾比;摩爾分

3、率與摩爾比的關(guān)系為X x 二1 X y y=1 yx -1-x(4-10)(4-11)(4-12)(4-13)【例5-1】 在一常壓、298K的吸收塔內(nèi),用水吸收混合氣中的SO?.混合氣體中含SO2的體積百分比為20%,其余組分可看作惰性氣體,出塔氣體中含 SO2體積百分比為2%,試分別用摩爾分率、摩爾比和摩爾濃度表示出塔氣體中SO2的組成.解：混合氣可視為理想氣體,以下標(biāo)2表示出塔氣體的狀態(tài).V2 =0.02丫2 =V21-y20.021 -0.02:0.02PA2 = py2 =101.3 0.02=2.026kPa-0a2 Pa2 2.026一 =-=cA2RT8.314 298= 8.

4、018 104kmol/m 3.s'圖4-2氨在水中的溶解度由圖4-2可見,在一定的溫度下,氣相中溶質(zhì)組成y不變,當(dāng)總壓p增加時(shí),在同一溶4. 2. 2氣體在液體中的溶解度1 .溶解度曲線平衡狀態(tài)：在一定壓力和溫度下, 使一定量的吸收劑與混合氣體充分接觸, 氣相中的溶 質(zhì)便向液相溶劑中轉(zhuǎn)移, 經(jīng)長期充分接觸之后,液相中溶質(zhì)組分的濃度不再增加,此時(shí),氣液兩相到達(dá)平衡,此狀態(tài)為平衡狀態(tài).飽和濃度：氣液平衡時(shí),溶質(zhì)在液相中的濃度為飽和濃度溶解度.平衡分壓：氣液平衡時(shí),氣相中溶質(zhì)的分壓為平衡分壓.相平衡關(guān)系：平衡時(shí)溶質(zhì)組分在氣液兩相中的濃度關(guān)系為相平衡關(guān)系.溶解度曲線：氣液相平衡關(guān)系用二維坐標(biāo)

5、繪成的關(guān)系曲線稱為溶解度曲線.0. 07Q+ 06H 050.040. 030, 010.0101 X10",3X L0-fH A圖4-3 20c下SO2在水中的溶解度劑中溶質(zhì)的溶解度 x隨之增加,這將有利于吸收,故吸收操作通常在加壓條件下進(jìn)行.由圖4-3可知,當(dāng)總p、氣相中溶質(zhì)y 一定時(shí),吸收溫度下降,溶解度大幅度提升,吸 收劑常常經(jīng)冷卻后進(jìn)入吸收塔.結(jié)論：加壓和降溫有利于吸收操作過程；而減壓和升溫那么有利于解吸操作過程.液相中sof摩爾分圖4-4 101.3kPa下SO2在水中的溶解度100,10 * 內(nèi),kmol/m5圖4-5幾種氣體在水中的溶解度曲線易溶氣體：溶解度大的氣體如

6、 NH3等稱為易溶氣體；難溶氣體：溶解度小的氣體如 .2、CO2溶解度適中的氣體：介乎其間的如SO2等氣體稱為溶解度適中的氣體.等氣體稱為難溶氣體；4.2 . 3.亨利定律亨利定律的內(nèi)容：總壓不高譬如不超過5X 105Pa時(shí),在一定溫度下,稀溶液上方氣相中溶質(zhì)的平衡分壓與溶質(zhì)在液相中的摩爾分率成正比,其比例系數(shù)為亨利系數(shù).亨利定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式p* = Ex 4-14式中 p*溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓,kPa;E亨利系數(shù),kPa; T , E.x溶質(zhì)在液相中的摩爾分率.亨利定律有不同的表達(dá)形式：,* c,2p = 4-15H式中 c溶質(zhì)在液相中的摩爾濃度,kmol/m 3;3H溶解度系數(shù),kmol

7、/ m , kPa;p 溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓,kPa.溶解度系數(shù)H與亨利系數(shù)E的關(guān)系為:E 二HM 0(4-16)式中：S為溶劑的密度,kg/m3.T , H.（3） y* = mx4-17式中x液相中溶質(zhì)的摩爾分率；y* 與液相組成x相平衡的氣相中溶質(zhì)的摩爾分率；m相平衡常數(shù),無因次.相平衡常數(shù)m與亨利系數(shù)E的關(guān)系為：Em = 一P當(dāng)物系一定時(shí),T.或P ,那么m, , , *4Y =mX式中X一液相中溶質(zhì)的摩爾比；(4-18)(4-19)Y*與液相組成 X相平衡的氣相中溶質(zhì)的摩爾比;【例5-2】某系統(tǒng)溫度為10C,總壓101.3kPa,試求此條件下在與空氣充分接觸后的水中, 每立方米水溶解了多少克氧氣？解：空氣按理想氣體處理,由道爾頓分壓定律可知,氧氣在氣相中的分壓為：*p = py = 101.3X 0.21=21.27kPa氧氣為難溶氣體,故氧氣在水中的液相組成 x很低,氣液相平衡關(guān)系服從亨利定律,由表5-1查得10c時(shí),氧氣在水中