化工原理第五章氣液相平衡

1、關(guān)于化工原理第五章氣液相平衡第1頁，共31頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四2022/10/7一、氣體在液體中的溶解度1、有關(guān)概念（1）相平衡 【定義】若有兩個或兩個以上的均相，雖然它們互相緊密接觸，但它們各自的性質(zhì)并不隨時間而改變，此狀態(tài)稱為“相平衡” ?！咎攸c】從熱力學(xué)上看，整個物系的自由焓處于最小的狀態(tài)；從動力學(xué)來看，相間表觀傳遞速率為零。第2頁，共31頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四2022/10/7氣液相平衡示意圖【說明】氣液相平衡是一種動態(tài)平衡。xy第3頁，共31頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四2022/10/7（3）平衡分壓 氣液平衡

2、時，氣相中溶質(zhì)的分壓為平衡分壓。 （4）相平衡關(guān)系 平衡時溶質(zhì)組分在氣液兩相中的濃度關(guān)系為相平衡關(guān)系。（5）溶解度曲線 氣液相平衡關(guān)系用二維坐標(biāo)繪成的關(guān)系曲線稱為溶解度曲線。（2）飽和濃度 氣液平衡時，溶質(zhì)在液相中的濃度為飽和濃度（平衡溶解度）。第4頁，共31頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四2022/10/7 對單組分物理吸收的物系，根據(jù)相律： FK23223 （K3，溶質(zhì)A，惰性組分B，溶劑S，2，氣、液兩相）【結(jié)論】在溫度T、總壓P和氣、液相組成共4個變量中，有3個自變量（獨立變量），另1個是它們的函數(shù)。即： 2、相平衡的理論依據(jù)第5頁，共31頁，2022年，5月20日，1

3、3點21分，星期四2022/10/7【易溶氣體】溶解度大的氣體如NH3等稱為易溶氣體；【難溶氣體】 溶解度小的氣體如O2 、CO2等氣體： 介乎其間的氣體稱為溶解度適中的氣體（如SO2等）。 【結(jié)論】不同氣體在同一種吸收劑中的溶解度不同。不同氣體在同一種吸收劑中的溶解度溫度（T）、壓力（P）一定pA(yA)xA 圖第6頁，共31頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四2022/10/7平衡分壓與溶解度的關(guān)系（P、T一定）【結(jié)論】溶質(zhì)（氨）在水中的溶解度隨其在氣相中的分壓增大而增大。氨在水中的溶解度第7頁，共31頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四2022/10/7【規(guī)律】當(dāng)

4、總壓P、氣相中溶質(zhì)y一定時，吸收溫度下降，溶解度大幅度提高。【啟示】吸收劑常常經(jīng)冷卻后進入吸收塔（在低溫下吸收）。 溫度對溶解度的影響（P、y一定）第8頁，共31頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四2022/10/7總壓對溶解度的影響（T、y一定）【規(guī)律】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，在同一溶劑中溶質(zhì)的溶解度x隨之增加?！締⑹尽课詹僮魍ǔＴ诩訅簵l件下進行。 20下SO2在水中的溶解度第9頁，共31頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四2022/10/7二、亨利定律【亨利定律】1803年英國化學(xué)家威廉.亨利研究氣體在液體中的溶解度時，總結(jié)出一條經(jīng)驗

5、規(guī)律 ：“在一定的溫度和壓強下，一種氣體在液體里的溶解度與該氣體的平衡分壓成正比”?！竞嗬傻膽?yīng)用條件】（1）總壓不高（不超過5105Pa，5atm）；（2）溫度一定；（3）稀溶液。第10頁，共31頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四2022/10/7亨利簡介 威廉亨利于1774年12月12日出生在英國的曼徹斯特市。 他們祖孫三代都是醫(yī)師兼有名的化學(xué)家。發(fā)明亨利定律的亨利的名字是威廉亨利（William Henry），他的父親名托馬斯亨利( Thomas Henry），他的兒子名威廉查爾斯亨利（William Charles Henry）。他們?nèi)鞘耸兰o(jì)到十九世紀(jì)的著名學(xué)者。

6、 威廉亨利在1795年進愛丁堡大學(xué)，一年之后。因為他父親醫(yī)務(wù)工作上需要助手，他離開了大學(xué)，在家里做實醫(yī)師。到1805年他又回到愛丁堡大學(xué)，繼續(xù)學(xué)業(yè)。1807年化完成了醫(yī)學(xué)博士學(xué)位。 亨利定律是在1803年由威廉亨利在英國皇家學(xué)會上宣讀的一篇論文里，加以詳細(xì)說明的。從此以后，這個定律就被命名為亨利定律了。 1888年，在亨利發(fā)表他的定律八十多年后，法國化學(xué)家拉烏爾（FrancoisMarie Raoult，18301901）發(fā)表了他在溶液蒸氣壓方面的發(fā)現(xiàn)，這就是我們現(xiàn)在所稱的拉烏爾定律。 亨利晚年因為嚴(yán)重的頭痛和失眠，幾乎無法工作，于1836年9月2日離開人世，終年62歲。第11頁，共31頁，2

7、022年，5月20日，13點21分，星期四2022/10/71、亨利定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式式中： pA*溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓，kPa； E亨利系數(shù)，kPa； xA 溶質(zhì)在液相中的摩爾分率。第12頁，共31頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四2022/10/7（1）對于理想溶液，在壓力不高及溫度恒定的條件下，PA*x關(guān)系在整個組成范圍內(nèi)都符合亨利定律，而亨利系數(shù)即為該溫度下純?nèi)苜|(zhì)的飽和蒸汽壓，此時亨利定律與拉烏爾定律是一致的。（2）實際的吸收操作所涉及的系統(tǒng)多為非理想溶液，此時亨利系數(shù)不等于純?nèi)苜|(zhì)的飽和蒸汽壓，且只在液相溶質(zhì)組成很低時（稀溶液）才是常數(shù)?！緝牲c討論】第13頁，共31頁，2

8、022年，5月20日，13點21分，星期四2022/10/72、亨利系數(shù)E【作用】亨利系數(shù)是物性常數(shù)，表明一種組分溶解的難易程度。在同一溶劑中，難溶氣體的E值很大，而易溶氣體的E值則很小。 【影響因素】對于一定的氣體溶質(zhì)和溶劑，亨利系數(shù)隨溫度而變化。【變化規(guī)律】溫度升高則E增大（溶解度隨溫度升高而減?。??！精@取方法】亨利系數(shù)可由實驗測定，亦可從有關(guān)手冊中查得。第14頁，共31頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四2022/10/7氣體 溫度 /( ) 種類 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 60 70 80 90 100 (E106)/(kPa)H2 5.

9、87 6.16 6.44 6.70 6.92 7.16 7.39 7.52 7.61 7.70 7.75 7.75 7.71 7.65 7.61 7.55 空氣 4.38 4.94 5.56 6.15 6.73 7.30 7.81 8.34 8.82 9.23 9.59 10.2 10.6 10.8 10.9 10.8 CO 3.57 4.01 4.48 4.95 5.43 5.88 6.28 6.68 7.05 7.39 7.71 8.32 8.57 8.57 8.57 8.57 O2 2.58 2.95 3.31 3.69 4.06 4.44 4.81 5.14 5.42 5.70 5.9

10、6 6.37 6.72 6.96 7.08 7.10 CH4 2.27 2.62 3.01 3.41 3.81 4.18 4.55 4.92 5.27 5.58 5.85 6.34 6.75 6.91 7.01 7.10 第15頁，共31頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四2022/10/73、亨利定律的其他表達(dá)形式 若氣相組成用分壓表示、液相組成用摩爾濃度表示，則：式中 cA溶質(zhì)在液相中的摩爾濃度，kmol/m3； H溶解度系數(shù)，kmol/（m3kPa）； PA*溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓，kPa。 第16頁，共31頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四2022/10/7【

11、溶解度系數(shù) H 與亨利系數(shù) E 的關(guān)系】式中 cA液相中A組分的摩爾濃度，kmol/m3； s 溶劑的密度，kg/m3； Ms溶劑的摩爾質(zhì)量，kg/kmol。 近似式：第17頁，共31頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四2022/10/7 若氣、液相組成均用摩爾分率表示，則：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。第18頁，共31頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四2022/10/7【相平衡常數(shù) m 與亨利系數(shù) E 的關(guān)系】P氣相中的總壓，kPa。第19頁，共31頁，2022年，5月20日，13點21分，星

12、期四2022/10/7 若氣、液相組成均用摩爾比表示，可推得： 當(dāng)液相組成 X 很小時，則：式中 X液相中溶質(zhì)的摩爾比； Y* 與液相組成X相平衡的氣相中溶質(zhì)的摩爾比。第20頁，共31頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四2022/10/7三、相平衡關(guān)系在吸收過程中的應(yīng)用1、判斷過程進行的方向 發(fā)生吸收過程的充分必要條件是：反之，溶質(zhì)自液相轉(zhuǎn)移至氣相，即發(fā)生解吸過程。y y*x x*或：第21頁，共31頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四2022/10/7平衡關(guān)系：y*x吸收解吸判斷過程進行的方向第22頁，共31頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四2022/1

13、0/72、指明過程進行的極限 如塔無限高（氣液兩相接觸時間相當(dāng)長）的情況下，塔底液相的最大出口濃度：【定義】當(dāng)氣液兩相接觸的時間相當(dāng)長時，兩相將達(dá)到平衡狀態(tài)，此時即為過程的極限。第23頁，共31頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四2022/10/7 又如無限高的塔內(nèi)，大量的吸收劑和較小氣體流量，塔頂氣相的出口組成為： 【結(jié)論】當(dāng)x20（純吸收劑）時，y2,min0 ，理論上實現(xiàn)氣相溶質(zhì)的全部吸收。第24頁，共31頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四2022/10/73、確定過程的推動力過程的推動力實際狀態(tài)與平衡狀態(tài)的差距?！緔y*】以氣相中溶質(zhì)摩爾分率差表示吸收過程的推

14、動力；【x*x】以液相中溶質(zhì)的摩爾分率差表示吸收過程的推動力；【 pAp*A】以氣相分壓差表示的吸收過程推動力；【c*AcA】以液相摩爾濃度差表示的吸收過程推動力。 第25頁，共31頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四2022/10/7氣相推動力液相推動力吸收推動力示意圖yx第26頁，共31頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四2022/10/7【例】在總壓101.3kPa，溫度30的條件下, SO2摩爾分率為0.3的混合氣體與SO2摩爾分率為0.01的水溶液相接觸，試問：（1）從液相分析SO2的傳質(zhì)方向；（2）從氣相分析，其它條件不變，溫度降到0時SO2的傳質(zhì)方向；（3

15、）其它條件不變，從氣相分析，總壓提高到202.6kPa時SO2的傳質(zhì)方向，并計算以液相摩爾分率差及氣相摩爾率差表示的傳質(zhì)推動力。第27頁，共31頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四2022/10/7【解】（1）查得在總壓101.3kPa，溫度30條件下SO2在水中的亨利系數(shù)E=4850kPa 所以 從液相分析 故SO2必然從液相轉(zhuǎn)移到氣相，進行解吸過程。第28頁，共31頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四2022/10/7（2）查得在總壓101.3kPa，溫度0的條件下，SO2在水中的亨利系數(shù)E1670kPa 從氣相分析y*mx16.490.010.16y0.3故SO2必然從氣相轉(zhuǎn)移到液相，進行吸收過程?！窘Y(jié)論】降低溫度（101.3kPa，300）有利于吸收。第29頁，共31頁，2022年，