2024/4/26關(guān)于化工原理第五章氣液相平衡2024/4/26一、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”。【特點】①從熱力學(xué)上看，整個物系的自由焓處于最小的狀態(tài)；②從動力學(xué)來看，相間表觀傳遞速率為零。第2頁,共31頁，2024年2月25日，星期天2024/4/26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，2024年2月25日，星期天2024/4/26（3）平衡分壓氣液平衡時，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，2024年2月25日，星期天2024/4/26對單組分物理吸收的物系，根據(jù)相律：F＝K－Φ＋2＝3－2＋2＝3

（K＝3，溶質(zhì)A，惰性組分B，溶劑S，Φ＝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，2024年2月25日，星期天2024/4/26【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）?！窘Y(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，2024年2月25日，星期天2024/4/26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，2024年2月25日，星期天2024/4/26【規(guī)律】當(dāng)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，2024年2月25日，星期天2024/4/26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，2024年2月25日，星期天2024/4/26二、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”。【亨利定律的應(yīng)用條件】（1）總壓不高（不超過5×105Pa，5atm）；（2）溫度一定；（3）稀溶液。第10頁,共31頁，2024年2月25日，星期天2024/4/26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(ThomasHenry），他的兒子名威廉·查爾斯·亨利（WilliamCharlesHenry）。他們?nèi)鞘耸兰o到十九世紀的著名學(xué)者。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（Francois－Marie

Raoult，1830－1901）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，2024年2月25日，星期天2024/4/261、亨利定律的數(shù)學(xué)表達式式中：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，2024年2月25日，星期天2024/4/26（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，2024年2月25日，星期天2024/4/262、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?！居绊懸蛩亍繉τ谝欢ǖ臍怏w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，2024年2月25日，星期天2024/4/26氣體溫度/(℃)

種類0510152025303540455060708090100

(E×10—6)/(kPa)H2

5.876.166.446.706.927.167.397.527.617.707.757.757.717.657.617.55空氣4.384.945.566.156.737.307.818.348.829.239.5910.210.610.810.910.8CO3.574.014.484.955.435.886.286.687.057.397.718.328.578.578.578.57O2

2.582.953.313.694.064.444.815.145.425.705.966.376.726.967.087.10CH4

2.272.623.013.413.814.184.554.925.275.585.856.346.756.917.017.10第15頁,共31頁，2024年2月25日，星期天2024/4/263、亨利定律的其他表達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/（m3·kPa）；

PA*——溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓，kPa。

第16頁,共31頁，2024年2月25日，星期天2024/4/26【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，2024年2月25日，星期天2024/4/26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，2024年2月25日，星期天2024/4/26【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，2024年2月25日，星期天2024/4/26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，2024年2月25日，星期天2024/4/26三、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，2024年2月25日，星期天2024/4/26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，2024年2月25日，星期天2024/4/262、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，兩相將達到平衡狀態(tài)，此時即為過程的極限。第23頁,共31頁，2024年2月25日，星期天2024/4/26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)x2＝0（純吸收劑）時，y2,min＝0，理論上實現(xiàn)氣相溶質(zhì)的全部吸收。第24頁,共31頁，2024年2月25日，星期天2024/4/263、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；【pA－p*A】以氣相分壓差表示的吸收過程推動力；【c*A－cA】以液相摩爾濃度差表示的吸收過程推動力。

第25頁,共31頁，2024年2月25日，星期天2024/4/26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，2024年2月25日，星期天2024/4/26【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）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，2024年2月25日，星期天2024/4/26【解】（1）查得在總壓101.3kPa，溫度3