1、關于化工原理第五章氣液相平衡現在學習的是第一頁，共31頁一、氣體在液體中的溶解度一、氣體在液體中的溶解度1、有關概念、有關概念（1）相平衡）相平衡 【定義定義】若有兩個或兩個以上的均相，雖然它們互相緊密接觸，但它們各自的性質并不隨時間而改變性質并不隨時間而改變，此狀態稱為“相平衡” 。【特點特點】從熱力學上看，整個物系的自由焓處于最小自由焓處于最小的狀態；從動力學來看，相間表觀傳遞速率為零表觀傳遞速率為零。現在學習的是第二頁，共31頁氣液相平衡示意圖氣液相平衡示意圖【說明說明】氣液相平衡是氣液相平衡是一種動態平衡。一種動態平衡。xy現在學習的是第三頁，共31頁（3）平衡分壓）平衡分壓 氣液平衡

2、時，氣相中溶質的分壓氣相中溶質的分壓為平衡分壓。 （4）相平衡關系）相平衡關系 平衡時溶質組分在氣液兩相中的濃度關濃度關系系為相平衡關系。（5）溶解度曲線）溶解度曲線 氣液相平衡關系用二維坐標繪成的關二維坐標繪成的關系曲線系曲線稱為溶解度曲線。（2）飽和濃度）飽和濃度 氣液平衡時，溶質在液相中的濃度液相中的濃度為飽和濃度（平衡溶解度平衡溶解度）。現在學習的是第四頁，共31頁 對單組分物理吸收單組分物理吸收的物系，根據相律相律： FK23223 （K3，溶質A，惰性組分B，溶劑S，2，氣、液兩相）【結論結論】在溫度T、總壓P和氣、液相組成共4個變量個變量中，有3個自變量（獨立變量獨立變量），另1

3、個是它們的函數。即： 2、相平衡的理論依據、相平衡的理論依據xPTfy、現在學習的是第五頁，共31頁【易溶氣體易溶氣體】溶解度大的氣體如NH3等稱為易溶氣體；【難溶氣體難溶氣體】 溶解度小的氣體如O2 、CO2等氣體： 介乎其間的氣體稱為溶解溶解度適中度適中的氣體（如SO2等）。 【結論結論】不同氣體在同一種不同氣體在同一種吸收劑中的溶解度不同。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不同氣體在同一種吸收劑中的溶解度溫度（溫度（T）、壓力（）、壓力（P）一定）一定pA(yA)xA 圖圖現在學習的是第六頁，共31頁平衡分壓與溶解度的關系（平衡分壓與溶解度的關系（P、T一定）一定）【

4、結論結論】溶質（氨）在水中的溶解度溶解度隨其在氣相中的分分壓增大而增大壓增大而增大。氨在水中的溶解度氨在水中的溶解度現在學習的是第七頁，共31頁【規律規律】當總壓P、氣相中溶質y一定時，吸收溫度下降，溫度下降，溶解度大幅度提高溶解度大幅度提高。【啟示啟示】吸收劑常常經冷卻后進入吸收塔（在低溫下吸收在低溫下吸收）。 溫度對溶解度的影響（溫度對溶解度的影響（P、y一定）一定）現在學習的是第八頁，共31頁總壓對溶解度的影響（總壓對溶解度的影響（T、y一定）一定）【規律規律】在一定的溫度下，氣相中溶質組成y不變，當總總壓壓P增加增加時，在同一溶劑中溶質的溶溶解度解度x隨之增加隨之增加。【啟示啟示】吸收

5、操作通常在加壓條件下加壓條件下進行。 20下下SO2在水中的溶解度在水中的溶解度現在學習的是第九頁，共31頁二、亨利定律二、亨利定律【亨利定律亨利定律】1803年英國化學家威廉.亨利研究氣體在液體中的溶解度時，總結出一條經驗規律 ：“在一定的溫度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衡分壓成正比”。【亨利定律的應用條件亨利定律的應用條件】（1）總壓不高）總壓不高（不超過5105Pa，5atm）；（2）溫度一定）溫度一定；（3）稀溶液。）稀溶液。現在學習的是第十頁，共31頁亨利簡介亨利簡介 威廉亨利于1774年12月1

6、2日出生在英國的曼徹斯特市。 他們祖孫三代祖孫三代都是醫師兼有名的化學家。發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）。他們三代是十八世紀到十九世紀的著名學者。 威廉亨利在1795年進愛丁堡大學，一年之后。因為他父親醫務工作上需要助手，他離開了大學，在家里做實醫師。到1805年他又回到愛丁堡大學，繼續學業。1807年化完成了醫學博士學位。 亨利定律是在1803年由威廉亨利在英國皇家學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

7、定律了。 1888年年，在亨利發表他的定律八十多年后，法國化學家拉烏爾法國化學家拉烏爾（FrancoisMarie Raoult，18301901）發表了他在溶液蒸氣壓方面的發現，這就是我們現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。現在學習的是第十一頁，共31頁1、亨利定律的數學表達式、亨利定律的數學表達式AExp *A式中： pA*溶質在氣相中的平衡分壓，kPa； E亨利系數，kPa； xA 溶質在液相中的摩爾分率。現在學習的是第十二頁，共31頁（1）對于理想溶液理想溶液，在壓力不高及溫度恒定的條件下，PA*x關系在整個組成

8、范圍內都符合亨利定律整個組成范圍內都符合亨利定律，而亨利系數即為該溫度下純溶質的飽和蒸汽壓純溶質的飽和蒸汽壓，此時亨利定律與亨利定律與拉烏爾定律是一致拉烏爾定律是一致的。（2）實際的吸收操作所涉及的系統多為非理想溶液非理想溶液，此時亨利系數不等于純溶質的飽和蒸汽壓，且只在液相溶質組成很低時（稀溶液稀溶液）才是常數。【兩點討論兩點討論】現在學習的是第十三頁，共31頁2、亨利系數、亨利系數E【作用作用】亨利系數是物性常數物性常數，表明一種組分溶解的難溶解的難易程度易程度。在同一溶劑中，難溶氣體的難溶氣體的E值很大，而易溶值很大，而易溶氣體的氣體的E值則很小值則很小。 【影響因素影響因素】對于一定的

9、氣體溶質和溶劑，亨利系數隨亨利系數隨溫度而變化溫度而變化。【變化規律變化規律】溫度升高則溫度升高則E增大增大（溶解度隨溫度升高而減小）。【獲取方法獲取方法】亨利系數可由實驗測定實驗測定，亦可從有關手冊手冊中查得中查得。現在學習的是第十四頁，共31頁氣氣體體 溫度溫度 /( ) 種種類類 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 60 70 80 90 100 (E106)/(kPa)H2 5.87 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 空空氣氣 4.38 4.94

10、 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 5.96 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

11、 6.75 6.91 7.01 7.10 現在學習的是第十五頁，共31頁3、亨利定律的其他表達形式、亨利定律的其他表達形式HcpA*A 若氣相組成用分壓表示、液相組成用摩爾濃度氣相組成用分壓表示、液相組成用摩爾濃度表示，則：式中 cA溶質在液相中的摩爾濃度，kmol/m3； H溶解度系數溶解度系數，kmol/（m3kPa）； PA*溶質在氣相中的平衡分壓，kPa。 現在學習的是第十六頁，共31頁【溶解度系數溶解度系數 H 與亨利系數與亨利系數 E 的關系的關系】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溶劑的摩爾質量，kg/kmol。 AAExcH

12、ssEMH近似式：現在學習的是第十七頁，共31頁mxy * 若氣、液相組成均用摩爾分率表示氣、液相組成均用摩爾分率表示，則：式中 x液相中溶質的摩爾分率； y*與液相組成x相平衡的氣相中溶質的摩 爾分率； m相平衡常數相平衡常數，無因次。現在學習的是第十八頁，共31頁【相平衡常數相平衡常數 m 與亨利系數與亨利系數 E 的關系的關系】pEm P氣相中的總壓總壓，kPa。現在學習的是第十九頁，共31頁mXY* 若氣、液相組成均用氣、液相組成均用摩爾比摩爾比表示表示，可推得：XmmXY)1 (1* 當液相組成 X 很小時很小時，則：式中 X液相中溶質的摩爾比； Y* 與液相組成X相平衡的氣相中溶質

13、的摩爾比。現在學習的是第二十頁，共31頁三、相平衡關系在吸收過程中的應用三、相平衡關系在吸收過程中的應用1、判斷過程進行的方向、判斷過程進行的方向 發生吸收過程的充分必要條件吸收過程的充分必要條件是：反之，溶質自液相轉移至氣相，即發生解吸過程解吸過程。y y*x x*或：現在學習的是第二十一頁，共31頁平衡關系：y*x吸收吸收解吸解吸判斷過程進行的方向判斷過程進行的方向現在學習的是第二十二頁，共31頁2、指明過程進行的極限、指明過程進行的極限 如塔無限高（塔無限高（氣液兩相接觸時間氣液兩相接觸時間相當長相當長）的情況下，塔底液相的最液相的最大出口濃度大出口濃度：myxx*max,111【定義定

14、義】當氣液兩相接觸的時間相當長時，兩相將達到平衡狀態平衡狀態，此時即為過程的極限過程的極限。現在學習的是第二十三頁，共31頁 又如無限高的塔內，大量的吸收劑和較小氣體流量無限高的塔內，大量的吸收劑和較小氣體流量，塔頂氣相的出口組成氣相的出口組成為： 2*2min2,mxyy【結論結論】當x20（純吸收劑）時，y2,min0 ，理論上理論上實現氣相溶質的全部吸收。現在學習的是第二十四頁，共31頁3、確定過程的推動力、確定過程的推動力過程的推動力過程的推動力實際狀態實際狀態與平衡狀態平衡狀態的差距。【yy*】以氣相中溶質摩爾分率差氣相中溶質摩爾分率差表示吸收過程的推動力；【x*x】以液相中溶質的摩

15、爾分率差液相中溶質的摩爾分率差表示吸收過程的推動力；【 pAp*A】以氣相分壓差氣相分壓差表示的吸收過程推動力；【c*AcA】以液相摩爾濃度差液相摩爾濃度差表示的吸收過程推動力。 現在學習的是第二十五頁，共31頁 y2 x2 E y y A P M N x y* O x x* y1 x1 吸收推動力示意圖吸收推動力示意圖 氣相推動力氣相推動力液相推動力液相推動力吸收推動力示意圖吸收推動力示意圖yx現在學習的是第二十六頁，共31頁【例例】在總壓總壓101.3kPa，溫度，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）從液相分析液相分析S

16、O2的傳質方向傳質方向；（2）從氣相分析氣相分析，其它條件不變，溫度降到0時SO2的傳質方向傳質方向；（3）其它條件不變，從氣相分析，總壓提高到202.6kPa時SO2的傳質方向傳質方向，并計算以液相摩爾分率差及氣相摩爾以液相摩爾分率差及氣相摩爾率差率差表示的傳質推動力。現在學習的是第二十七頁，共31頁【解解】（1）查得在總壓101.3kPa，溫度30條件下SO2在水中的亨利系數E=4850kPa 所以 88.473 .1014850pEm從液相分析 01. 000627. 088.473 . 0*xmyx故SO2必然從液相轉移到氣相，進行解吸過程解吸過程。現在學習的是第二十八頁，共31頁（2）查得在總壓101.3kPa，溫度0的條件下，SO2在水中的亨利系數E1670kPa 49.163 .1011670pEm從氣相分析y*mx16.490.010.16y0.3故SO2必然從氣相轉移到液相，進