吸收過程的相平衡關(guān)系

1、第2節(jié)  吸收過程的相平衡關(guān)系氣體在液體中的溶解度1相平衡在一定的溫度和壓強(qiáng)下，使混合氣體與一定量的吸收劑相接觸，溶質(zhì)便向液相轉(zhuǎn)移，直至液相中溶質(zhì)達(dá)到飽和濃度為止，這種狀態(tài)稱為相際動平衡，簡稱相平衡或平衡。2飽和分壓平衡狀態(tài)下氣相中的溶質(zhì)分壓稱為平衡分壓或飽和分壓。3飽和濃度（溶解度）液相中的溶質(zhì)濃度稱為平衡濃度或飽和濃度，也即氣體在液體中的溶解度。溶解度表明一定條件下吸收過程可能達(dá)到的極限程度，習(xí)慣上用單位質(zhì)量（或體積）的液體中所含溶質(zhì)的質(zhì)量來表示。4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。氣體的溶解度通過實(shí)驗(yàn)測定。圖22圖23及圖24分別示出常壓下氨、二氧

2、化硫和氧在水中的溶解度與其在氣相的分壓之間的關(guān)系（以溫度為參數(shù)）。圖中的關(guān)系線稱為溶解度曲線。由圖可看出：(1) 在同一溶劑（水）中，不同氣體的溶解度有很大差異。例如，當(dāng)溫度為20、氣相中溶質(zhì)分壓為20kPa時，每1000kg水中所能溶解的氨、二氧化硫和氧的質(zhì)量分別為170kg、22kg和0.009kg。這表明氨易溶于水，氧難溶于水，而二氧化硫居中。(2) 同一溶質(zhì)在相同的溫度下，隨著氣體分壓的提高，在液相中的溶解度加大。例如在10時，當(dāng)氨在氣相中的分壓分別為40kPa和100kPa時，每1000kg水中溶解氧的質(zhì)量分別為395kg和680kg。(3) 同一溶質(zhì)在相同的氣相分壓下，溶解度隨溫度

3、降低而加大。例如，當(dāng)氨的分壓為60kPa時，溫度從40降至10，每1000kg水中溶解的氨從220kg增加至515kg。由溶解度曲線所顯示的共同規(guī)律可知：加壓和降溫可以提高氣體的溶解度，對吸收操作有利；反之，升溫和減壓對脫吸操作有利。 亨利定律1亨利定律：描述互成平衡的氣、液兩相間組成的關(guān)系。當(dāng)總壓不高時，在恒定溫度下，稀溶液上方的氣體溶質(zhì)平衡分壓與其在液相中摩爾分率成正比。由于組成有多種表示方法，所以亨利定律有多種表達(dá)式。2亨利定律表達(dá)式(1) 以p及x表示的平衡關(guān)系當(dāng)液相組成用物質(zhì)的量的分?jǐn)?shù)（摩爾分?jǐn)?shù)）表示時，則稀溶液上方氣體中溶質(zhì)的分壓與其在液相中物質(zhì)的量的分?jǐn)?shù)（摩爾分?jǐn)?shù)）之間

4、存在如下關(guān)系，即：p*Ex                                 （21）式中 p* 溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓，kPa；x   溶質(zhì)在液相中物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)；E   亨利系數(shù)，單位與壓強(qiáng)單位一致。其數(shù)值隨物系特性及溫度而變。(2) 以p及c

5、表示的平衡關(guān)系若用物質(zhì)的量濃度c表示溶質(zhì)在液相中的組成，則亨利定律可寫成如下形式，即： p*                        （22）式中  c 單位體積溶液中溶質(zhì)的物質(zhì)的量， ；H 溶解度系數(shù)，。溶解度系數(shù)的數(shù)值隨物系而變，同時也是溫度的函數(shù)。對一定的溶質(zhì)和溶劑，H值隨溫度升高而減小。易溶氣體有很大的H值，難溶氣體的H值很小。對于稀

6、溶液，H值可由下式近似估算，即：H                                 （23）式中 溶液的密度，kgm3；Ms 溶劑的摩爾質(zhì)量。(3) 以y與x表示平衡關(guān)系若溶質(zhì)在氣相與液相中的組成分別用物質(zhì)的量的分?jǐn)?shù)與表示，亨利定律又可寫成如下形式： y*mx&#

7、160;               （24）式中 y與液相成平衡的氣相中溶質(zhì)物質(zhì)的量的分?jǐn)?shù)；m相平衡常數(shù)，又稱為分配系數(shù)，無因次。式24可由式21兩邊除以系統(tǒng)的總壓P得到，即：                        &#

8、160;         (4) 以X及Y表示平衡關(guān)系在吸收計(jì)算中，為方便起見，常采用物質(zhì)的量之比Y與X分別表示氣、液兩相的組成。物質(zhì)的量之比定義為：X=液相中溶質(zhì)的物質(zhì)的量液相中溶劑的物質(zhì)的量     （26）Y=氣相中溶質(zhì)的物質(zhì)的量氣相中惰性組分物質(zhì)的量   （27）由上式二可得：              

9、60;                             （26a）                    

10、60;                        （27a）當(dāng)溶液很稀時，式24又可近似表示為： Y*mX            （28）式28表明，當(dāng)液相中溶質(zhì)含量足夠低時，平衡關(guān)系在X-Y坐標(biāo)圖中也可近似的表示成一條通過原點(diǎn)的直線，其斜率為m。亨利定律

11、的各種表達(dá)式既可由液相組成計(jì)算平衡的氣相組成，也可反過來根據(jù)氣相組成來計(jì)算平衡的液相組成，因此，前述的亨利定律各種表達(dá)式可分別改寫如下。        x*p/E                  （21a）c*H/p            

12、;       （22a）     x*=y/m                   （23a）      X*=Y/m            

13、60;      （24a）相平衡關(guān)系在吸收操作中的應(yīng)用相平衡關(guān)系在吸收操作中有下面幾項(xiàng)應(yīng)用。1選擇吸收劑和確定適宜的操作條件性能優(yōu)良的吸收劑和適宜的操作條件綜合體現(xiàn)在相平衡常數(shù)m值上。溶劑對溶質(zhì)的溶解度大，加壓和降溫均可使m值降低，有利于吸收操作。2判斷過程進(jìn)行方向根據(jù)氣、液兩相的實(shí)際組成與相應(yīng)條件下平衡組成的比較，可判斷過程進(jìn)行的方向。若氣相的實(shí)際組成Y大于與液相呈平衡關(guān)系的組成Y*（mX），則為吸收過程；反之，若Y*>Y，則為脫吸過程：Y=Y*，系統(tǒng)處于相際平衡狀態(tài)。3計(jì)算過程推動力氣相或液相的實(shí)際組成與相應(yīng)條件下的平衡組成的差值表示傳質(zhì)的推動力。對于吸收過程，傳質(zhì)的推動力為或。4確定過程進(jìn)行的極限平衡狀態(tài)即到過程進(jìn)行的極限。對于逆流操作的吸收塔，無論吸收塔有多高，吸收利用量有多大，吸收尾氣中溶質(zhì)組成Y2的最低極限是與入塔吸收劑組成呈平衡，即mX2；吸收液的最大組成X1不可能高