1、4 2 气液相平衡关系 本节教学要求 1、重点掌握的内容：相平衡的影响因素及相平衡关系在吸收过程中的应用； 2、熟悉的内容：溶解度、平衡状态、平衡分压、亨利定律。 4.2.1 相组成表示方法 1质量分率与摩尔分率 质量分率：质量分率是指在混合物中某组分的质量占混合物总质量的分率。对于混合物中的 A 组分有 mmw AA （ 4-1） 式中 Aw 组分 A 的质量 分率； Am 混合物中组分 A 的质量， kg； m 混合物总质量， kg。 1NBA www （ 4-2） 摩尔分率：摩尔分率是指在混合物中某组分的摩尔数 nA占混合物总摩尔数 n 的分率。对于混合物中的 A 组分有 气相： nny
2、 AA（ 4-3） 液相： nnx AA（ 4-4） 式中 Ay 、 Ax 分别为组分 A 在气相和液相中的摩尔分率； An 液相或气相中组分 A 的摩尔数， n 液相或气相的总摩尔数。 1NBA yyy （ 4-5） 1NBA xxx （ 4-6） 质量分率与摩尔分率的关系为： NNBBAA AAx /Mw/Mw/Mw/MwA （ 4-7） 式中 BA MM、 分别为组分 A、 B 的分子量。 2摩尔比 摩尔比是指混合物中某组分 A 的摩尔数与惰性组分 B（不参加传质 的组分）的摩尔数之比，其定义式为 BAA nnY （ 4-8） BAA nnX （ 4-9） 式中 AY 、 AX 分别为组
3、分 A 在气相和液相中的摩尔比； 摩尔分率与摩尔比的关系为 XXx 1（ 4-10） YYy 1（ 4-11） -xxX 1 （ 4-12） -yyY 1（ 4-13） 【例 5-1】 在一常压、 298K 的吸收塔内，用水吸收混合气中的 SO2。已知混合气体中含SO2 的体积百分比为 20%，其余组分可看作惰性气体，出塔气体中含 SO2 体积百分比为 2%，试分别用摩尔分率、摩尔比和摩尔浓度表示出塔气体中 SO2 的组成。 解： 混合气可视为理想气体，以下标 2 表示出塔气体的状态。 02.02 y 02.002.01 02.01 222 -yyYk P a026.202.03.10122A
4、 pyp 34A2A2A2 k m o l / m100 1 8.82 9 83 1 4.8 0 2 6.2 RTpVnc图 4-2 氨在水中的溶解度 图 4-3 20 下 SO2 在水中的溶解度 4 2 2 气体在液体中的溶解度 1溶解度曲线 平衡状态 ： 在一定压力和温度下，使一定量的吸收剂与混合气体充分接触，气相中的溶质便向液相溶剂中转移，经长期充分接触之后，液相中溶质组分的浓度不再增加，此时，气液两相达到平衡，此状态为 平衡状态 。 饱和浓度 ： 气液平衡时， 溶质在液相中的浓度为 饱和浓度 （ 溶解度 ）。 平衡分压 ： 气液平衡时， 气相中溶质的分压为 平衡分压 。 相平衡关系 ：
5、平衡时溶质组分在气液两相中的浓度关系为相平衡关系。 溶解度曲线 ： 气液相平衡关系用二维坐标绘成的关系曲线称为 溶解度曲线 。 由图 4-2 可见，在一定的温度下， 气相中溶质组成 y 不变，当总压 p 增加时， 在同一溶剂中溶质的 溶解度 x 随之增加，这将有利于吸收，故吸收操作通常在加压条件下进行。 由图 4-3 可知， 当总 p、气相中溶质 y 一定时，吸收温度下降，溶解度大幅度提高，吸收剂常常经冷却后进入吸收塔。 结论： 加压和降温有利于吸收操作过程；而减压和升温则有利于解吸操作过程。 图 4-4 101.3kPa 下 SO2 在水中的溶解度 图 4-5 几种气体在水中的溶解度曲线 易
6、 溶气体 ：溶解度大的气体如 NH3 等称为易溶气体； 难溶气体 ： 溶解度小的气体如 O2、 CO2 溶解度适中的气体： 介乎其间的如 SO2 等气体称为溶解度适中的气体。等气体称为 难溶气体 ； 4.2 3亨利定律 亨利定律的内容 ： 总压不高（譬如不超过 5 105Pa）时，在一定温度下， 稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分率成正比，其比例系数为亨利系数。 亨利定律的 数学表达式 （ 1） Exp （ 4-14） 式中 *p 溶质在气相中的 平衡分压 ， kPa； E 亨利 系数 ， kPa； T， E。 x 溶质在液相中的 摩尔分率 。 亨利定律有不同的表达形式： （
7、 2） Hcp * （ 4-15） 式中 c 溶质在液相中的摩尔浓度， kmol/m3； H 溶解度系数， kmol/（ m3 kPa）； *p 溶质在气相中的 平衡分压 ， kPa。 溶解度系数 H 与亨利系数 E 的关系为： 0HME (4-16) 式中 S 为溶剂的密度， kg/m3。 T， H （ 3） mxy * （ 4-17） 式中 x 液相中溶质的摩尔分率； *y 与液相组成 x 相平衡的气相中溶质的摩尔分率； m 相平衡常数 ，无因次。 相平衡常数 m 与亨利系数 E 的关系为： pEm（ 4-18） 当物系一定时， T或 P，则 m。 （ 4） mXY * （ 4-19） 式
8、中 X 液相中溶质的摩尔比； *Y 与液相组成 X 相平衡的气相中溶质的摩尔比； 【 例 5-2】某系统温度为 10，总压 101.3kPa，试求此条件下在与空气充分接触后的水中，每立方米水溶解了多少克氧气？ 解 ：空气按理想气体 处理，由道尔顿分压定律可知，氧气在气相中的分压为： pyp * =101.3 0.21=21.27kPa 氧气为难溶气体，故氧气在水中的液相组成 x 很低，气液相平衡关系服从亨利定律，由表 5-1 查得 10时，氧气在水中的亨利系数 E 为 3.31 106kPa。 0EMH Hpc 0* EMpc 故 181031.3 27.211 0 0 0 6*c3.57 10-4kmol/m3 m=3.57 10-4 32 1000=11.42g/m3
