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1、关于化工原理第五章气液相平衡第1页，讲稿共31张，创作于星期日2022/9/26一、气体在液体中的溶解度一、气体在液体中的溶解度1、有关概念、有关概念（1）相平衡）相平衡 【定义定义】若有两个或两个以上的均相，虽然它们互相紧密接触，但它们各自的性质并不随时间而改变性质并不随时间而改变，此状态称为“相平衡”。【特特点点】从热力学上看，整个物系的自自由由焓焓处处于于最最小小的状态；从动力学来看，相间表观传递速率为零表观传递速率为零。第2页，讲稿共31张，创作于星期日2022/9/26气气液液相相平平衡衡示示意意图图【说说明明】气气液液相相平平衡衡是是一种动态平衡。一种动态平衡。xy第3页，讲稿共3
2、1张，创作于星期日2022/9/26（3）平衡分压）平衡分压 气液平衡时，气相中溶质的分压气相中溶质的分压为平衡分压。（4）相平衡关系）相平衡关系 平衡时溶质组分在气液两相中的浓度关浓度关系系为相平衡关系。（5）溶解度曲线）溶解度曲线 气液相平衡关系用二维坐标绘成的关系二维坐标绘成的关系曲线曲线称为溶解度曲线。（2）饱和浓度）饱和浓度 气液平衡时，溶质在液相中的浓度液相中的浓度为饱和浓度（平衡溶解度平衡溶解度）。第4页，讲稿共31张，创作于星期日2022/9/26对单组分物理吸收单组分物理吸收的物系，根据相律相律：FK23223（K3，溶质A，惰性组分B，溶剂S，2，气、液两相）【结论结论】在
3、温度T、总压P和气、液相组成共4个变量个变量中，有3个自变量（独立变量独立变量），另1个是它们的函数。即：2、相平衡的理论依据、相平衡的理论依据第5页，讲稿共31张，创作于星期日2022/9/26【易溶气体易溶气体】溶解度大的气体如NH3等称为易溶气体；【难溶气体难溶气体】溶解度小的气体如O2、CO2等气体：介乎其间的气体称为溶解度溶解度适中适中的气体（如SO2等）。【结结论论】不不同同气气体体在在同同一一种种吸吸收剂中的溶解度不同。收剂中的溶解度不同。不同气体在同一种吸收剂中的溶解度不同气体在同一种吸收剂中的溶解度温度（温度（T）、压力（）、压力（P）一定）一定pA(yA)xA 图图第6页，
4、讲稿共31张，创作于星期日2022/9/26平衡分压与溶解度的关系（平衡分压与溶解度的关系（P、T一定）一定）【结结论论】溶质（氨）在水中的溶溶解解度度随其在气相中的分分压增大而增大压增大而增大。氨在水中的溶解度氨在水中的溶解度第7页，讲稿共31张，创作于星期日2022/9/26【规律规律】当总压P、气相中溶质y一定时，吸收温度下降，溶温度下降，溶解度大幅度提高解度大幅度提高。【启示启示】吸收剂常常经冷却后进入吸收塔（在低温下吸收在低温下吸收）。温度对溶解度的影响（温度对溶解度的影响（P、y一定）一定）第8页，讲稿共31张，创作于星期日2022/9/26总压对溶解度的影响（总压对溶解度的影响（
5、T、y一定）一定）【规律规律】在一定的温度下，气相中溶质组成y不变，当总总压压P增加增加时，在同一溶剂中溶质的溶溶解度解度x随之增加随之增加。【启示启示】吸收操作通常在加压条件下加压条件下进行。20下下SO2在水中的溶解度在水中的溶解度第9页，讲稿共31张，创作于星期日2022/9/26二、亨利定律二、亨利定律【亨利定律亨利定律】1803年英国化学家威廉.亨利研究气体在液体中的溶解度时，总结出一条经验规律：“在一定的温在一定的温度和压强下，一种气体在液体里的溶解度与该气体的平衡度和压强下，一种气体在液体里的溶解度与该气体的平衡分压成正比分压成正比”。【亨利定律的应用条件亨利定律的应用条件】（1
6、）总压不高）总压不高（不超过5105Pa，5atm）；（2）温度一定）温度一定；（3）稀溶液。）稀溶液。第10页，讲稿共31张，创作于星期日2022/9/26亨利简介亨利简介威廉亨利于1774年12月12日出生在英国的曼彻斯特市。他们祖孙三代祖孙三代都是医师兼有名的化学家。发明亨利定律的亨利的名字是威廉亨利（WilliamHenry），他的父亲名托马斯亨利(ThomasHenry），他的儿子名威廉查尔斯亨利（WilliamCharlesHenry）。他们三代是十八世纪到十九世纪的著名学者。威廉亨利在1795年进爱丁堡大学，一年之后。因为他父亲医务工作上需要助手，他离开了大学，在家里做实医师。到
7、1805年他又回到爱丁堡大学，继续学业。1807年化完成了医学博士学位。亨利定律是在1803年由威廉亨利在英国皇家学会上宣读的一篇论文里，加以详细说明的。从此以后，这个定律就被命名为亨利定律了。1888年年，在亨利发表他的定律八十多年后，法国化学家拉乌尔法国化学家拉乌尔（FrancoisMarieRaoult，18301901）发表了他在溶液蒸气压方面的发现，这就是我们现在所称的拉乌尔定律。亨利晚年因为严重的头痛和失眠，几乎无法工作，于1836年9月2日离开人世，终年62岁。第11页，讲稿共31张，创作于星期日2022/9/261、亨利定律的数学表达式、亨利定律的数学表达式式中：pA*溶质在气
8、相中的平衡分压，kPa；E亨利系数，kPa；xA溶质在液相中的摩尔分率。第12页，讲稿共31张，创作于星期日2022/9/26（1）对于理想溶液理想溶液，在压力不高及温度恒定的条件下，PA*x关系在整个组成范围内都符合亨利定律整个组成范围内都符合亨利定律，而亨利系数即为该温度下纯溶质的饱和蒸汽压纯溶质的饱和蒸汽压，此时亨利定律与亨利定律与拉乌尔定律是一致拉乌尔定律是一致的。（2）实际的吸收操作所涉及的系统多为非理想溶液非理想溶液，此时亨利系数不等于纯溶质的饱和蒸汽压，且只在液相溶质组成很低时（稀溶液稀溶液）才是常数。【两点讨论两点讨论】第13页，讲稿共31张，创作于星期日2022/9/262、
9、亨利系数、亨利系数E【作作用用】亨利系数是物物性性常常数数，表明一种组分溶溶解解的的难难易易程程度度。在同一溶剂中，难难溶溶气气体体的的E值值很很大大，而而易易溶溶气气体的体的E值则很小值则很小。【影影响响因因素素】对于一定的气体溶质和溶剂，亨亨利利系系数数随随温度而变化温度而变化。【变变化化规规律律】温温度度升升高高则则E增增大大（溶解度随温度升高而减小）。【获获取取方方法法】亨利系数可由实实验验测测定定，亦可从有关手手册册中中查得查得。第14页，讲稿共31张，创作于星期日2022/9/26气气体体温度温度/()种种类类0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 60 70
10、 80 90 100(E106)/(kPa)H25.87 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 空空气气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 CO3.57 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 O22.58 2.95 3.31 3.69 4.06 4.4
11、4 4.81 5.14 5.42 5.70 5.96 6.37 6.72 6.96 7.08 7.10 CH42.27 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页，讲稿共31张，创作于星期日2022/9/263、亨利定律的其他表达形式、亨利定律的其他表达形式若气相组成用分压表示、液相组成用摩尔浓度气相组成用分压表示、液相组成用摩尔浓度表示，则：式中 cA溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3；H溶解度系数溶解度系数，kmol/（m3kPa）；PA*溶质在气相中的平衡分压，kPa。
12、第16页，讲稿共31张，创作于星期日2022/9/26【溶解度系数溶解度系数 H 与亨利系数与亨利系数 E 的关系的关系】式中cA液相中A组分的摩尔浓度，kmol/m3；s溶剂的密度，kg/m3；Ms溶剂的摩尔质量，kg/kmol。近似式：第17页，讲稿共31张，创作于星期日2022/9/26若气、液相组成均用摩尔分率表示气、液相组成均用摩尔分率表示，则：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相平衡常数相平衡常数，无因次。第18页，讲稿共31张，创作于星期日2022/9/26【相平衡常数相平衡常数 m 与亨利系数与亨利系数 E 的关系的关系】P气相中的总压
13、总压，kPa。第19页，讲稿共31张，创作于星期日2022/9/26若气、液相组成均用气、液相组成均用摩尔比摩尔比表示表示，可推得：当液相组成X 很小时很小时，则：式中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。第20页，讲稿共31张，创作于星期日2022/9/26三、相平衡关系在吸收过程中的应用三、相平衡关系在吸收过程中的应用1、判断过程进行的方向、判断过程进行的方向发生吸收过程的充分必要条件吸收过程的充分必要条件是：反之，溶质自液相转移至气相，即发生解吸过程解吸过程。y y*x x*或：第21页，讲稿共31张，创作于星期日2022/9/26平衡关系：y*x吸收吸收解吸
14、解吸判断过程进行的方向判断过程进行的方向第22页，讲稿共31张，创作于星期日2022/9/262、指明过程进行的极限、指明过程进行的极限如塔无限高（塔无限高（气液两相接触时间气液两相接触时间相当长相当长）的情况下，塔底液相的最液相的最大出口浓度大出口浓度：【定定义义】当气液两相接触的时间相当长时，两相将达到平平衡衡状态状态，此时即为过程的极限过程的极限。第23页，讲稿共31张，创作于星期日2022/9/26又如无限高的塔内，大量的吸收剂和较小气体流量无限高的塔内，大量的吸收剂和较小气体流量，塔顶气相的出口组成气相的出口组成为：【结论结论】当x20（纯吸收剂）时，y2,min0，理理论论上上实现
15、气相溶质的全部吸收。第24页，讲稿共31张，创作于星期日2022/9/263、确定过程的推动力、确定过程的推动力过程的推动力过程的推动力实际状态实际状态与平衡状态平衡状态的差距。【yy*】以气气相相中中溶溶质质摩摩尔尔分分率率差差表示吸收过程的推动力；【x*x】以液液相相中中溶溶质质的的摩摩尔尔分分率率差差表示吸收过程的推动力；【pAp*A】以气相分压差气相分压差表示的吸收过程推动力；【c*AcA】以液相摩尔浓度差液相摩尔浓度差表示的吸收过程推动力。第25页，讲稿共31张，创作于星期日2022/9/26气相推动力气相推动力液相推动力液相推动力吸收推动力示意图吸收推动力示意图yx第26页，讲稿共
16、31张，创作于星期日2022/9/26【例例】在总压总压101.3kPa，温度，温度30的条件下,SO2摩尔分率为0.3的混合气体与SO2摩尔分率为0.01的水溶液相接触，试问：（1）从液相分析液相分析SO2的传质传质方向方向；（2）从气相分析气相分析，其它条件不变，温度降到0时SO2的传质传质方向方向；（3）其它条件不变，从气相分析，总压提高到202.6kPa时SO2的传质传质方向方向，并计算以液相摩尔分率差及气相摩尔以液相摩尔分率差及气相摩尔率差率差表示的传质推动力。第27页，讲稿共31张，创作于星期日2022/9/26【解解】（1）查得在总压101.3kPa，温度30条件下SO2在水中的
17、亨利系数E=4850kPa所以从液相分析故SO2必然从液相转移到气相，进行解吸过程解吸过程。第28页，讲稿共31张，创作于星期日2022/9/26（2）查得在总压101.3kPa，温度0的条件下，SO2在水中的亨利系数E1670kPa从气相分析y*mx16.490.010.16y0.3故SO2必然从气相转移到液相，进行吸收过程吸收过程。【结论结论】降低温度（101.3kPa，300）有利于吸收。第29页，讲稿共31张，创作于星期日2022/9/26（3）在总压202.6kPa，温度30条件下，SO2在水中的亨利系数E=4850kPa从气相分析y*mx23.940.010.24y0.3故SO2必然从气相转移到液相，进行吸收过程吸收过程。【结论结论】增大压力（30，101.3kPa202.6kPa）有利于吸收。第30页，讲稿共31张，创作于星期日2022/9/26感感谢谢大大家家观观看看2022/9/26第31页，讲稿共31张，创作于星期日