吸收過程的相平衡關系

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氣體在液體中的溶解度

1．相平衡

在一定的溫度和壓強下，使混合氣體與一定量的吸收劑相接觸，溶質便向液相轉移，直至液相中溶質達到飽和濃度為止，這種狀態稱為相際動平衡，簡稱相平衡或平衡。

2．飽和分壓

平衡狀態下氣相中的溶質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到的極限程度，習慣上用單位質量（或體積）的液體中所含溶質的質量來表示。

4．溶解度曲線

氣液相平衡關系用二維坐標繪成的關系曲線稱為溶解度曲線。由溶解度曲線所顯示的共同規律可知：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、液兩相間組成的關系。當總壓不高時，在恒定溫度下，稀溶液上方的氣體溶質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式。

2．亨利定律表達式

(1) 以p及x表示的平衡關系

當液相組成用物質的量的分數（摩爾分數）表示時，則稀溶液上方氣體中溶質的分壓與其在液相中物質的量的分數（摩爾分數）之間存在如下關系，即：p*＝Ex （2－1）

式中p* —溶質在氣相中的平衡分壓，kPa；

x —溶質在液相中物質的量分數；

E —亨利系數，單位與壓強單位一致。其數值隨物系特性及溫度而變。

(2) 以p及c表示的平衡關系

若用物質的量濃度c 表示溶質在液相中的組成，則亨利定律可寫成如下形

式，即： p*＝H c

（2－2）

式中 c — 單位體積溶液中溶質的物質的量，3

/m kmol ；

H — 溶解度系數，)/(3kPa m kmol ?。 溶解度系數的數值隨物系而變，同時也是溫度的函數。對一定的溶質和溶劑，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。

對于稀溶液，H 值可由下式近似估算，即：

H ＝EMs ρ

（2－3）

式中 ρ — 溶液的密度，kg ／m 3；

Ms — 溶劑的摩爾質量。

(3) 以y 與x 表示平衡關系

若溶質在氣相與液相中的組成分別用物質的量的分數y 與x 表示，亨利定律又可寫成如下形式： y*＝mx （2－4）

式中 y —與液相成平衡的氣相中溶質物質的量的分數；

m —相平衡常數，又稱為分配系數，無因次。

式2－4可由式2－1兩邊除以系統的總壓P 得到，即：

x P E P P y ==*

P E

m = (4) 以X 及Y 表示平衡關系

在吸收計算中，為方便起見，常采用物質的量之比Y 與X 分別表示氣、液兩相的組成。

物質的量之比定義為：

X=液相中溶質的物質的量／液相中溶劑的物質的量＝x x

-1 （2－6）

Y=氣相中溶質的物質的量／氣相中惰性組分物質的量＝y y

-1 （2－7） 由上式二可得：

)1(X X x += （2－6a ）

)1Y Y y += （2－7a ）當溶液很稀時，式2－4又可近似表示為： Y*＝mX （2－8）

式2－8表明，當液相中溶質含量足夠低時，平衡關系在X-Y 坐標圖中也可近似的表示成一條通過原點的直線，其斜率為m 。

亨利定律的各種表達式既可由液相組成計算平衡的氣相組成，也可反過來根據氣相組成來計算平衡的液相組成，因此，前述的亨利定律各種表達式可分別改寫如下。 x*＝p/E （2－1a ）

c*＝H/p （2－2a ）

x*=y/m （2－3a ）

X*=Y/m （2－4a ）

相平衡關系在吸收操作中的應用

相平衡關系在吸收操作中有下面幾項應用。

1．選擇吸收劑和確定適宜的操作條件

性能優良的吸收劑和適宜的操作條件綜合體現在相平衡常數m 值上。溶劑對溶質的溶解度大，加壓和降溫均可使m 值降低，有利于吸收操作。

2．判斷過程進行方向

根據氣、液兩相的實際組成與相應條件下平衡組成的比較，可判斷過程進行的方向。

若氣相的實際組成Y 大于與液相呈平衡關系的組成Y*（＝mX ），則為吸收過程；反之，若Y*>Y ，則為脫吸過程：Y=Y*，系統處于相際平衡狀態。

3．計算過程推動力

氣相或液相的實際組成與相應條件下的平衡組成的差值表示傳質的推動力。對于吸收過程，傳質的推動力為*Y Y -或X X -*。

4．確定過程進行的極限

平衡狀態即到過程進行的極限。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，吸收尾氣中溶質組成Y 2的低極限是與入塔吸收劑組成呈平衡，即mX 2；吸收液的大組成X 1不可能高于入塔氣相組成Y 1呈平衡的液相組成，即不高于Y 1/m 。總之，相平衡限定了被凈化氣體離開吸收塔的低組成和吸收液離開塔時的組成。