吸收过程的相平衡关系

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气体在液体中的溶解度

1．相平衡

在一定的温度和压强下，使混合气体与一定量的吸收剂相接触，溶质便向液相转移，直至液相中溶质达到饱和浓度为止，这种状态称为相际动平衡，简称相平衡或平衡。

2．饱和分压

平衡状态下气相中的溶质分压称为平衡分压或饱和分压。

3．饱和浓度（溶解度）

液相中的溶质浓度称为平衡浓度或饱和浓度，也即气体在液体中的溶解度。溶解度表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度，习惯上用单位质量（或体积）的液体中所含溶质的质量来表示。

4．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。由溶解度曲线所显示的共同规律可知：加压和降温可以提高气体的溶解度，对吸收操作有利；反之，升温和减压对脱吸操作有利。

亨利定律

1．亨利定律：描述互成平衡的气、液两相间组成的关系。当总压不高时，在恒定温度下，稀溶液上方的气体溶质平衡分压与其在液相中摩尔分率成正比。

由于组成有多种表示方法，所以亨利定律有多种表达式。

2．亨利定律表达式

(1) 以p及x表示的平衡关系

当液相组成用物质的量的分数（摩尔分数）表示时，则稀溶液上方气体中溶质的分压与其在液相中物质的量的分数（摩尔分数）之间存在如下关系，即：p*＝Ex （2－1）

式中p* —溶质在气相中的平衡分压，kPa；

x —溶质在液相中物质的量分数；

E —亨利系数，单位与压强单位一致。其数值随物系特性及温度而变。

(2) 以p及c表示的平衡关系

若用物质的量浓度c 表示溶质在液相中的组成，则亨利定律可写成如下形

式，即： p*＝H c

（2－2）

式中 c — 单位体积溶液中溶质的物质的量，3

/m kmol ；

H — 溶解度系数，)/(3kPa m kmol ?。 溶解度系数的数值随物系而变，同时也是温度的函数。对一定的溶质和溶剂，H 值随温度升高而减小。易溶气体有很大的H 值，难溶气体的H 值很小。

对于稀溶液，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 — 溶剂的摩尔质量。

(3) 以y 与x 表示平衡关系

若溶质在气相与液相中的组成分别用物质的量的分数y 与x 表示，亨利定律又可写成如下形式： y*＝mx （2－4）

式中 y —与液相成平衡的气相中溶质物质的量的分数；

m —相平衡常数，又称为分配系数，无因次。

式2－4可由式2－1两边除以系统的总压P 得到，即：

x P E P P y ==*

P E

m = (4) 以X 及Y 表示平衡关系

在吸收计算中，为方便起见，常采用物质的量之比Y 与X 分别表示气、液两相的组成。

物质的量之比定义为：

X=液相中溶质的物质的量／液相中溶剂的物质的量＝x x

-1 （2－6）

Y=气相中溶质的物质的量／气相中惰性组分物质的量＝y y

-1 （2－7） 由上式二可得：

)1(X X x += （2－6a ）

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

式2－8表明，当液相中溶质含量足够低时，平衡关系在X-Y 坐标图中也可近似的表示成一条通过原点的直线，其斜率为m 。

亨利定律的各种表达式既可由液相组成计算平衡的气相组成，也可反过来根据气相组成来计算平衡的液相组成，因此，前述的亨利定律各种表达式可分别改写如下。 x*＝p/E （2－1a ）

c*＝H/p （2－2a ）

x*=y/m （2－3a ）

X*=Y/m （2－4a ）

相平衡关系在吸收操作中的应用

相平衡关系在吸收操作中有下面几项应用。

1．选择吸收剂和确定适宜的操作条件

性能优良的吸收剂和适宜的操作条件综合体现在相平衡常数m 值上。溶剂对溶质的溶解度大，加压和降温均可使m 值降低，有利于吸收操作。

2．判断过程进行方向

根据气、液两相的实际组成与相应条件下平衡组成的比较，可判断过程进行的方向。

若气相的实际组成Y 大于与液相呈平衡关系的组成Y*（＝mX ），则为吸收过程；反之，若Y*>Y ，则为脱吸过程：Y=Y*，系统处于相际平衡状态。

3．计算过程推动力

气相或液相的实际组成与相应条件下的平衡组成的差值表示传质的推动力。对于吸收过程，传质的推动力为*Y Y -或X X -*。

4．确定过程进行的极限

平衡状态即到过程进行的极限。对于逆流操作的吸收塔，无论吸收塔有多高，吸收利用量有多大，吸收尾气中溶质组成Y 2的低极限是与入塔吸收剂组成呈平衡，即mX 2；吸收液的大组成X 1不可能高于入塔气相组成Y 1呈平衡的液相组成，即不高于Y 1/m 。总之，相平衡限定了被净化气体离开吸收塔的低组成和吸收液离开塔时的组成。