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DYH401 特殊精餾實(shí)驗(yàn)裝置

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(dòng)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。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(duì)吸收操作有利；反之，升溫和減壓對(duì)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(shí)，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(shí)，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)）之間存在如下關(guān)系，即：p*＝Ex （2－1）

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*＝H c

（2－2）

式中 c — 單位體積溶液中溶質(zhì)的物質(zhì)的量，3

/m kmol ；

H — 溶解度系數(shù)，)/(3kPa m kmol ?。 溶解度系數(shù)的數(shù)值隨物系而變，同時(shí)也是溫度的函數(shù)。對(duì)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(duì)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(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)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(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2－4可由式2－1兩邊除以系統(tǒng)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(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＝x x

-1 （2－6）

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＝y(tǒng) y

-1 （2－7） 由上式二可得：

)1(X X x += （2－6a ）

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

式2－8表明，當(dāng)液相中溶質(zhì)含量足夠低時(shí)，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 （2－1a ）

c*＝H/p （2－2a ）

x*=y/m （2－3a ）

X*=Y/m （2－4a ）

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(duì)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(dòng)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(dòng)力。對(duì)于吸收過程，傳質(zhì)的推動(dòng)力為*Y Y -或X X -*。

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(duì)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 ?？傊?，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(shí)的組成。