气液相平衡在吸收操作中的意义
气液相平衡在吸收操作中的意义
气液相平衡在吸收操作中具有重要意义，主要表现在以下几个方面：
1. 提高传质效率：吸收操作是一种质量传递操作，通过气液相平衡可以提高传质效率。
气体在液体中溶解的速度取决于气体在气液界面的传质速率，而传质速率又受气体和液体间的物理和化学性质影响。
通过控制气液相平衡，可以调整界面上溶解速度的大小，从而提高传质效率。
2. 控制吸收剂的负荷量：吸收操作常常使用吸收剂来吸收特定组分，例如二氧化碳被吸收剂吸收来净化煤矿的风道气。
通过控制气液相平衡，可以调整吸收剂的负荷量，即吸收剂中溶解的目标组分的含量。
可以根据操作要求，选择合适的气液相平衡条件，实现吸收剂的高效利用和目标组分的高效吸收。
3. 实现物质的分离和富集：吸收操作可以用来实现物质的分离和富集。
通过控制气液相平衡，可以调整溶解在液体中的组分的含量，实现将目标组分从气相分离并富集在液相中。
这在液液萃取等分离和富集操作中具有重要意义。
4. 实现反应的转化和控制：吸收操作也可以用来实现反应的转化和控制。
通过控制气液相平衡，可以提高反应物在液相中的浓度，促进反应的进行。
同时，通过调整气液相平衡条件，可以控制反应的速率和选择性，实现对反应过程的控制和优化。
总之，气液相平衡在吸收操作中具有重要意义，可以提高传质
效率，控制吸收剂负荷量，实现物质的分离和富集，以及实现反应的转化和控制。
这些都对吸收操作的效率和产品质量具有重要的影响。
化工原理第九章 吸收
p
* A
cA H
或
cA* HpA
H——溶解度系数 ，单位：kmol/m3·Pa或kmol/m3·atm。
H是温度的函数，H值随温度升高而减小。
易溶气体H值大，难溶气体H值小。
溶解度系数H与亨利系数E间的关系
pA*
cA H
,
pA*
ExA, xA
cA c
E
c H
设溶液的密度为 kg / m3，浓度为 c kmol / m3 ，则
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气相： 液相：
yA
nA n
xA
nA n
yA yB yN 1 xA xB xN 1
质量分数与摩尔分数的关系：
xA
nA n
mw A
/ MA
mw A / M A mw B / MB mw N
/ MN
wA/M A
wA/M A wB/MB wN/M N
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第二节 气液相平衡
一、气体的溶解度 二、亨利定律 三、气液相平衡与吸收过程 的关系
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一、气体的溶解度
1、气体在液体中溶解度的概念
气体在液相中的溶解度 ：气体在液体中的饱和浓度 cA*
表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。
2、溶解度曲线
对于单组分物理吸收，由相律知
f c 2 322 3
2、质量比与摩尔比
质量比：混合物中某组分A的质量与惰性组分B
（不参加传质的组分）的质量之比。 wA mA mB
摩尔比：混合物中某组分的摩尔数与惰性组分摩 尔数之比。
气相：
YA
nA nB
液相： X A
nA nB
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气液相平衡关系
二、气液相平衡关系 平衡状态：在一定压力和温度下，当吸收和解吸速率相等时，气液两相达到平衡。
相平衡关系：吸收过程中气液两相达到平衡时，吸收质在气相和液相中的浓度关系1．气体在液体中的溶解度 （图8-1）平衡时溶质在气相中的分压称为平衡分压，用符号*A p 表示；溶质在液相中的浓度称为平衡溶解度，简称溶解度；它们之间的关系称为相平衡关系。
结论：①在相同的吸收剂、温度和分压下，不同溶质的溶解度不同;②分压一定时，温度越低，则溶解度越大。
较低的温度有利于吸收操作;③温度T 一定时，分压P 越大，溶解度越大。
较高的分压有利于吸收操作;④加压和降温对吸收操作有利。
2．亨利定律（1）亨利定律亨利定律内容：在总压不太高，温度一定的条件下，稀溶液上方溶剂的平衡分压*A p 与溶质在液相中的摩尔分数A x 成正比，比例系数为亨利系数E 。
即： A A Ex p =* 形式一E ——亨利系数， Pa讨论：①E 的来源：实验测得，查手册②E 的影响因素：溶质、溶剂、T 。
物系一定时， ③亨利系数表示气体溶解的难易程度。
E 大的，溶解度小，难溶气体；E 小的，溶解度大，易溶气体。
（2）亨利定律的其它形式① 溶质在液相中的浓度用量浓度A c 表示，气相用分压*A p 表示，则： Hc p A A =* 形式二 ↑↑⇒E TH ——溶解度系数，实验测定。
溶解度↓溶解度系数表示气体溶解的难易程度。
易溶气体，H ↑；难溶气体，H ↓。
溶解度系数H 和亨利系数E 的关系：剂剂EM H ρ=②溶质在气液相中的浓度均用摩尔浓度表示， 则：A A A mx x PE P p y ===** 形式三 m ——相平衡常数。
P E m = 是温度和压强的函数。
讨论：1）P 一定时， 溶解度↓。
升温不利于吸收；2）t 一定时， 溶解度↑。
加压有利于吸收。
③溶质在气液相中的浓度均用比摩尔分数表示时，AA A A X X m Y Y +=+**11 整理得： A A A X m mX Y )1(1-+=* 形式四 比摩尔分数表示的气液相平衡关系。
吸收过程的气液相平衡关系
VB (Y1 Y2 ) N A Za K Y Ym Za VB Y1 Y2 Z K Y a Ym N oG Y1 Y2 Ym
（3）图解积分法
适用范围：普遍适用于各种平衡关系
步骤：
N OG
dY Y2 Y Y *
Y1
i 在X--Y作标系中绘出平衡线,与操作线
Y* X m * 1 Y 1 X
Y*=mX
mX Y 1 (1 m) X
*
亨利定律是稀溶液定律,则x很小,1+（1-m）X=1则
二、相平衡与吸收的关系 1、判断过程进行方向
x=0.05 y=0.1 y*=0.94x y*=0.94×0.05=0.047 > y x*=0.1/0.94=0.106 > x x=0.1 y=0.05 y*=0.1×0.94=0.094 > y x*=0.05/0.94=0.053 < x
ii 选点,列表
iii 作Y—1/（Y-Y*）图 iv 求面积
五、吸收塔计算分析
1、等分子反向扩散
D p A1 p A2 NA RTZ
2、一组分通过另一停滞组分的扩散
DP pA1 pA2 NA RTZPBm
（三）液相中的稳定分子扩散
液相中的扩散速度远远小于气相中的扩散速度， 而且发生等分子反向扩散的机会很少，一组分通过 另一停滞组分的较多见。
' D C ' cA1 cA2 NA zcsm
二、传质机理
（一）分子扩散和菲克定律 分子扩散：在一相内部有浓度差的条件下，由于 分子的无规则热运动而造成的物质传递现象。 菲克定律
J A D AB
dC A dz
《化工原理》第八章 吸收
中一
Y A mX A
（8-11）
第二节 吸收过程的相平衡关系
（3）吸收平衡线 表明吸收过程中气、液相平衡关系 的图线称吸收平衡线。在吸收操作中，通常用图来表示。
图8-2吸收平衡线
第二节 吸收过程的相平衡关系
式（8-10）是用比摩尔分数表示的气液相平衡关系。 它在坐标系中是一条经原点的曲线，称为吸收平衡线，如 图8-2（a）所示；式（8-11）在图坐标系中表示为一条经 原点、斜率为m的直线。如图8-2（b）所示。 （4）相平衡在吸收过程中的应用 ①判断吸收能否进行。由于溶解平衡是吸收进行的极 限，所以，在一定温度下，吸收若能进行，则气相中溶质 的实际组成 Y A 必须大于与液相中溶质含量成平衡时的组 成 Y ，即YA Y 。若出现 YA Y 时，则过程反向进行，为 解吸操作。图8-2中的A点，为操作（实际状态）点，若A Y 点位于平衡线的上方， A Y 为吸收过程；点在平衡线上，
yB 1 yA
（3）比质量分数与比摩尔分数的换算关系
WA mA nAM A M XA A mB nB M B MB
（8-3）
第二节 吸收过程的相平衡关系
M 式中 M 、B 分别为混合物中、组分的千摩尔质量， kg/kmol 。 在计算比质量分数或比摩尔分数的数值时，通常以在 操作中不转移到另一相的组分作为组分。在吸收中，组分 是指吸收剂或惰性气，组分是指吸收质。 2．质量浓度与物质的量浓度 质量浓度是指单位体积混合物内所含物质的质量。对 于组分,有 m V （8-4） 式中 A ——混合物中组分的质量浓度，㎏/m3； V ——混合物的总体积，m3。
二、气液相平衡关系
吸收的相平衡关系，是指气液两相达到平衡时，被吸 收的组分（吸收质）在两相中的浓度关系，即吸收质在吸 收剂中的平衡溶解度。 1．气体在液体中的溶解度 在恒定的压力和温度下，用一定量的溶剂与混合气体 在一密闭容器中相接触，混合气中的溶质便向液相内转移， 而溶于液相内的溶质又会从溶剂中逸出返回气相。随着溶 质在液相中的溶解量增多，溶质返回气相的量也在逐渐增 大，直到吸收速率与解吸速率相等时，溶质在气液两相中 的浓度不再发生变化，此时气液两相达到了动平衡。平衡 p A 表示； 时溶质在气相中的分压称为平衡分压，用符号 溶质在液相中的浓度称为平衡溶解度，简称溶解度；它们 之间的关系称为相平衡关系。
5.2. 气液相平衡关系
图5-6 101.3kPa下SO2在水中的溶解度
由图5-6可知，当总压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5-7 几种气体在水中的溶解度曲线
易溶气体：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。 介乎其间的如SO2等气体称为溶解度适中 的气体。
结论： 降低操作温度，E、m，溶质在液相 中的溶解度增加，有利于吸收；
（y=mx）
压力不太高时，P, E变化忽略不计；但 m↓使溶质在液相中的溶解度增加，有利于吸 收。 （y=mx）
End
EM S
c HpA
c
* A
S pA
EM S
故
1000 21.27 -4 3 c 3.57 10 kmol/m 6 3.3110 18
* A
mA =3.57 10 32 1000=11.42g/m
-4
3
5.2.2. 相平衡关系在吸收过程中的应用
1．判断过程进行的方向与传质推动力：
x——溶质在液相中的摩尔分率。
讨论： T，E。
pA*一定时，E，x↓。
3）亨利定律的其他表达形式： （2） 式中： cA——溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3； H——溶解度系数，kmol/ （m3· kPa）； pA*——溶质在气相中的平衡分压，kPa。
cA p H
* A
（ 5-25）
图5-10 吸收推动力示意图
2．指明过程进行的极限
图5-11
吸收过程的极限
塔无限高、溶剂量很小的情况下：
分离工程习题
分离工程习题 一、填空： 1、分离过程分为（机械分离方法）和（传质分离）两大类。
2、传质分离过程分为（平衡分离过程）和（速率分离过程）两大类。
3、分离剂可以是（能量）和（物质）。
4、机械分离过程是（过滤、离心分离）、旋风分离、静电除尘 5、速率分离过程是超滤、渗析（膜分离、渗透）。
6、平衡分离过程是（吸收、萃取）、精馏、蒸发。
7、气液平相衡常数定义为（气相组成与液相组成的比值）。
8、理想气体的平衡常数与（组成）无关。
9、活度是（修正的）浓度。
10、低压下二元非理想溶液的相对挥发度α12等于（022011p p γγ）。
11、气液两相处于平衡时，（化学位）相等。
12、Lewis 提出了等价于化学位的物理量（逸度）。
13、逸度是（修正的）压力。
14、在多组分精馏中塔顶温度是由（露点方程）方程求定的。
15、露点方程的表达式为（∑=1K /y i i ）16、泡点方程的表达式为（∑=1x K i i ）。
17、泡点温度计算时若1x K i i >∑，温度应调（小）。
18、泡点压力计算时若1x K i i >∑，压力应调（大）。
19、在多组分精馏中塔底温度是由（泡点）方程求定的。
20、绝热闪蒸过程，节流后的温度（降低）。
21、若组成为Z i 的物系，1K /Z 1Z K i i i i >∑>∑且时，其相态为（气液两相）。
22、若组成为Z i 的物系，1Z K i i <∑时，其相态为（过冷液相）。
23、若组成为Z i 的物系，1K /Z i i <∑时，其相态为（过热气相）。
24、绝热闪蒸过程，饱和液相经节流后会有（气相）产生。
25、设计变量与独立变量之间的关系可用下式来表示（Ni ＝Nv －Nc ）。
26、设计变量分为（固定设计变量）与（可调设计变量）。
27、回流比是（可调）（固定、可调）设计变量。
28、关键组分的相挥发度越大，精馏过程所需的最少理论板数（越少）。
化学吸收系统气液平衡数据的测定
实验二化学吸收系统气液平衡数据的测定A 实验目的化学吸收是工业气体净化和回收常用的方法，为了从合成氨原料气、天然气、热电厂尾气、石灰窑尾气等工业气体中脱除CO2 、H2S、SO2等酸性气体，各种催化热钾碱吸收法和有机胺溶液吸收法被广泛采用。
在化学吸收过程的开发中，相平衡数据的测定必不可少，因为它是工艺计算和设备设计的重要基础数据。
由于在这类系统的相平衡中既涉及化学平衡又涉及溶解平衡，其气液平衡数据不能用亨利定律简单描述，也很难用热力学理论准确推测，必须依靠实验。
本实验采用气相内循环动态法测定CO2—乙醇胺（MEA）水溶液系统的气液平衡数据，拟达到如下目的：(1)掌握气相内循环动态法快速测定气液相平衡数据的实验技术。
(2)学会通过相平衡数据的对比，优选吸收能力大，净化度高的化学吸收剂。
(3)加深对化学吸收相平衡理论的理解，学会用实验数据检验理论模型，建立有效的相平衡关联式。
B 实验原理气液相平衡数据的实验测定是化学吸收过程开发中必不可少的一项工作，也是评价和筛选化学吸收剂的重要依据。
气液平衡数据提供了两个重要的信息，一是气体的溶解度，二是气体平衡分压。
从工业应用的角度看，溶解度体现了溶液对气体的吸收能力，吸收能力越大，吸收操作所需的溶液循环量越小，能耗越低。
平衡分压反映了溶液对原料气的净化能力，平衡分压越低，对原料气的极限净化度越高。
因此，从热力学角度看，一个性能优良的吸收剂应具备两个特征，一是对气体的溶解度大，二是气体的平衡分压低。
由热力学理论可知，一个化学吸收过程达到相平衡就意味着系统中的化学反应和物理溶解均达到平衡状态。
若将平衡过程表示为：A（气）‖A（液）+ B（液）= M（液）定义：m 为液相反应物B的初始浓度（mol/l）；为平衡时溶液的饱和度，其定义式为：mB A M 的初始浓度液相反应物组分的浓度形式存在的以反应产物=θa 为平衡时组分A 的物理溶解量。
则平衡时，被吸收组分A 在液相中的总溶解量为物理溶解量a 与化学反应量θm 之和，由化学平衡和溶解平衡的关系联立求解，进而可求得气相平衡分压m p A和与θ*的关系： 在乙醇胺（MEA ）水溶液吸收CO 2系统中，主要存在如下过程：溶解过程： CO 2（g ）= CO 2（l ） （1）反应过程： 5.0<θ时， -++=+R N C O O R N H R N H l CO 222)( （2）5.0>θ时， -+-+=++322222H C O R N H O H CO RNCOO （3）本实验仅讨论5.0<θ时的情况。
填料吸收塔的操作及吸收传质系数的测定解读
实验装置流程示意图
流程简介：
由空气压缩机1提供的空气，经压力定值器2 定值为2×104Pa，并经转子流量计4计量后，进 入内盛丙酮的丙酮汽化器5，产生丙酮和空气的 混合气，混合气从输气管道由塔底进入填料吸收 塔7，在塔内同自塔顶喷下的水逆流接触，被吸 收掉其中大部分丙酮后，从塔顶部气体出口9排 出。由恒压高位槽 13 底部流出的吸收剂（水）， 经转子流量计 15 计量，流经电加热器 16 ，由塔 顶喷入吸收塔，吸收了空气中的丙酮后，由塔底 经液封装置11排入吸收液贮罐。
实验步骤（2）
6、调节空气流量计调节流量为400L/h，液体流 量为3L/h，注意稳定塔内压力，空压机压力及 保持塔底液位高度60％。 7、用气相色谱分析混合气中丙酮的进口浓度。 当平行实验误差小于5%时，即认为实验条件已 基本稳定。 8、在稳定操作条件下测定气体的进口、出口浓 度。并随时记录气体、塔顶和塔底的温度。
式中：G---气相流量（kmol/h）； Y1、Y2---气相进、出塔浓度。
（2）气相平均推动力
可取塔底与塔顶推动力的对数平均值，
即
Y1 Y2 Ym ln(Y1 Y2 )
Y1 Y1 Y1* Y1 mX1
Y2 Y2 Y2* Y2 mX2
（3）气相总体积传质系数
吸收剂进口浓度对吸收的影响
调节吸收剂进口浓度X A,2是控制 和调节吸收效果的又一重要手段。 吸收剂进口浓度X A,2 降低，液相进口 处的推动力增大，全塔平均推动力 也会随之增大，这有利于吸收过程 吸收率的提高。
吸收剂入口温度对吸收的影响
吸收剂入口温度对吸收过程影响 也很大，这也是控制和调节吸收操作 的一个重要因素。降低吸收剂的温度， 使气体的溶解度增大，相平衡常数减 小，平衡线下移，平均推动力增大， 使吸收效果变好。
吸收操作线与相平衡线
吸收操作线与相平衡线
操作线与相平衡线是研究相平衡状况和相变现象的重要工具。
操作线是二元混合物相图中连接各相点的连线，用来表示不同组成下的相平衡状态。
相平衡线是相图中表示相变边界的曲线，表示了在特定温度和压力下，不同相的存在范围。
在研究相平衡时，我们常常需要通过实验或计算来确定操作线和相平衡线。
通过实验，可以通过原位观察或测量等方式来确定混合物的相平衡状态。
而通过计算，则需要借助热力学平衡条件和相图的信息来得出操作线和相平衡线的方程。
操作线的存在表明了混合物中不同组分间存在相平衡，即相互之间存在物质交换。
例如，在气液混合物的相图中，液相与气相通过操作线相连，表示气体的溶解与液体之间的相平衡。
通过操作线的确定，我们可以得知混合物中不同组分的分配行为，进而掌握其物理和化学特性。
操作线的研究对于研究混合物的物理性质、化学反应和分离等过程具有重要意义。
相平衡线则是描述相变行为的重要工具。
相平衡线可以分为临界相平衡线、液相线、气相线等，分别对应不同相变过程的边界。
通过相平衡线的研究，我们可以得知不同压力和温度下不同相的出现概率和存在范围。
相平衡线的研究对于理解相变的机理、优化反应条件和设计化工过程中的操作条件等方面具有重要作用。
总体来说，操作线和相平衡线是研究相平衡状况和相变现象的重要工具。
操作线揭示了混合物的组成对相平衡的影响，而相平衡线表示了不同相变边界的存在范围。
通过研究操作线和相平衡线，我们能够更好地理解混合物的物理和化学性质，也能够优化工艺条件和提高化工过程的效率。
9.2 吸收过程的相平衡关系
第二节 吸收过程的相平衡关系
气、液相浓度(y,x)处于平衡线上(K点)： 液相浓度(y,x)处于平衡线上(K点 (y,x)处于平衡线上(K
y ye y ye=f(x) K
o
xe x
x
结论：若系统气、液相浓度(y,x)处于平衡线上， (y,x)处于平衡线上 结论：若系统气、液相浓度(y,x)处于平衡线上，则体 系从宏观上讲将不会发生相际间的传质， 系从宏观上讲将不会发生相际间的传质 ， 即系统处于平衡 状态。 状态。
Y y= 1+ Y
X x= 1+ X
ye = mx
Ye X =m 1 + Ye 1+ X
第二节 吸收过程的相平衡关系
即 mX Ye = 1 + (1 − m) X
溶质在液相中的摩尔比浓度； X —— 溶质在液相中的摩尔比浓度； Ye —— 与X呈平衡的气相中溶质的摩尔比浓度； 呈平衡的气相中溶质的摩尔比浓度； 当m趋近1或当X很小时 趋近1或当X
Ye = mX
摩尔比浓度表示的 亨利定律
第二节 吸收过程的相平衡关系
例题1 例题 20℃ 1atm下，浓度为0.02（摩尔分数）的稀氨水在20℃时氨 atm下 浓度为0 02（摩尔分数）的稀氨水在20 的平衡分压为1 666kPa，其相平衡关系服从亨利定律， 的平衡分压为1.666kPa，其相平衡关系服从亨利定律，氨水 kPa 密度可近似取1000kg/m 密度可近似取1000kg/m3。求：E、 m 、 H 。 1000
—— 亨利定律
式中： 溶质在气相中的平衡分压，kPa； 式中： pe —— 溶质在气相中的平衡分压，kPa； —— 亨利系数，kPa。 亨利系数，kPa。 —— 溶质在液相中的摩尔分数； 溶质在液相中的摩尔分数；