1气液相平衡

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第7章 液体精馏
7.3.2 精馏装置的流程
典型的连续精馏流程如图7-7 所示。 原料液经预热后，送入精馏 塔内。操作时，连续地从再沸器 取出部分液体作为塔底产品（釜 残液），部分液体气化，产生上 升蒸气，依次通过各层塔板。塔 顶蒸气进入冷凝器中被全部冷凝， 并将部分冷凝液借助重力作用 （也可用泵送）送回塔顶作为回 流液体，其余部分经冷却器（图 中末画出）后被送出作为塔顶产 1.精馏塔 2.再沸器 品（馏出液）。
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第7章 液体精馏
图7-11 进料板上的物料衡算和热量衡算
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第7章 液体精馏
将上述关系代入式（7-20a），联解式（7-20）和（7-20a） 可得 L′ − L IV − I F = （7-21） F IV − I L 令
7.2.1双组分溶液的气液相平衡
1．双组分理想溶液的气液相平衡关系 气液相平衡关系，是指溶液与其上方的蒸气达到平衡时， 系统的总压、温度及各组分在气液两相中组成间的关系。 ⑴ 理想溶液及拉乌尔定律 实验表明，理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律。 拉乌尔定律表示：当气液呈平衡时，溶液上方组分的蒸气 分压与溶液中该组分的摩尔分率成正比。 在一定压强下，液体混合物开始沸腾产生第一个气泡的温 度，称为泡点温度（简称泡点）。 严格而言，实际上理想溶液是不存在的，仅对于那些由性 质极相近、分子结构相似的组分所组成的溶液，例如苯-甲苯、 甲醇-乙醇、烃类同系物等可视为理想溶液。
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第7章 液体精馏
⑵ 气液平衡相图 ① t-x-y图 该图表示在一定总压下， 温度与气、液相组成之间的 关系。 在 总 压 为 101.33kPa 下 ， 苯-甲苯混合液的t-x-y图如 图7-1所示。
图7-1 苯-甲苯混合液的t-x-y图

用气液平衡关系分析吸收过程
1、判断过程的方向
例：在101.3kPa，20℃下,稀氨水的气液相平衡关系为 ： ，若含氨0.094摩尔分数的混合气和组成
的氨水接触,确定过程的方向。 解： 用相平衡关系确定与实际气相组成 成平衡的液相组成
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将其与实际组成比较 ： ∴气液相接触时，氨将从气相转入液相，发生吸收过程。 或者利用相平衡关系确定与实际液相组成成平衡的气相组成
塔底 x1增加
组成为：
组成为y1的混合气
增加塔高 增加吸收剂用量
塔顶y2降低
组成为：
极限 极限
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2、计算过程的推动力
当气液相的组成均用摩尔分数表示时，吸收的推动力可表示为：
以气相组成差表示的吸收推动力； 以液相组成差表示的吸收推动力。
3、确定过程的极限
所谓过程的极限是指两相充分接触后，各相组成变化的最大可能性。
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组成为y1的混合气
增加塔高 减少吸收剂用量
将其与实际组成比较： ∴氨从气相转入液相，发生吸收过程。 若含氨0.02摩尔分数的混合气和 x=0.05的氨水，氨由液相转入气相，发生解吸过程。 此外，用气液相平衡曲线图也可判断两相接触时的传质方向 具体方法： 已知相互接触的气液相的 实际组成y和x，在x-y坐标 图中确定状态点，若点在 平衡曲线上方，则发生吸 收过程；若点在平衡曲线 下方，则发生解吸过程。

（b）道尔顿分压定律：
yA
pA P
p
0 A
P
xA
yB
pB P
pB 0 P
xB
溶液沸腾时：P = pA + pB = pA 0 xA + pB0 xB （双组分体系）
对于二组分体系：xA+ xB= 1
xA
P pB0
pA0
pB
0
——泡点方程
•在一定压强下，液体 混合物开始沸腾产生 第一个气泡的温度， 称为泡点温度（简称 泡点）。
拉乌尔定律：当气液呈平衡时，溶液上方组分的蒸 气分压与溶液中该组分的摩尔分数成正比。
(1)用饱和蒸气压和相平衡常数表示气液平衡关系
理想溶液：溶液中不同组分的分子间作用力和相
同分子间作用力完全相等的溶液。
（a）拉乌尔定律：
式中：
pA
p
0 A
x
A
pB pB0 xB
pA，pB —— 溶液上方A、B组分的分压，Pa； pA0 ， pB0 ——溶液温度下纯组分的饱和蒸汽压，Pa； xA ， xB —— 液相中A、B组分的摩尔分数； yA ， yB —— 气相中A、B组分的摩尔分数。
与之相反，硝酸-水溶液为负偏差较大的溶液，在硝酸摩 尔分数为0.383时，两组分的蒸汽压之和最低，T-x(y) 图上对 应出现一最高恒沸点（M点），其沸点为121.9℃。此溶液称 为具有最高恒沸点的溶液。
在恒沸点时气液两相组成相同，用一般的蒸馏方法不能 实现该组成下混合溶液的分离。
A
pA xA
p
o A
x
A
xA
pAo
BpB xBFra bibliotekpBo xB xB
pB o

第二节气液相平衡上节中图8-2(b)所示的湿壁塔吸收是吸收过程最基本的操作方式，它与套管换热器中的传热颇相类似。

若将吸收与传热两个过程作一比较，不难看出其间的异同：传热过程是冷、热两流体间的热量传递，传递的是热量，传递的推动力是两流体间的温度差，过程的极限是温度相等；吸收过程是气液两相间的物质传递，传递的是物质，但传递的推动力不是两相的浓度差，过程的极限也不是两相浓度相等。

这是由于气液之间的相平衡不同于冷热流体之间的热平衡。

8-2-1 平衡溶解度在一定温度下气液两相长期或充分接触后，两相趋于平衡。

此时溶质组分在两相中的浓度服从某种确定的关系，即相平衡关系。

此相平衡关系可以用不同的方式表示。

溶解度曲线气液两相处于平衡状态时，溶质在液相中的浓度称为溶解度，它与温度、溶质在气相中的分压有关。

若在一定温度下，将平衡时溶质在气相中的分压p e与液相中的摩尔分率x相关联，即得溶解度曲线。

图8-3为不同温度下氨在水中的溶解度曲线。

从此图可以看出，温度升高，气体的溶解度降低。

液相中氨的摩尔分率x图8-3 氨在水中的平衡溶解度图8-4 101.3kPa下SO2在水中的溶解度溶解度及溶质在气相中的组成也可用其它单位表示。

例如，气相以摩尔分率y表示，液相用摩尔浓度C表示(其单位为kmol溶质/m3溶液)。

图8-4 为SO2在101.3kPa下的溶解度曲线，图中气、液两相中的溶质浓度分别以y、x(摩尔分率)表示。

在一定温度下，分压是直接决定溶解度的参数。

当总压不太高时(一般约小于0.5MPa，视物系而异)，总压的变化并不改变分压与溶解度之间的对应关系。

但是，当保持气相中溶质的摩尔分率y为定值，总压不同意味着溶质的分压不同。

因此，不同总压下y～x溶解度曲线的位置不同。

以分压表示的溶解度曲线直接反映了相平衡的本质，用以思考和分析问题直截了当；而以摩尔分率x与y表示的相平衡关系，则可方便地与物料衡算等其他关系式一起对整个吸收过程进行数学描述。