更新时间:2022-08-25 18:37
汽液平衡,汽相与液相间的相平衡。它与气液平衡有一些共同的规律,所以有时把它与气液平衡合在一起进行研究。为简便起见,常把汽相或气相与液相之间的平衡合写成汽(气)液平衡。习惯上把低于临界温度的气体称为蒸气,简称汽,它可以加压液化;高于临界温度的气相,不能加压液化,称为气体。
气液平衡(vapour-liquid equilibrium)vapour-liquid equilibrium又称汽液平衡。是由n个组分的混合物构成一个封闭系统,并有气-液两相共存,一定的温度和压力下,两相达到平衡时,各组分在汽液两相中的化学位趋于相等。或运用逸度更为方便:在混合物中i组分在气相和液相中的逸度相等,称气液平衡。
若在某一温度、某一压力下气液两相达到平衡,则仅剩下一个自由度,即,气相组成或液相组成。气相组成与液相组成之间必然存在着固定的关系。即:气液平衡关系。平衡溶解度曲线或者数学关系式(亨利定律)便是反映这一气液平衡关系的方法。
平衡溶解度曲线:在一定条件下,溶解达到相平衡时,反映溶质组分在气相中浓度与液相中浓度的关系曲线。
亨利定律:稀溶液范围内,溶解度曲线通常地近似为一直线。亨利定律就是描述溶质组分在互呈平衡的气相、液相中浓度关系的数学关系式。
在稀溶液中挥发性溶质的实验中,实验表明,只有当气体在液体中的溶解度不很高时该定律才是正确的,此时的气体实际上是稀溶液中的挥发性溶质,气体压力则是溶质的蒸气压。所以亨利定律还可表述为:在一定温度下,稀薄溶液中溶质的蒸气分压与溶液浓度成正比。
一般来说,气体在溶剂中的溶解度很小,所形成的溶液属于稀溶液范围。气体B在溶剂A中溶液的组成无论是由B的摩尔分数xB,质量摩尔浓度bB,浓度cB等表示时,均与气体溶质B的压力近似成正比。用公式表示时亨利定律可以有多种形式。如:
PB=Kx,B·xB
PB=Kb,B·bB
PB=Kc,B·cB
式中pB是稀薄溶液中溶质的蒸气分压;xB是溶质的物质的量分数; k为亨利常数,其值与温度,溶质和溶剂的本性有关,亨利系数基本不受压力影响。由于亨利定律中溶液组成标度的不同,亨利系数的单位不同,一定温度下同一溶质在同一溶剂中的数值也不一样,上式中的xB(溶质B的摩尔分数)、bB(质量摩尔浓度)或cB(物质的量浓度)等表示时k值将随之变化。Kx,Kb,Kc的单位分别为Pa,Pa·mol^-1·kg,Pa·mo^l-1·dm^3 。
只有溶质在气相中和液相中的分子状态相同时,亨利定律才能适用。若溶质分子在溶液中有离解、缔合等,则上式中的xB(或mB、cB等)应是指与气相中分子状态相同的那一部分的含量;在总压力不大时,若多种气体同时溶于同一个液体中,亨利定律可分别适用于其中的任一种气体;一般来说,溶液越稀,亨利定律愈准确,在xB→0时溶质能严格服从定律。
在恒定的温度和压力下,气,液两相发生接触后,吸收质由气相向液相转移,随液体中吸收质浓度的逐渐增高,吸收速率逐渐减小,解吸速率逐渐增大。经过相当长的时间接触后,吸收速率与解吸速率相等,即吸收质在气相中的分压及在液相中的浓度不再发生变化,此时气,液两相达到平衡状态,简称相平衡。
1、液相中各组分的蒸汽压必须等于气相中同组分的分压,否则,各组分在单位时间内气化的分子数和冷凝的分子数就相等;
2、液相的温度必须等于气相的温度,否则,两相间会发生热交换,当任一相的温度升高或降低时,势必引起各组分量的变化。这就说明在一定温度下,气液两相平衡状态时,气液两相中的同一组分的摩尔分数比恒定
气液两相平衡时,两相温度相等,此温度对气相来说,代表露点温度;对液相来说,代表泡点温度。气液平衡是两相传质的极限状态。气液两相不平衡到平衡的原理,是汽化和冷凝,吸收和解吸过程的基础。例如,蒸馏的最基本过程,就是气液两相充分接触,通过两相组分浓度差和温度差进行传质传热,使系统趋近于动平衡。这样,经过塔板多几接触,就能达到混合物组分的最大限度分离
例如,苯与甲苯的混合液在25℃与它们的蒸气的平衡,因两组分的临界温度各为288.9℃和318.8℃,故属汽液平衡;氮溶于水在25℃下的平衡,因氮的临界温度为-147.0℃,故属气液平衡。
化工生产中常见的是一个气相或汽相与一个液相之间的平衡,但也会遇到一个汽相与两个以上液相之间的平衡。例如在分离乙酸乙烯酯、乙酸和水的精馏塔中,由于水与酯形成部分互溶的两个液相,在某些塔板上会出现两个液相与一个汽相相互接触的汽液平衡问题。