相平衡关系在吸收过程中的应用-化工单元过程与操作

( 一) 判别过程的方向

对于一切未达到相际平衡的系统，组分将由一相向另一相传递，其结果是使系统趋于相平衡。所以，传质的方向是使系统向达到平衡的方向变化。一定浓度的混合气体与某种溶液相接触，溶质是由液相向气相转移，还是由气相向液相转移，可以利用相平衡关系作出判断。下面举例说明。

【例3 -1】设在101.3kPa、20℃下，稀氨水的相平衡方程为y* = 0．94x，现将含氨摩尔分数为10%的混合气体与x = 0．05 的氨水接触，试判断传质方向。若以含氨摩尔分数为5%的混合气体与x = 0．10 的氨水接触，传质方向又如何?

解:实际气相摩尔分数y = 0．10 。根据相平衡关系与实际x = 0．05 的溶液成平衡的气相摩尔分数y* = 0．94 ×0．05 = 0．047

由于y ＞y* 故两相接触时将有部分氨自气相转入液相，即发生吸收过程。

同样，此吸收过程也可理解为实际液相摩尔分数x = 0．05 ，与实际气相摩尔分数y = 0．10成平衡的液相摩尔分数＞x 故两相接触时部分氨自气相转入液相。

反之，若以含氨y =0．05 的气相与x =0．10 的氨水接触，则因y ＜y* 或x* ＜x，部分氨将由液相转入气相，即发生解吸。

( 二) 指明过程的极限

将溶质摩尔分数为y1 的混合气体送入某吸收塔的底部，溶剂向塔顶淋入作逆流吸收，如图3 -2 所示。当气、液两相流量和温度、压力一定情况下，设塔高无限( 即接触时间无限长) ，最终完成液中溶质的极限浓度最大值是与气相进口摩尔分数y1 相平衡的液相组成，即:

图3-2　逆流吸收塔

同理，混合气体尾气溶质含量y2 最小值是进塔吸收剂的溶质摩尔分数x2 相平衡的气相组成 ，即y2min = = mx2

由此可见，相平衡关系限制了吸收剂出塔时的溶质最高含量和气体混合物离塔时最低含量。

想一想 若混合气体组成一定，采用逆流吸收，减少吸收剂用量，完成液出塔时吸收质浓度会上升还是下降? 极限值如何计算? 若无限增大吸收剂用量，即使在无限高的塔内，吸收尾气中吸收质浓度会降为零吗? 最低极限值如何计算?(www.xing528.com)

( 三) 计算过程的推动力

相平衡是过程的极限，不平衡的气液两相相互接触就会发生气体的吸收或解吸过程。吸收过程通常以实际浓度与平衡浓度的差值来表示吸收传质推动力的大小。推动力可用气相推动力或液相推动力表示，气相推动力表示为塔内任何一个截面上气相实际浓度y 和与该截面上液相实际浓度x 成平衡的y* 之差，即y - y* ，其中y* = mx;液相推动力即以液相摩尔分数之差x* - x 表示吸收推动力，其中

【例3 -2】在操作条件25℃、101.3kPa 下，用CO2 含量为0.0001( 摩尔分数) 的水溶液与含CO2 10%( 体积分数) 的二氧化碳—空气混合气在一容器充分接触。

(1) 判断CO2 的传质方向，且用气相摩尔分数表示过程的推动力;

(2) 设压力增加到506.5kPa，则CO2 的传质方向又如何? 并用液相分数表示过程的推动力。

解:(1) 查得25℃、101.3kPa 下二氧化碳—水系统的E=166MPa

因y = 0．10y ＜y*

所以CO2 的传质方向是由液相向气相传递，为解吸过程。

解吸过程推动力为: Δy = y* - y = 0．164 -0．10 = 0．064

因x = 1 ×10-4x* ＞x

所以CO2 的传质方向是由气相向液相传递，为吸收过程。