氣液平衡(vapour-liquid equilibrium)vapour-liquid equilibrium又稱汽液平衡。是由n個(gè)組分的混合物構(gòu)成一個(gè)封閉系統(tǒng),并有氣-液兩相共存,一定的溫度和壓力下,兩相達(dá)到平衡時(shí),各組分在汽液兩相中的化學(xué)位趨于相等?;蜻\(yùn)用逸度更為方便:在混合物中i組分在氣相和液相中的逸度相等,稱氣液平衡。
表示方法
若在某一溫度、某一壓力下氣液兩相達(dá)到平衡,則僅剩下一個(gè)自由度,即,氣相組成或液相組成。氣相組成與液相組成之間必然存在著固定的關(guān)系。即:氣液平衡關(guān)系。平衡溶解度曲線或者數(shù)學(xué)關(guān)系式(亨利定律)便是反映這一氣液平衡關(guān)系的方法。
平衡溶解度曲線:在一定條件下,溶解達(dá)到相平衡時(shí),反映溶質(zhì)組分在氣相中濃度與液相中濃度的關(guān)系曲線。
亨利定律:稀溶液范圍內(nèi),溶解度曲線通常地近似為一直線。亨利定律就是描述溶質(zhì)組分在互呈平衡的氣相、液相中濃度關(guān)系的數(shù)學(xué)關(guān)系式。
在稀溶液中揮發(fā)性溶質(zhì)的實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)表明,只有當(dāng)氣體在液體中的溶解度不很高時(shí)該定律才是正確的,此時(shí)的氣體實(shí)際上是稀溶液中的揮發(fā)性溶質(zhì),氣體壓力則是溶質(zhì)的蒸氣壓。所以亨利定律還可表述為:在一定溫度下,稀薄溶液中溶質(zhì)的蒸氣分壓與溶液濃度成正比。
一般來說,氣體在溶劑中的溶解度很小,所形成的溶液屬于稀溶液范圍。氣體B在溶劑A中溶液的組成無論是由B的摩爾分?jǐn)?shù)xB,質(zhì)量摩爾濃度bB,濃度cB等表示時(shí),均與氣體溶質(zhì)B的壓力近似成正比。用公式表示時(shí)亨利定律可以有多種形式。如:
PB=Kx,B·xB
PB=Kb,B·bB
PB=Kc,B·cB
式中pB是稀薄溶液中溶質(zhì)的蒸氣分壓;xB是溶質(zhì)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù); k為亨利常數(shù),其值與溫度,溶質(zhì)和溶劑的本性有關(guān),亨利系數(shù)基本不受壓力影響。由于亨利定律中溶液組成標(biāo)度的不同,亨利系數(shù)的單位不同,一定溫度下同一溶質(zhì)在同一溶劑中的數(shù)值也不一樣,上式中的xB(溶質(zhì)B的摩爾分?jǐn)?shù))、bB(質(zhì)量摩爾濃度)或cB(物質(zhì)的量濃度)等表示時(shí)k值將隨之變化。Kx,Kb,Kc的單位分別為Pa,Pa·mol^-1·kg,Pa·mo^l-1·dm^3 。
只有溶質(zhì)在氣相中和液相中的分子狀態(tài)相同時(shí),亨利定律才能適用。若溶質(zhì)分子在溶液中有離解、締合等,則上式中的xB(或mB、cB等)應(yīng)是指與氣相中分子狀態(tài)相同的那一部分的含量;在總壓力不大時(shí),若多種氣體同時(shí)溶于同一個(gè)液體中,亨利定律可分別適用于其中的任一種氣體;一般來說,溶液越稀,亨利定律愈準(zhǔn)確,在xB→0時(shí)溶質(zhì)能嚴(yán)格服從定律。 [1]
平衡狀態(tài)
編輯 播報(bào)
在恒定的溫度和壓力下,氣,液兩相發(fā)生接觸后,吸收質(zhì)由氣相向液相轉(zhuǎn)移,隨液體中吸收質(zhì)濃度的逐漸增高,吸收速率逐漸減小,解吸速率逐漸增大。經(jīng)過相當(dāng)長的時(shí)間接觸后,吸收速率與解吸速率相等,即吸收質(zhì)在氣相中的分壓及在液相中的濃度不再發(fā)生變化,此時(shí)氣,液兩相達(dá)到平衡狀態(tài),簡稱相平衡。
條件
1、液相中各組分的蒸汽壓必須等于氣相中同組分的分壓,否則,各組分在單位時(shí)間內(nèi)氣化的分子數(shù)和冷凝的分子數(shù)就相等;
2、液相的溫度必須等于氣相的溫度,否則,兩相間會(huì)發(fā)生熱交換,當(dāng)任一相的溫度升高或降低時(shí),勢必引起各組分量的變化。這就說明在一定溫度下,氣液兩相平衡狀態(tài)時(shí),氣液兩相中的同一組分的摩爾分?jǐn)?shù)比恒定
氣液兩相平衡時(shí),兩相溫度相等,此溫度對氣相來說,代表露點(diǎn)溫度;對液相來說,代表泡點(diǎn)溫度。氣液平衡是兩相傳質(zhì)的極限狀態(tài)。氣液兩相不平衡到平衡的原理,是汽化和冷凝,吸收和解吸過程的基礎(chǔ)。例如,蒸餾的最基本過程,就是氣液兩相充分接觸,通過兩相組分濃度差和溫度差進(jìn)行傳質(zhì)傳熱,使系統(tǒng)趨近于動(dòng)平衡。這樣,經(jīng)過塔板多幾接觸,就能達(dá)到混合物組分的最大限度分離
舉例
例如,苯與甲苯的混合液在25℃與它們的蒸氣的平衡,因兩組分的臨界溫度各為288.9℃和318.8℃,故屬汽液平衡;氮溶于水在25℃下的平衡,因氮的臨界溫度為-147.0℃,故屬氣液平衡。
化工生產(chǎn)中常見的是一個(gè)氣相或汽相與一個(gè)液相之間的平衡,但也會(huì)遇到一個(gè)汽相與兩個(gè)以上液相之間的平衡。例如在分離乙酸乙烯酯、乙酸和水的精餾塔中,由于水與酯形成部分互溶的兩個(gè)液相,在某些塔板上會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)液相與一個(gè)汽相相互接觸的汽液平衡問題。 [2]