空气的气液相平衡

　　（一）空气的组成

　　空气是一种均匀的多组分混合气体，它的主要成分是氧、氮和氩，此外还含有微量的氢及氖、氦、氪、氙等稀有气体。根据地区条件的不同，空气中含有不定量的二氧化碳、水蒸气以及乙炔等碳氢化合物，空气的组成及各成分的沸点示于第8章表8-2中。

　　
　　（二）空气的二元系气液平衡

　　1．气液平衡及氧、氩、氮饱和压力和温度的关系

　　在气液平衡条件下，各相的状态参数保持不变，它们的温度、压力都分别相等，这时的温度称饱和温度，压力称饱和蒸气压力。纯物质在一定的压力下对应着唯一的饱和温度，或在一定的温度下对应有唯一的饱和压力。图9-1示出氧、氩、氮纯物质在气液平衡时，饱和压力与温度之间的关系。

图９－１

　　由图知，氧、氩、氮在同一温度下具有不同的饱和蒸气压力，这是由于它们的分子结构和分子间的引力不同所致。在同一温度下饱和蒸气压的大小，表明了液体气化的难易程度。饱和蒸气压大的物质容易由液体变为蒸气，反之，饱和蒸气压小的物质不易由液体变为蒸气。在相同的温度下，氮的饱和蒸气压高于氧的饱和蒸气压，而在相同的压力下，氮的饱和温度低于氧。氩则介于氧、氮之间。

　　2．氧－氮二元系的气液平衡压力、温度、比焓与成分的关系

　　氧－氮二元系气液平衡关系可用相平衡图表示。相平衡图是按用实验方法求得的温度，压力，比焓及摩尔分数之间的关系绘制。常用的几种平衡图如下：

图9-2

　　(1) 图

　　如图9-2所示，图中的每组曲线是在等压下作出的，纵座标表示温度，横座标表示氧的摩尔系数（x及y），对应于每一个压力都有一组气液相平衡曲线（称鱼形曲线，曲线中的压力数值单位是105Pa）。以任一组曲线为例，上面的一条线称冷凝等压线，它表示在给定的压力下，与液相平衡的气相组成与温度的关系，又称气相线；下面的一条线称沸腾等压线，它表示在给定压力下，与气相平衡的液相组成与温度的关系，又称液相线。在气相线与液相线之间的区域称湿蒸气区。曲线的两端点的纵座标分别表示纯氧和纯氮在该压力下的饱和温度。由T-x-y图我们可看出氧－氮二元溶液有以下特点：（1）气相中氧的摩尔分数为30~40%时，相平衡的气液的摩尔分数差最大，增加或减少气相中的含氧量时，气液摩尔分数差都减小，这表明当气相（或液相）中的含氧（或含氮）量愈少时愈难分离。（2）压力越低，液相线与气相线的间距越大，即气液相间的摩尔分数差越大，这说明在低压下分离空气较在高压下分离容易。（3）气液平衡时，液相中的氧摩尔分数大于气相中的氧摩尔分数，气相中的氮摩尔分数大于液相中的氮摩尔分数。（4）当压力一定时，溶液中低沸点组分的摩尔分数愈大，它的蒸发温度和冷凝温度愈低。

　　表9-5表示氧－氮气液平衡的温度T、压力p和摩尔分数y3、x3的关系。表中为液体中氮的摩尔分数；为气体中氮的摩尔分数；

　　表9-6为氩－氮气液平衡的温度T，压力p和摩尔分数y3、x3的关系。

　　表9-7为氧－氩气液平衡数据，表中为液体中氩的摩尔分数；为气体中氮的摩尔分数；

　　(2) 图

　　图9-3所示为氧－氮二元系在不同压力下的图，它的横座标为溶液中氮的摩尔分数，用x表示，纵座标为与液体相平衡的气相中氮的摩尔分数，用y表示。图中每一条曲线表示图示压力下的关系。在不同的压力下有不同的平衡曲线。由此图可以看出在不同压力下氮的气相及液相中的浓度之间的关系。

　　此图可根据表9-5数据制作。

　　图9-4为氧－氩二元系在p=133.3kPa下的图，可见气液平衡时，差值比氧氮的浓度差值小得多，所以氧氩分离较难。

图９－３，图９－４

　　二元溶液的比焓，前面已有介绍，即气态的比焓不计溶解热、按纯组分的分数加和，但纯组分的比焓与溶液有相同温度和相同压力。液态溶液的比焓，对氧、氮、氩等组分的混合物不计溶解热，所以液态部分的等温线（在图上）也是直线。由于压力对液体的比焓影响小，特别当压力较低时，所以液相区等温线适用各不同压力。

　　（三）空气的三元系气液平衡

　　1. 氧－氩－氮三元系气液平衡图

　　三元系的气液平衡关系，可根据实验数据表示在相平衡图上。相平衡图一般有两种表示方法：三角形摩尔分数和直角座标摩尔分数表示法。在三元系中分别以代表氧、氩、氮气相及液相摩尔分数。

　　图9-5为氧－氩－氮三元系的平衡图，该图是在定压下作出的，纵座标为气相中的氩摩尔分数，横座标为气相中氧摩尔分数，图中有和T的三组等值曲线。在这个图上按已知液相组成可求出与之平衡的气相组成，反之按已知气相组成也可求得液相组成，并能确定平衡温度，由于三角形图使用不方便，不准确，故目前设计中多使用直角座标气液平衡图。

　　图9-5横座标是氧氮气液平衡关系，纵座标是氩氮气液平衡关系，斜边是氩氧平衡关系，压力为p=133.3kPa，按相同方法也可作得其他压力下的三元图。

　　图9-6是氧－氩－氮图在p=133.3kPa压力时，横座标为液体中氧摩尔分数，纵座标为温度，表示三元混合物饱和液体浓度与温度的关系。

图9-5 氧-氩-氮三元系平衡图 p=133.3kPa

图9-5 氧-氩-氮T-x1图 p=133.3kPa

　　直角座标图如图9-6所示。图在左边为带有等氩摩尔分数线的氧的图，右边为带有等氧摩尔分数线的氩的图。通过该图可由已知液相摩尔分数查得平衡气相摩尔分数，或者根据气相摩尔分数查得平衡液相摩尔分数。

　　例如已知气相摩尔分数，，压力为133.3kPa，则在图9-6横座标上找到的读数，由此作垂线与氩的等摩尔分数相交于一点，由此点作水平线，与纵座标交于，即为平衡液相中的氧摩尔分数。同样方法，在右图横座标上找到的读数，由此作垂线，与氧的等摩尔分数线交于一点，由此交点作水平线，与纵座标交于，即为平衡液相中的氩摩尔分数。反之如果已知液相中摩尔分数为，亦可由该平衡图查出与之平衡的气相摩尔分数。

　　三元平衡气液的比焓与二元相似，气体和液体混合物溶解热均忽略不计，液体比焓　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
----- 纯组分液体比焓，与溶液温度相同，；
----- 液体摩尔分数。

　　气体混合物比焓为，
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
----- 与混和气体相同温度、压力的纯组分气体比焓，；
----- 气体摩尔分数。

图９－６

　　例9－1 　p=133.3kPa时，（摩尔分数）三元混合液的饱和温度比焓为多少？
解：根据压力和浓度查图9-6得饱和温度为85K。
　　据表9-8得85K时液体比焓为:
　　氧 ----- 143.1(KJ/kg) 氩 ----- 120.1(KJ/kg) 氮 ----- 105.7(KJ/kg)
　　混合液比焓
　　　　　　　　　　　

　　以上计算忽略溶解热，以及压力对液体比焓的影响。