什么是汽液相平衡？

汽液相平衡，即汽相與液相間的相平衡。

對(duì)于二元或者多元體系的混合物，在封閉條件下，存在汽-液兩相共存的現(xiàn)象，一定的溫度和壓力下，兩相達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，即該混合物的汽相和液相組成趨于穩(wěn)定，不隨時(shí)間變化，此時(shí)這種動(dòng)態(tài)平衡即為該混合物在該條件下（一定溫度和壓力）的汽液相平衡。

為什么要收集汽液相平衡數(shù)據(jù)？

1. 相平衡在自然界和工業(yè)界都是非常重要的，在石油和化工領(lǐng)域有重要指導(dǎo)意義。

物質(zhì)的相平衡并不是獨(dú)立的，而是與空間、壓力、溫度和組成相關(guān)。相平衡研究從二元體系的汽液相平衡到多元體系的相平衡慢慢發(fā)展。雖然二元或者三元組分的相平衡只是實(shí)際情況的一種簡(jiǎn)化，因?yàn)樵谕ǔＧ闆r下，會(huì)有更多組分是共同存在的。但是，相關(guān)研究表明這些二元或三元組分的相平衡數(shù)據(jù)對(duì)于多元體系的相平衡研究是有代表性和指導(dǎo)意義的。

2. 作為化工熱力學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容之一，測(cè)量、關(guān)聯(lián)和推算不同體系在不同條件下的理化性質(zhì)具有重大意義。

其中，相平衡研究在化工熱力學(xué)研究領(lǐng)域占有重要位置。作為化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的重要組成部分，相平衡數(shù)據(jù)具有重要的理論和實(shí)際價(jià)值。相平衡數(shù)據(jù)不僅對(duì)化工設(shè)備選型有重大意義，而且對(duì)分離單元等操作過(guò)程的設(shè)計(jì)也非常重要，如精餾、萃取和結(jié)晶等過(guò)程。相平衡數(shù)據(jù)對(duì)化工過(guò)程工藝的優(yōu)化，如溫度、壓力等條件的選取也具有指導(dǎo)意義。對(duì)生產(chǎn)裝置的設(shè)計(jì)與評(píng)估、相平衡理論的發(fā)展，這些都需建立在相平衡數(shù)據(jù)的測(cè)定和研究的基礎(chǔ)之上。

3. 二元或多元體系混合物的汽液相平衡是確定理論蒸餾級(jí)數(shù)及其他蒸餾條件的重要基礎(chǔ)。

圖1：相圖與蒸餾理論塔板數(shù)的關(guān)聯(lián)

盡管通過(guò)文獻(xiàn)查詢(xún)、理論計(jì)算能得到大量的汽液相平衡數(shù)據(jù)，但隨著化工生產(chǎn)的不斷發(fā)展，這些數(shù)據(jù)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足需求。許多物系的相平衡數(shù)據(jù)，很難由理論直接計(jì)算得到，須由實(shí)驗(yàn)測(cè)定分析。因此，越來(lái)越多的學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取或驗(yàn)證相平衡數(shù)據(jù)。

鑒于此，相平衡裝置是化工實(shí)驗(yàn)室必備的基礎(chǔ)設(shè)備。

如何測(cè)定汽液相平衡數(shù)據(jù)？

目前最常用測(cè)定汽液相平衡的方法是循環(huán)法——即在常壓或減壓條件下，采用玻璃制作的平衡釜，利用循環(huán)法建立體系相平衡，從而獲得汽液相平衡數(shù)據(jù)。

圖2：羅斯釜（Rose Kettle）

1-釜液 2-加熱絲 3-液相取樣口 4-液相液體 5-汽液提升管 6-汽液分隔器

7-溫度計(jì)套管 8-汽相取樣口 9-汽相冷凝液 10 -球形冷凝管 11-加料口

汽液相平衡時(shí)同時(shí)進(jìn)行汽相和液相雙循環(huán)，從而使汽液兩相的平衡時(shí)間變短，盡可能縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，提高實(shí)驗(yàn)效率。汽液相平衡實(shí)驗(yàn)常用到的玻璃平衡釜主要為羅斯釜(如上圖所示）。

在工作時(shí)，羅斯釜的釜內(nèi)循環(huán)為：                                                               

物料在釜內(nèi)的底部被加熱至沸騰→汽液相混合物通過(guò)汽液分隔器→液體完成回到釜內(nèi)，完成液體循環(huán)→汽相通過(guò)球形冷凝器冷凝回到釜底，完成回流。

由循環(huán)法測(cè)定汽液相平衡數(shù)據(jù)的方法有很多，我們提到的羅斯釜也是基于該原理，基本原理如下圖3所示：由A到B為蒸汽循環(huán)線(xiàn)，B到A為液體循環(huán)流，在到達(dá)平衡時(shí)，A和B容器的組分不隨時(shí)間變化，這時(shí)從中取樣并進(jìn)行GC分析組成，即可以得到一組汽液相平衡數(shù)據(jù)。

圖3：循環(huán)法的工作原理

在進(jìn)行汽液相平衡實(shí)驗(yàn)時(shí)往往遇到以下問(wèn)題：

●   因樣品組成沸點(diǎn)較高，常壓條件已不能滿(mǎn)足使用要求，要求裝置配備真空系統(tǒng)，同時(shí)也要求裝置的密封性和完整性；

●   對(duì)于一些氣體樣品，常溫常壓不能進(jìn)行測(cè)試，要求裝置配備過(guò)壓系統(tǒng)，也要求裝置的密封性和耐壓性；

●   建立相平衡的速度慢，而且沒(méi)有配備雙循環(huán)的冷凝裝置，導(dǎo)致汽相有可能混入小液滴，液相有可能出現(xiàn)返混；

●   需要大量且繁瑣的重復(fù)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，耗時(shí)耗力，要求裝置自動(dòng)化程度高；

●   取樣效率低，而且準(zhǔn)確度和重復(fù)性都不好，特別是真空或者過(guò)壓操作時(shí)。

這些問(wèn)題，Pilodist自動(dòng)汽液相平衡裝置VLE110統(tǒng)統(tǒng)可以解決！

Pilodist 自動(dòng)汽液相平衡裝置VLE110

01 相平衡裝置配備真空操作模塊、過(guò)壓操作模塊以及相平衡釜的伴熱裝置，最 低真空度到1mbar，過(guò)壓操作到3bar（絕壓）。

02 相平衡裝置需為一體化設(shè)計(jì)，集成相平衡釜、混合室、加熱系統(tǒng)、汽液兩相冷卻系統(tǒng)等，其中相平衡釜為雙層夾套設(shè)計(jì)，且外層鍍銀，盡可能維持絕熱操作。

03 儀器特有的設(shè)計(jì)，樣品在進(jìn)入相平衡釜之前，汽液混合物在擴(kuò)展交換區(qū)強(qiáng)烈傳質(zhì)，使得汽液兩相之間能迅速達(dá)到平衡，汽液分離室的設(shè)計(jì)維持液滴不會(huì)進(jìn)入汽相，液相出來(lái)后不會(huì)返混。而且汽液兩相可單獨(dú)取樣，均為液體，方便GC進(jìn)樣分析。

圖4：VLE循環(huán)主體結(jié)構(gòu)圖

儀器能夠迅速的達(dá)到相平衡狀態(tài)：這是由于體系中同時(shí)有汽相和液相兩相在體系內(nèi)循環(huán)，在冷凝后，同時(shí)回到混合倉(cāng)內(nèi)（1.1）中。

在進(jìn)入汽液分離室之前（1），汽液相的混合物會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)加長(zhǎng)的接觸區(qū)域（1.2）以保持汽液間進(jìn)行強(qiáng)烈的傳質(zhì)，該汽液分離室的設(shè)計(jì)可以有效的避免液相被夾帶進(jìn)入汽相。隨后經(jīng)過(guò)各自的冷凝器，汽相和液相又會(huì)回到混合倉(cāng)中。

04 儀器配備相平衡控制系統(tǒng)，基于windows操作系統(tǒng)的相平衡控制軟件，操作簡(jiǎn)便，過(guò)程參數(shù)可追溯，查看過(guò)程壓力穩(wěn)定性；可顯示設(shè)置值和實(shí)際值；控制加熱溫度、真空度、控制電磁閥取樣等。同時(shí)配備工業(yè)觸摸屏，防塵和防水等級(jí)為IP65。

圖5：VLE控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

圖6：IP65工業(yè)觸摸屏

05 三種取樣方式收集汽相、液相樣品，通過(guò)控制電磁閥分別從汽相或液相取樣；也可以使用氣密性的注射器直接從流體循環(huán)回路中抽取汽液兩相樣品；針對(duì)存在混溶間隙的樣品可以通過(guò)取樣針取樣。

●   通過(guò)控制電磁閥，分別從接收器5A汽相取樣，接收器5B液相取樣；

●    通過(guò)氣密性注射器，分別從1.15汽相取樣口取樣，1.16液相取樣口取樣；

●    針對(duì)不互溶體系，可以用取樣針從取樣口1.5汽相取樣，從1.14液相取樣。

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