精餾干貨第二期：汽液相平衡

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-液兩相共存的現象，一定的溫度和壓力下，兩相達到一種動態平衡時，即該混合物的汽相和液相組成趨于穩定，不隨時間變化，此時這種動態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據？

1. 相平衡在自然界和工業界都是非常重要的，在石油和化工領域有重要指導意義。

物質的相平衡并不是獨立的，而是與空間、壓力、溫度和組成相關。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展。雖然二元或者三元組分的相平衡只是實際情況的一種簡化，因為在通常情況下，會有更多組分是共同存在的。但是，相關研究表明這些二元或三元組分的相平衡數據對于多元體系的相平衡研究是有代表性和指導意義的。

2. 作為化工熱力學的主要研究內容之一，測量、關聯和推算不同體系在不同條件下的理化性質具有重大意義。

其中，相平衡研究在化工熱力學研究領域占有重要位置。作為化工基礎數據的重要組成部分，相平衡數據具有重要的理論和實際價值。相平衡數據不僅對化工設備選型有重大意義，而且對分離單元等操作過程的設計也非常重要，如精餾、萃取和結晶等過程。相平衡數據對化工過程工藝的優化，如溫度、壓力等條件的選取也具有指導意義。對生產裝置的設計與評估、相平衡理論的發展，這些都需建立在相平衡數據的測定和研究的基礎之上。

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數及其他蒸餾條件的重要基礎。

圖1：相圖與蒸餾理論塔板數的關聯

盡管通過文獻查詢、理論計算能得到大量的汽液相平衡數據，但隨著化工生產的不斷發展，這些數據遠不能滿足需求。許多物系的相平衡數據，很難由理論直接計算得到，須由實驗測定分析。因此，越來越多的學者通過實驗獲取或驗證相平衡數據。

鑒于此，相平衡裝置是化工實驗室的基礎設備之一。

如何測定汽液相平衡數據？

目前很常用測定汽液相平衡的方法是循環法——即在常壓或減壓條件下，采用玻璃制作的平衡釜，利用循環法建立體系相平衡，從而獲得汽液相平衡數據。

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

汽液相平衡時同時進行汽相和液相雙循環，從而使汽液兩相的平衡時間變短，盡可能縮短實驗時長，提高實驗效率。汽液相平衡實驗常用到的玻璃平衡釜主要為羅斯釜(如上圖所示）。

在工作時，羅斯釜的釜內循環為：                                                               

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

由循環法測定汽液相平衡數據的方法有很多，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為蒸汽循環線，B到A為液體循環流，在到達平衡時，A和B容器的組分不隨時間變化，這時從中取樣并進行GC分析組成，即可以得到一組汽液相平衡數據。

圖3：循環法的工作原理

在進行汽液相平衡實驗時往往遇到以下問題：

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

●   對于一些氣體樣品，常溫常壓不能進行測試，要求裝置配備過壓系統，也要求裝置的密封性和耐壓性；

●   建立相平衡的速度慢，而且沒有配備雙循環的冷凝裝置，導致汽相有可能混入小液滴，液相有可能出現返混；

●   需要大量且繁瑣的重復性驗證實驗，耗時耗力，要求裝置自動化程度高；

●   取樣效率低，而且準確度和重復性都不好，特別是真空或者過壓操作時。

這些問題，Pilodist自動汽液相平衡裝置VLE110統統可以解決！

Pilodist 自動汽液相平衡裝置VLE110

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

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

03 儀器特別的設計，樣品在進入相平衡釜之前，汽液混合物在擴展交換區強烈傳質，使得汽液兩相之間能迅速達到平衡，汽液分離室的設計維持液滴不會進入汽相，液相出來后不會返混。而且汽液兩相可單獨取樣，均為液體，方便GC進樣分析。

圖4：VLE循環主體結構圖

儀器能夠迅速的達到相平衡狀態：這是由于體系中同時有汽相和液相兩相在體系內循環，在冷凝后，同時回到混合倉內（1.1）中。

在進入汽液分離室之前（1），汽液相的混合物會經過一個加長的接觸區域（1.2）以保持汽液間進行強烈的傳質，該汽液分離室的設計可以有效的避免液相被夾帶進入汽相。隨后經過各自的冷凝器，汽相和液相又會回到混合倉中。

04 儀器配備相平衡控制系統，基于windows操作系統的相平衡控制軟件，操作簡便，過程參數可追溯，查看過程壓力穩定性；可顯示設置值和實際值；控制加熱溫度、真空度、控制電磁閥取樣等。同時配備工業觸摸屏，防塵和防水等級為IP65。

圖5：VLE控制系統參數設置

圖6：IP65工業觸摸屏

05 三種取樣方式收集汽相、液相樣品，通過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回路中抽取汽液兩相樣品；針對存在混溶間隙的樣品可以通過取樣針取樣。

●   通過控制電磁閥，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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