氣液相平衡，即氣相與液相間的相平衡。對(duì)于二元或多元體系的混合物，在封閉條件下，存在氣-液兩相共存的現(xiàn)象。一定溫度和壓力下，兩相達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，即該混合物的氣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）的氣液相平衡。
圖1：乙醇-水平衡相圖
那么，針對(duì)不同樣品體系的特性，選擇合適的壓力條件進(jìn)行測(cè)定，是準(zhǔn)確獲取氣液相平衡數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。
1
常壓模式
適用于組分沸點(diǎn)適中、熱穩(wěn)定性較好，且在常壓下不易分解或聚合的體系。
典型案例：乙醇-水作為經(jīng)典的二元共沸物系，常在常壓下測(cè)定氣液相平衡數(shù)據(jù)，用于驗(yàn)證熱力學(xué)模型（如NRTL、Wilson）的預(yù)測(cè)能力，指導(dǎo)精餾塔設(shè)計(jì)。
2
減壓模式
適用于組分沸點(diǎn)較高，或在高溫下易發(fā)生熱敏性變化（如分解、聚合、變色）的體系。
典型案例：棕櫚酸甲酯-硬脂酸甲酯二元混合物，沸點(diǎn)超過(guò)300?°C，常壓下難以測(cè)定，采用減壓（5?~?20?kPa）條件下測(cè)定相平衡，為減壓精餾提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。此時(shí)需配備真空系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)裝置的密封性與完整性提出更高要求。
3
加壓模式
適用于常溫下為氣體、或組分沸點(diǎn)低于室溫，以及操作壓力需高于常壓以保持液相存在的體系。
典型案例：如甲烷-乙烷-丙烷三元體系，在0.5?~?5?MPa范圍內(nèi)測(cè)定相平衡，是天然氣處理、液化氣分離的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源。此時(shí)需配備過(guò)壓系統(tǒng)，并確保裝置具備良好的密封性與耐壓性。
Q
分析氣液相平衡數(shù)據(jù)究竟有什么意義？
分析氣液相平衡數(shù)據(jù)具有極其重要的意義，它是化學(xué)工程、熱力學(xué)以及相關(guān)過(guò)程開發(fā)的核心基礎(chǔ)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，沒有準(zhǔn)確的相平衡數(shù)據(jù)，就無(wú)法進(jìn)行科學(xué)有效的分離過(guò)程設(shè)計(jì)和操作優(yōu)化。
01
作為化工熱力學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容之一，在指導(dǎo)精餾塔、吸收塔等分離過(guò)程的設(shè)計(jì)與優(yōu)化中具有重大意義。
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)化工生產(chǎn)裝置的設(shè)計(jì)與評(píng)估有重大意義，而且對(duì)對(duì)化工過(guò)程工藝的優(yōu)化也非常重要。例如化工產(chǎn)品需要依賴氣液相平衡數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算理論塔板數(shù)、確定回流比、選擇操作壓力、估算塔高和塔徑等參數(shù)。同時(shí)也需要相平衡數(shù)據(jù)（如亨利常數(shù)）來(lái)確定吸收劑的用量、所需塔板數(shù)以及最佳的操作溫度和壓力。
02
相平衡在自然界和工業(yè)界也十分重要，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氣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。
03
二元或多元體系混合物的氣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2：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、理論計(jì)算能得到大量的氣液相平衡數(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，必須由實(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)。
那么，在傳統(tǒng)的氣液相平衡實(shí)驗(yàn)時(shí)，往往會(huì)遇到哪些問題？
● 高沸點(diǎn)樣品：樣品組成沸點(diǎn)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(tǒng)，同時(shí)也要求裝置的密封性和完整性；
● 氣體樣品：部分氣體樣品在常溫常壓下難以測(cè)試，需配備過(guò)壓系統(tǒng)，并確保裝置具備良好的密封性與耐壓性。
● 平衡建立緩慢：缺乏雙循環(huán)冷凝裝置，導(dǎo)致氣相可能夾帶小液滴，液相易出現(xiàn)返混，影響平衡效率。
● 實(shí)驗(yàn)繁瑣：大量重復(fù)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)耗時(shí)耗力，大量數(shù)據(jù)無(wú)法直接回歸成熱力學(xué)模型參數(shù)。
● 取樣困難：尤其在真空或過(guò)壓條件下，取樣效率低，準(zhǔn)確度與重復(fù)性難以保障。
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01
從減壓到過(guò)壓，均有解決方案。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)，且最外層鍍銀，盡可能保證絕熱操作。
03
儀器先進(jìn)的設(shè)計(jì)，樣品在進(jìn)入相平衡釜之前，氣液混合物在擴(kuò)展交換區(qū)強(qiáng)烈傳質(zhì)，確保氣液兩相之間能迅速達(dá)到平衡，氣液分離室的設(shè)計(jì)確保液滴不會(huì)進(jìn)入汽相，液相出來(lái)后避免返混。而且氣液兩相可單獨(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
04
儀器能夠快速達(dá)到相平衡狀態(tài)：這是由于體系中同時(shí)有氣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)入氣液分離室之前（1），氣液相的混合物會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)加長(zhǎng)的接觸區(qū)域（1.2）以確保氣液間進(jìn)行強(qiáng)烈的傳質(zhì)，該氣液分離室的設(shè)計(jì)可以有效的避免液相被夾帶進(jìn)入氣相。隨后經(jīng)過(guò)各自的冷凝器，氣相和液相又會(huì)回到混合倉(cāng)中。
05
采用IP65工業(yè)觸控電腦+相平衡控制軟件，操作簡(jiǎn)便，不僅可顯示設(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，還可以查看過(guò)程壓力穩(wěn)定性，整個(gè)過(guò)程參數(shù)可追溯，數(shù)據(jù)穩(wěn)定、結(jié)果可靠。
06
靈活的取樣方式——三種取樣方式收集氣相、液相樣品，通過(guò)控制電磁閥分別從氣相或液相取樣；也可以使用氣密性的注射器直接從流體循環(huán)回路中抽取氣液兩相樣品；針對(duì)存在混溶間隙的樣品可以通過(guò)取樣針取樣。
① 通過(guò)控制電磁閥，分別從接收器5A氣相取樣，接收器5B液相取樣；
② 通過(guò)氣密性注射器，分別從1.15氣相取樣口取樣，1.16液相取樣口取樣；
③ 針對(duì)不互溶體系，可以用取樣針從取樣口1.5氣相取樣，從1.14液相取樣。
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環(huán)己醇 + 環(huán)己基苯二元體系在 (5, 10, 15, 20 和 25) kPa 下的等壓氣液平衡
二甲基琥珀酸酯、二甲基戊二酸酯和二甲基己二酸酯三種二元體系在2、5.2和8.3 kPa下的等壓氣液平衡
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2-甲基吡啶 + 2-乙烯基吡啶在 (1.9、4.0 和 5.3) kPa 下的等壓氣液平衡
常壓蒸餾分離甲基環(huán)戊烷、環(huán)己烷和甲基環(huán)己烷混合物
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