使用相图绘制蒸气压曲线

对蒸气压曲线使用相图

Karim Mahraz，世伟洛克产品经理，分析仪器

虽然相图主要由化学家在实验室环境中使用，但这些工具对于负责样品分析的机械工程师和工厂经理来说非常有用。在某些分析系统中，液体样品必须先通过汽化转化为气体，然后才能对其进行分析。汽化本质上是温度、压力和流量变量之间的平衡行为——相图的蒸汽压力曲线使工程师能够识别不同材料和化合物的相变。

在您继续阅读时，将应用 20% 己烷/戊烷的假设气体混合物作为完整的相图（见下图）。当样品高于起泡点（蓝线）时，它将完全处于液相中。样品在进入蒸发器时必须保持液态。当样品低于露点（金线）时，它都是蒸汽。样品离开蒸发器时必须全部为蒸气。

在泡点线和露点线之间是“禁区”。该区域代表样品的沸程。在这里，混合物分为两相：部分液体和部分蒸汽。一旦样品落入禁区，它就会被分馏，不再适合分析。汽化的目的是设置温度、流量和压力，使样品立即从禁区的液体侧跳到蒸汽侧。对于纯和接近纯的样品，几乎没有甚至没有沸程或禁区。泡点线和露点线只是彼此重叠或几乎重叠。

无论是通过蒸发还是汽化，纯净和近乎纯净的样品都将转化为具有相同成分的蒸汽。一些工业样品接近这个纯度水平并且相当容易转换。另一方面，一些样品的沸点范围很宽或不能通过区，以至于它们无法成功汽化。此类样品无法从禁区的液体侧跳到蒸汽侧。在这种情况下，不能操纵变量来避免分馏。

在上图中，泡点和露点之间的带足够窄，通过适当的设置，样品可以有效地从禁区的液体侧跳到蒸汽侧。同时，图中的波段足够宽，不能粗心大意。

设置温度、压力和流量

继续使用图中的样品（戊烷中 20% 的己烷），需要巧妙地设置输入以确保成功汽化。一般来说，入口处需要高压和低温。相反，在出口处，高温和低压是必要的。这些参数的高低是有限制的，并不是每个约束都可以控制。

1。确定蒸发器的入口压力

入口压力是固定的，即过程压力——前提是汽化器靠近取样口。在示例图中，该压力为 4 bar。更高的压力更好，因为它允许蒸发器保持更高的温度而不会使进入的液体沸腾。

2。设置入口温度

设置入口温度时，有两个目标。首先，温度必须足够低，当样品进入蒸发器时，它完全是液体。在示例图中，4 bar 时的泡点为 88°C。为了防止分馏，最好选择一个距离 88°C 足够远的整数，以避免出现禁区。一个安全的示例温度可以是 80°C。

第二个目标是保持足够高的温度以促进样品的完全闪蒸——确保只有蒸汽离开蒸发器。汽化样品时，温度会按照能量守恒定律下降。开始时样品温度必须足够高，以便在压降后样品不会落入禁区。在示例图中，压降后的蒸汽温度为 60°C——就在露点线的蒸汽侧。

3。设置出口压力

设置出口压力时，目标是将压力降至露点线以下。在示例图中，出口压力设置为 1.5 bar。如果出口压力再高，样品就不会完全蒸发，而是会分馏。

4。设置流程

流量设置在阀门和转子流量计的下游，而不是汽化器。在采样系统中，需要高蒸汽流量，因为它可以更快地将样品移动到分析仪。然而，高流量可能会带来问题，因为需要更多热量来蒸发样品。换言之，高流量导致汽化时温度的更大下降。在示例图中，紫色线表示温度下降。随着流量的增加，温度急剧下降。

影响温度下降的另一个变量是蒸发器的传热能力。一些蒸发器的构造方式可以更有效地将热量传递给样品。当液体样品转化为蒸气并且温度下降时，它会从周围的不锈钢中吸收热量。关键问题是蒸发器如何有效地替代热量并保持其流向样品。样品吸收的热量越多，其在汽化过程中的温度下降就越少。在某些情况下，蒸发器的外部摸起来很热，但内部的核心却很冷。这是因为汽化的样品吸收了大量的热量，而汽化器无法传递足够的能量来跟上。最好的解决办法是减少流量。

总之，图中可视化的温降是流量和蒸发器传热能力的乘积。使用质量好的蒸发器和低流速，图中的线将变得更加垂直。不幸的是，没有简单的方法来计算相图中温降的精确位置，并且它不能由任何已知的软件程序生成。因此，汽化涉及一些近似值。作为一个经验法则，保持流速尽可能低，不会导致样品到分析仪的传输时间出现不可接受的延迟。最好从低流速开始并通过增加它来进行实验，而不是从最初的较高流速开始。

有关使用相图蒸汽压力曲线的分析仪器和取样系统最佳实践的更多帮助，请联系您当地的世伟洛克销售和服务中心。