【文末干货分享】不同体系的混合物，应如何正确建立气液相平衡？

2026-04-09 11:31:37, Pilodist 德祥科技有限公司

气液相平衡，即气相与液相间的相平衡。对于二元或多元体系的混合物，在封闭条件下，存在气-液两相共存的现象。一定温度和压力下，两相达到一种动态平衡时，即该混合物的气相和液相组成趋于稳定，不随时间变化，此时这种动态平衡即为该混合物在该条件下（一定温度和压力）的气液相平衡。

图1：乙醇-水平衡相图

那么，针对不同样品体系的特性，选择合适的压力条件进行测定，是准确获取气液相平衡数据的关键。

常压模式

适用于组分沸点适中、热稳定性较好，且在常压下不易分解或聚合的体系。

典型案例：乙醇-水作为经典的二元共沸物系，常在常压下测定气液相平衡数据，用于验证热力学模型（如NRTL、Wilson）的预测能力，指导精馏塔设计。

减压模式

适用于组分沸点较高，或在高温下易发生热敏性变化（如分解、聚合、变色）的体系。

典型案例：棕榈酸甲酯-硬脂酸甲酯二元混合物，沸点超过300 °C，常压下难以测定，采用减压（5 ~ 20 kPa）条件下测定相平衡，为减压精馏提供基础数据。此时需配备真空系统，同时对装置的密封性与完整性提出更高要求。

加压模式

适用于常温下为气体、或组分沸点低于室温，以及操作压力需高于常压以保持液相存在的体系。

典型案例：如甲烷-乙烷-丙烷三元体系，在0.5 ~ 5 MPa范围内测定相平衡，是天然气处理、液化气分离的基础数据来源。此时需配备过压系统，并确保装置具备良好的密封性与耐压性。

分析气液相平衡数据究竟有什么意义？

分析气液相平衡数据具有极其重要的意义，它是化学工程、热力学以及相关过程开发的核心基础。简单来说，没有准确的相平衡数据，就无法进行科学有效的分离过程设计和操作优化。

作为化工热力学的主要研究内容之一，在指导精馏塔、吸收塔等分离过程的设计与优化中具有重大意义。

作为化工基础数据的重要组成部分，相平衡数据具有重要的理论和实际价值。相平衡数据不仅对化工生产装置的设计与评估有重大意义，而且对对化工过程工艺的优化也非常重要。例如化工产品需要依赖气液相平衡数据来计算理论塔板数、确定回流比、选择操作压力、估算塔高和塔径等参数。同时也需要相平衡数据（如亨利常数）来确定吸收剂的用量、所需塔板数以及最佳的操作温度和压力。

相平衡在自然界和工业界也十分重要，在石油和化工领域有重要指导意义。

物质的相平衡并不是独立的，而是与空间、压力、温度和组成相关。相平衡研究从二元体系的气液相平衡到多元体系的相平衡慢慢发展。虽然二元或者三元组分的相平衡只是实际情况的一种简化，因为在通常情况下，会有更多组分是共同存在的，但是，相关研究表明这些二元或三元组分的相平衡数据对于多元体系的相平衡研究是有代表性和指导意义的。

二元或多元体系混合物的气液相平衡是确定理论蒸馏级数及其他蒸馏条件的重要基础。

图2：相图与蒸馏理论塔板数的关联

尽管通过文献查询、理论计算能得到大量的气液相平衡数据，但随着化工生产的不断发展，这些数据远不能满足需求。许多物系的相平衡数据，很难由理论直接计算得到，必须由实验测定分析。因此，越来越多的学者通过实验获取或验证相平衡数据。

那么，在传统的气液相平衡实验时，往往会遇到哪些问题？

● 高沸点样品：样品组成沸点较高，常压条件已不能满足使用要求，要求装置配备真空系统，同时也要求装置的密封性和完整性；

● 气体样品：部分气体样品在常温常压下难以测试，需配备过压系统，并确保装置具备良好的密封性与耐压性。

● 平衡建立缓慢：缺乏双循环冷凝装置，导致气相可能夹带小液滴，液相易出现返混，影响平衡效率。

● 实验繁琐：大量重复性验证实验耗时耗力，大量数据无法直接回归成热力学模型参数。

● 取样困难：尤其在真空或过压条件下，取样效率低，准确度与重复性难以保障。

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Pilodist自动气液相平衡装置VLE110A可以帮助您解决上述问题！

从减压到过压，均有解决方案。相平衡装置配备真空操作模块、过压操作模块以及相平衡釜的伴热装置，最低真空度到1mbar，过压操作到3bar（绝压）。

相平衡装置需为一体化设计，集成相平衡釜、混合室、加热系统、汽液两相冷却系统等，其中相平衡釜为双层夹套设计，且最外层镀银，尽可能保证绝热操作。

仪器先进的设计，样品在进入相平衡釜之前，气液混合物在扩展交换区强烈传质，确保气液两相之间能迅速达到平衡，气液分离室的设计确保液滴不会进入汽相，液相出来后避免返混。而且气液两相可单独取样，均为液体，方便GC进样分析。

图4 ：VLE循环主体结构图

仪器能够快速达到相平衡状态：这是由于体系中同时有气相和液相两相在体系内循环，在冷凝后，同时回到混合仓内（1.1）中。

在进入气液分离室之前（1），气液相的混合物会经过一个加长的接触区域（1.2）以确保气液间进行强烈的传质，该气液分离室的设计可以有效的避免液相被夹带进入气相。随后经过各自的冷凝器，气相和液相又会回到混合仓中。

采用IP65工业触控电脑+相平衡控制软件，操作简便，不仅可显示设置值和实际值、控制加热温度、真空度、控制电磁阀取样等，还可以查看过程压力稳定性，整个过程参数可追溯，数据稳定、结果可靠。

灵活的取样方式——三种取样方式收集气相、液相样品，通过控制电磁阀分别从气相或液相取样；也可以使用气密性的注射器直接从流体循环回路中抽取气液两相样品；针对存在混溶间隙的样品可以通过取样针取样。

① 通过控制电磁阀，分别从接收器5A气相取样，接收器5B液相取样；

② 通过气密性注射器，分别从1.15气相取样口取样，1.16液相取样口取样；

③ 针对不互溶体系，可以用取样针从取样口1.5气相取样，从1.14液相取样。

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