动平衡原理

什么是汽液相平衡？汽液相平衡，即汽相与液相间的相平衡。对于二元或者多元体系的混合物，在封闭条件下，存在汽-液两相共存的现象，一定的温度和压力下，两相达到一种动态平衡时，即该混合物的汽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）的汽液相平衡。为什么要收集汽液相平衡数据？1. 相平衡在自然界和工业界都是非常重要的，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汽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。2. 作为化工热力学的主要研究内容之一，测量、关联和推算不同体系在不同条件下的理化性质具有重大意义。其中，相平衡研究在化工热力学研究领域占有重要位置。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设备选型有重大意义，而且对分离单元等操作过程的设计也非常重要，如精馏、萃取和结晶等过程。相平衡数据对化工过程工艺的优化，如温度、压力等条件的选取也具有指导意义。对生产装置的设计与评估、相平衡理论的发展，这些都需建立在相平衡数据的测定和研究的基础之上。3. 二元或多元体系混合物的汽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1：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汽液相平衡数据，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，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。鉴于此，相平衡装置是化工实验室必备的基础设备。如何测定汽液相平衡数据？目前最常用测定汽液相平衡的方法是循环法——即在常压或减压条件下，采用玻璃制作的平衡釜，利用循环法建立体系相平衡，从而获得汽液相平衡数据。 图2：罗斯釜（Rose Kettle）1-釜液 2-加热丝 3-液相取样口 4-液相液体 5-汽液提升管 6-汽液分隔器7-温度计套管 8-汽相取样口 9-汽相冷凝液 10 -球形冷凝管 11-加料口汽液相平衡时同时进行汽相和液相双循环，从而使汽液两相的平衡时间变短，尽可能缩短实验时长，提高实验效率。汽液相平衡实验常用到的玻璃平衡釜主要为罗斯釜(如上图所示）。在工作时，罗斯釜的釜内循环为： 物料在釜内的底部被加热至沸腾→汽液相混合物通过汽液分隔器→液体完成回到釜内，完成液体循环→汽相通过球形冷凝器冷凝回到釜底，完成回流。由循环法测定汽液相平衡数据的方法有很多，我们提到的罗斯釜也是基于该原理，基本原理如下图3所示：由A到B为蒸汽循环线，B到A为液体循环流，在到达平衡时，A和B容器的组分不随时间变化，这时从中取样并进行GC分析组成，即可以得到一组汽液相平衡数据。 图3：循环法的工作原理在进行汽液相平衡实验时往往遇到以下问题：● 因样品组成沸点较高，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；● 对于一些气体样品，常温常压不能进行测试，要求装置配备过压系统，也要求装置的密封性和耐压性；● 建立相平衡的速度慢，而且没有配备双循环的冷凝装置，导致汽相有可能混入小液滴，液相有可能出现返混；● 需要大量且繁琐的重复性验证实验，耗时耗力，要求装置自动化程度高；● 取样效率低，而且准确度和重复性都不好，特别是真空或者过压操作时。这些问题，Pilodist自动汽液相平衡装置VLE110统统可以解决！ Pilodist 自动汽液相平衡装置VLE11001 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）。02 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，且外层镀银，尽可能维持绝热操作。03 仪器特有的设计，样品在进入相平衡釜之前，汽液混合物在扩展交换区强烈传质，使得汽液两相之间能迅速达到平衡，汽液分离室的设计维持液滴不会进入汽相，液相出来后不会返混。而且汽液两相可单独取样，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迅速的达到相平衡状态：这是由于体系中同时有汽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。在进入汽液分离室之前（1），汽液相的混合物会经过一个加长的接触区域（1.2）以保持汽液间进行强烈的传质，该汽液分离室的设计可以有效的避免液相被夹带进入汽相。随后经过各自的冷凝器，汽相和液相又会回到混合仓中。04 仪器配备相平衡控制系统，基于windows操作系统的相平衡控制软件，操作简便，过程参数可追溯，查看过程压力稳定性；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。同时配备工业触摸屏，防尘和防水等级为IP65。 图5：VLE控制系统参数设置 图6：IP65工业触摸屏05 三种取样方式收集汽相、液相样品，通过控制电磁阀分别从汽相或液相取样；也可以使用气密性的注射器直接从流体循环回路中抽取汽液两相样品；针对存在混溶间隙的样品可以通过取样针取样。● 通过控制电磁阀，分别从接收器5A汽相取样，接收器5B液相取样；● 通过气密性注射器，分别从1.15汽相取样口取样，1.16液相取样口取样；● 针对不互溶体系，可以用取样针从取样口1.5汽相取样，从1.14液相取样。如果您对上述产品感兴趣，欢迎随时联系德祥科技德祥科技德祥集团成立于1992年，总部位于香港特别行政区。作为科学仪器供应商和服务商,德祥服务于大中华区和亚太地区，每年都为数以千计的客户提供全套解决方案。公司业务包含仪器代理，维修售后，实验室咨询与规划，CRO冻干工艺开发服务以及自主产品研发、生产、销售、售后。作为深耕科学仪器行业的供应商与服务商，德祥现已服务于政府、高校、科研、制药、检测、食品、医疗、工业、环保、石化以及商业实验室等众多领域。公司目前在亚太地区设有13个办事处和销售网点，3个维修中心和1个样机实验室。2009至2021年间，德祥先后荣获了多项奖项。我们始终秉承诚信经营的理念，致力于成为优 秀的科学仪器供应商，为此我们从未停止前进的脚步。我们始终相信，每一天都在使这个世界变得更美好！PILODIST德国PILODIST是德祥集团旗下代理品牌之一。德国PILODIST公司源自于全球实力强悍的蒸馏及精馏设备供应商。公司传承原Fischer公司专业的蒸馏及精馏设备制造技术，为全球石油化工、精细化工行业及科研院所客户提供高品质的原油蒸馏系统、精馏系统、溶剂回收系统、汽液相平衡和分子蒸馏等。

随着超快技术的发展，超快激光脉冲激发条件下的凝聚态物质的响应，即非平衡态涌现出来的新物理现象，引起了人们的广泛注意。超快物质调控逐渐成为量子调控的新兴研究方向。通过非平衡态的电声耦合激发相干声子调控材料中的铁电、磁性、超导等性质以及探索新型超快信息处理方式等研究方向体现出巨大的潜力。然而，目前非平衡态下的电子-声子耦合的微观物理图像依然不清楚。过去人们对于光激发条件下材料中电子和声子的演化的理解一般是基于双温模型或者相应的推广模型。双温模型假设非平衡态下电子和声子体系内部形成热平衡，这样就可以用一个有效温度来描述两者的演化以及它们互相之间的耦合。推广的多温模型和更一般的玻尔兹曼方程可以从第一性原理出发计算光激发下电子和声子的演化，为理解光激发下非平衡态物理现象奠定了基础。然而，这些模型都是基于微扰论得到的基态情况下电声耦合矩阵元，没有考虑电声耦合矩阵元在光激条件下的变化。如果想充分理解非平衡态下电声耦合的具体物理图像和它在非平衡态物理现象中所扮演的重要作用，必须定量探究光激发条件下体系中电声耦合矩阵元的变化以及相应的电子态和声子态的演化。近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面物理国家重点实验室研究人员，利用基于含时密度泛函理论的分子动力学方法，结合冻结声子法定量地探究了光激发条件下典型二维材料二硫化钼中相干声子的产生和电声耦合强度的变化（图1）。研究发现，光激发二硫化钼中的声子以声子为主，并且光激发下模式的电声耦合矩阵元会增大（图2）。同时，声子模式在光激发下出现了类似于电子掺杂时出现的声子软化现象，这说明光激发会影响体系中的介电屏蔽（图3）。通过进一步分析，他们发现电声耦合的增强是由于光激发诱导电子-空穴对导致体系中的电子对声子微扰的屏蔽减弱。除此之外，该研究定量化描述了光激发下体系中光激发载流子到晶格的能量弛豫速率随时间的演化，建立了光激发条件下固体中非平衡态电声耦合的清晰物理图像（图4）。相关成果以Calibrating Out-of-Equilibrium Electron–Phonon Couplings in Photoexcited MoS2为题发表在Nano Letters上。相关研究工作得到科学技术部重点研发计划、国家自然科学基金委、中科院战略性先导科技专项等的资助。论文链接 图1 光激发产生的电子-空穴对减弱了电子对声子微扰运动的屏蔽，从而导致电声耦合增强。图2 可见光照射下单层二硫化钼中电子和声子的激发及其随时间的演化。图3 光激发下声子模式电声耦合矩阵元的变化。图4 光激发下非平衡态电声耦合主导的能量弛豫过程。

随着超快技术的发展，超快激光脉冲激发条件下的凝聚态物质的响应，即非平衡态涌现出来的新物理现象，引起了人们的广泛注意。超快物质调控逐渐成为量子调控的新兴研究方向。通过非平衡态的电声耦合激发相干声子调控材料中的铁电、磁性、超导等性质以及探索新型超快信息处理方式等研究方向体现出巨大的潜力。然而，目前非平衡态下的电子-声子耦合的微观物理图像依然不清楚。 　　过去人们对于光激发条件下材料中电子和声子的演化的理解一般是基于双温模型或者相应的推广模型。双温模型假设非平衡态下电子和声子体系内部形成热平衡，这样就可以用一个有效温度来描述两者的演化以及它们互相之间的耦合。推广的多温模型和更一般的玻尔兹曼方程可以从第一性原理出发计算光激发下电子和声子的演化，为理解光激发下非平衡态物理现象奠定了基础。然而，这些模型都是基于微扰论得到的基态情况下电声耦合矩阵元，没有考虑电声耦合矩阵元在光激条件下的变化。如果想充分理解非平衡态下电声耦合的具体物理图像和它在非平衡态物理现象中所扮演的重要作用，必须定量探究光激发条件下体系中电声耦合矩阵元的变化以及相应的电子态和声子态的演化。 　　近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面物理国家重点实验室研究人员，利用基于含时密度泛函理论的分子动力学方法，结合冻结声子法定量地探究了光激发条件下典型二维材料二硫化钼中相干声子的产生和电声耦合强度的变化(图1)。研究发现，光激发二硫化钼中的声子以声子为主，并且光激发下模式的电声耦合矩阵元会增大(图2)。同时，声子模式在光激发下出现了类似于电子掺杂时出现的声子软化现象，这说明光激发会影响体系中的介电屏蔽(图3)。通过进一步分析，他们发现电声耦合的增强是由于光激发诱导电子-空穴对导致体系中的电子对声子微扰的屏蔽减弱。除此之外，该研究定量化描述了光激发下体系中光激发载流子到晶格的能量弛豫速率随时间的演化，建立了光激发条件下固体中非平衡态电声耦合的清晰物理图像(图4)。 　　相关成果以Calibrating Out-of-Equilibrium Electron–Phonon Couplings in Photoexcited MoS2为题发表在Nano Letters上。相关研究工作得到科学技术部重点研发计划、国家自然科学基金委、中科院战略性先导科技专项等的资助。图1 光激发产生的电子-空穴对减弱了电子对声子微扰运动的屏蔽，从而导致电声耦合增强。图2 可见光照射下单层二硫化钼中电子和声子的激发及其随时间的演化。图3 光激发下声子模式电声耦合矩阵元的变化。图4 光激发下非平衡态电声耦合主导的能量弛豫过程。