相平衡是指在一定的条件下,处于平衡的不同相的温度、压力及各相中对应组份化学位相等,它们处于一种动态平衡状态,其描述的是不同组份在不同相间的分配极限。而流体相平衡则是指流体之间形成不同相间的一种平衡关系。
流体相平衡数据是工业过程设计、操作、运行优化不可或缺的基础数据,是工业过程工程师们非常关心并尽力获得的精确数据之一。对一般的广大工程技术、科研院所、大中专院校等非专业人员,流体相平衡不可谓不复杂。它是一门以热力学原理为基础的工程科学,需要结合数学、化学、物理化学、热力学等知识来解决实际的工程问题。流体相平衡的主要内容包括各种相图的绘制和分析、数据获取方法、理论模型(包括活度系数、基团贡献、立方型方程、统计缔合流体理论等)开发和获取相平衡数据的方法、工业中的具体应用等等,主要包括:
流体相平衡是一门技术性非常强的学科,涉及的知识面广,要求具有扎实的数学基本功。
总体上看,描述流体相平衡的模型方法主要有两种,即活度系数方法和状态方程法,前者一般是基于混合物的过剩性质构建而成,而后者模型参数一般具有一定的物理意思。在活度系数方法中,包括NRTL、Wilson、Unifac、Uniquic、COSMO等等;而状态方程,基于不同的理论方法,具有不同的形式,主要有立方型状态方程、格子流体方程、统计缔合流体理论方程等等。在应用中,活度系数主要用于修正液相的非理想性,其不同同时应用与汽液两相,而状态方程则可以将汽液性质在同一模型框架下进行模拟。
与流体相平衡性质紧密相关的工业装置和过程繁多,典型的装置和过程有吸收-解吸过程、蒸馏过程、精馏装置、萃取装置、结晶过程等等。此外,只要过程中有相变情况发生,该过程就一定与相平衡性质相关。要完成并保证这些过程的准确计算、设计和优化运行,离不开准确的流体相平衡数据和模型的支撑。对以上的典型的过程,涉及的相平衡类型主要包括气-液平衡、汽-液平衡、液-液平衡、固-液平衡等,而由于相平衡条件的差异,导致相平衡性质千差万别,也没有统一的模型能够适应所以的体系,这就需要针对某一类别或特定体系进行实验并开发实用的模型。此外,新的化学品或体系的不断出现,如生物质产品制备、生物燃料、离子液体等等,也为流体相平衡的研究带来新的挑战。因此,流体相平衡的研究仍然任重而道远!