蒸气压曲线：汽化相图
蒸气压曲线相图
尽管相图主要由实验室中的化学家使用，但对于负责样品分析的机械工程师和工厂管理人员而言，这些工具同样具有实用价值。在某些分析系统中，必须首先通过汽化将液体样品转化为气体才能进行分析。汽化过程本质上是温度、压力和流量变量之间的平衡行为 – 而相图中的蒸气压曲线可帮助工程师确定不同材料与化合物的相变状态。理解相图与蒸气压之间的这种关系至关重要。
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如何读取蒸气压曲线
例如，假设一种由 20% 己烷与戊烷组成的混合气体，我们将使用完整的相图进行分析（见下方蒸气压图）。当样品状态处于泡点（蓝色线）上方时，则将完全处于液相状态。样品进入汽化器时必须保持液态。当样品温度低于露点（金色曲线）时，样品完全以气相存在。样品离开汽化器时必须全部为气相。
泡点线与露点线之间的部分为“两相区”。该区域代表了样品的沸程。在这里，混合物处于两相状态：部分为液相，部分为气相。样品一旦进入两项区，即被分馏，不再适合进行分析。汽化的目标是设置温度、流量和压力，使样品从液相侧跳过两相区直接到气相侧。对于纯和近似纯样品，几乎没有沸腾范围或不过端区。泡点线和露点线完全或几乎紧挨着。
纯样品和近似纯样品会转化为相同成分的蒸气，无论是通过蒸发还是通过汽化。某些工业样品接近这种程度的纯度，很容易被转化。另一方面，某些样品的沸腾范围或两项区非常宽，以至于无法成功汽化。此类样品无法从液相侧跳过两相区直接到气相侧。在这种情况下，无法操纵温度，压力，流量等参数以避免分馏。
在上图所示的蒸气压图中，泡点与露点之间的区间足够窄，通过合理设置参数，样品可从两相区的液相侧直接跃迁至气相侧。同时，这一区域又足够宽，我们需要谨慎对待。
设定汽化过程的温度、压力与流量参数
仍以上图中的样品（20% 己烷的戊烷溶液）为例，需根据蒸气压曲线的指导，合理设定温度控制、压力控制与流量控制参数，以确保汽化过程顺利完成。一般而言，入口需高压低温条件。相反，出口则需高温低压条件。这些参数应该多高和多低是有限度的，并非都可以控制。
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计算汽化器入口压力
进口压力是固定的，假使汽化器位于样品取样口附近，则为工艺压力。在示例图中，该压力为 4 bar。压力越高越好，因为高压可使汽化器在更高温度下工作，同时避免入口液体发生沸腾。
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设定入口温度以实现完全汽化
设置进口温度时，目标有二。第一，温度必须足够低以便样品进入汽化器时完全处于液相状态。在示例图中，4 bar 压力下的泡点为 88˚C。为防止分馏现象，应选择与 88°C 保持足够距离的整数温度，避开两相区。一个安全的示例温度可为 80˚C。
第二个目标是保持足够高的温度以促使样品完全汽化，确保只有气相离开汽化器。汽化样品时，根据能量守恒定律，温度会下降。样品在出口端的温度必须足够高，以便压力下降后样品不会落入两相区。在示例图中，压降后的气相温度为 60°C，恰好位于露点曲线的气相侧。
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调节出口压力，确保样品正常汽化
设置出口压力时，目标是将压力降至露点线以下。在示例相图中，出口压力设定为 1.5 bar。如果出口压力再高一点儿，样品将无法完全汽化并分馏。
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通过阀门和转子流量计控制流量
流量在下游的阀门和转子流量计设置，而不是汽化器设置。在取样系统中，较高的蒸气流量更理想，因为能更快将样品送至分析仪 。但高流量也会带来问题：汽化样品需要更多热量。换言之，高流量导致汽化时的温度下降更大。在示例图中，紫色线表示温度下降。温度随着流量的增加而急剧下降。
影响温度下降的另一个变量是汽化器的热量传输能力。某些汽化器在构造上使热量能够更有效地传输给样品。当液态样品转化为气相且温度下降时，会从周围的不锈钢材质中吸收热量。关键问题是汽化器交换热量并将其传输给样品的效率如何。样品能够吸收的热量越多，它在汽化过程中温度的下降就越小。在某些情况下，汽化器的外面可能摸起来很烫，而里面的内核却很凉。这是因为汽化样品会吸收大量热量，而汽化器无法及时传递足够的能量。理想的解决方案是降低流量。
总而言之，蒸气压图中显示的温度下降，是流量与汽化器传热能力共同作用的结果。凭借良好品质的汽化器和较低的流速，图中的线条将变得更为垂直。遗憾的是，目前没有简便方法可精确计算相图内温度下降的具体位置。这种特定的相图-蒸气压关系无法通过任何已知软件程序生成。因此，汽化过程需进行一定的近似估算。经验法则：在不导致样品输送至分析仪的时间出现不可接受延迟的前提下，应尽可能降低流量。建议从低流量开始，逐步提高进行试验，而非一开始就使用高流量。
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