阅读说明：本技术 一种施加不同方向静电场控制饱和蒸气压和沸点的方法 (Method for controlling saturated vapor pressure and boiling point by applying electrostatic fields in different directions ) 是由 韩光泽 胡秋霞 蒙健佳 陈明东 于 2019-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明属于工业应用领域,涉及一种施加不同方向静电场控制饱和蒸气压和沸点的方法。当静电场方向与气液相界面法向的夹角小于θ时,温度不变的情况下,能够升高气液平衡系统的饱和蒸气压；在气相压强不变的情况下,能够降低沸点,角度越小,饱和蒸气压和沸点的改变量越大；当静电场方向与气液相界面法向的夹角大于θ时,在温度不变的情况下,能够降低气液平衡系统的饱和蒸气压；在气相压强不变的情况下,能够提升沸点；当静电场方向与气液相界面法向的夹角约为θ时,静电场对气液平衡系统的饱和蒸气压和沸点无影响；当静电场方向一定时,改变电场强度以升高或降低对饱和蒸气压的影响。本发明强化了相变传质过程,提高了传热效率。(The invention belongs to the field of industrial application, and relates to a method for controlling saturated vapor pressure and boiling point by applying electrostatic fields in different directions. When the included angle between the direction of the electrostatic field and the normal direction of the gas-liquid phase interface is smaller than theta, the saturated vapor pressure of the gas-liquid balance system can be increased under the condition of unchanged temperature; under the condition that the pressure intensity of the gas phase is not changed, the boiling point can be reduced, and the smaller the angle is, the larger the change amount of the saturated vapor pressure and the boiling point is; when the included angle between the direction of the electrostatic field and the normal direction of the gas-liquid phase interface is larger than theta, the saturated vapor pressure of a gas-liquid balance system can be reduced under the condition of unchanged temperature; under the condition that the gas phase pressure intensity is not changed, the boiling point can be improved; when the included angle between the direction of the electrostatic field and the normal direction of the gas-liquid phase interface is about theta, the electrostatic field has no influence on the saturated vapor pressure and the boiling point of the gas-liquid balance system; when the direction of the electrostatic field is fixed, the electric field strength is changed to increase or decrease the influence on the saturated vapor pressure. The invention strengthens the phase change mass transfer process and improves the heat transfer efficiency.)

一种施加不同方向静电场控制饱和蒸气压和沸点的方法

技术领域

本发明属于工业应用领域，涉及一种施加不同方向静电场控制饱和蒸气压和沸点的方法。

背景技术

气液相变是指物质在特定的外界温度和压强下由液相转化为气相或气相转化为液相的过程。相变是传质和传热的过程，如生产过程中可利用热气体液化放出的热量强化其传热过程，化工厂中的精馏塔的精馏分离操作同样涉及气液相变过程。当前的分离技术存在能耗高，能量利用率低的问题，例如蒸馏过程需要持续提供能量，其中只有一部分能量能够传递到物质中被吸收，其余能量耗散导致传递效率低。

温度和压强是气液平衡系统中两个基本的宏观物理量，控制系统的温度或压强能使气液转化过程朝着所期望的方向进行，而在实际生产中让压强和温度的改变意味着更多的设备投资与能源损耗，有时技术的不完善导致效益并不高。一些生产过程中还要求对温度和压强的控制，例如提取中草药中有效成分的加工工艺中，在把控好溶液沸腾的前提下，通过调节加热设备真空度和加热量既要保证有效成分不会由于温度过高而降解也要合理控制生产速度降低能耗。因此，开发新技术来控制气液平衡系统的温度和压强对提高效率和强化相变过程具有重要的意义。

静电场能够有效地促进气液平衡系统的变化过程，促使气液平衡系统达到新的平衡态。有研究表明，静电场能促进膜蒸馏和反渗透处理过程，提高传质分离效率，促进过热液体沸腾，增强气液沸腾系统传热。场分离是得到认可的一项新型分离技术，但是目前无法投入实际生产中，存在着许多限制性因素，因此研究静电场对气液平衡系统的压强和温度的影响对于正确分析蒸馏、强化传质过程、提高强化传递效率等方面有着极其重要的指导意义。

发明内容

为了解决场分离技术所存在的问题和有效控制气液平衡系统平衡时的温度和蒸气压，本发明提供一种施加不同方向静电场控制饱和蒸气压和沸点的方法，达到控制饱和蒸气压和沸点的增加或降低及其改变量大小，改变系统平衡态，强化相变传质过程，提高传热效率的目的。

本发明采用如下技术方案来实现：

一种施加不同方向静电场控制饱和蒸气压和沸点的方法，包括：

当静电场方向与气液相界面法向的夹角小于θ时，在气液平衡系统温度不变的情况下，能够升高气液平衡系统的饱和蒸气压；在气相压强不变的情况下，能够降低沸点，角度越小，饱和蒸气压和沸点的改变量越大；

当静电场方向与气液相界面法向的夹角大于θ时，在气液平衡系统温度不变的情况下，能够降低气液平衡系统的饱和蒸气压；在气相压强不变的情况下，能够提升沸点，角度越大，饱和蒸气压和沸点的改变量越大；

当静电场方向与气液相界面法向的夹角约为θ时，静电场对气液平衡系统的饱和蒸气压和沸点无影响；

当静电场方向一定时，改变电场强度以升高或降低对饱和蒸气压的影响。

进一步地，θ与选取的物质有关。

优选地，夹角θ通过下面公式计算得出：

其中：v^G、v^L分别是气相和液相物质的摩尔体积，ε^L、ε^G分别是液相和气相物质的介电常数。

进一步地，电场强度和物质的自身性质决定静电场对气液平衡系统饱和蒸气压的升高或降低的变化量大小。

优选地，在温度不变的情况下，施加静电场作用的气液平衡系统的饱和蒸气压随静电场强度的变化量大小，由下式计算得到：

其中：带有上标“L”的量表示液相中的物理量，带有上标“G”的量表示气相中的物理量，p′是施加静电场后温度T下的饱和蒸气压，p是无静电场作用时温度T下的饱和蒸气压，ε₀为真空介电常数，v是物质摩尔体积，v^G、v^L分别是气相和液相物质的摩尔体积，ε是物质的介电常数，ε^L、ε^G分别是液相和气相物质的介电常数，E是施加的总的电场强度。

优选地，在气液平衡系统饱和蒸气压不变的情况下，饱和蒸气压随静电场强度的变化量大小计算公式中未知参量均为沸点的函数，利用数值方法求解式中的隐函数方程得到施加静电场作用的气液平衡系统的沸点随静电场强度的变化关系。

优选地，当静电场方向平行于相界面，即θ＝π/2，系统温度为25℃时，随着电场强度的增大，饱和蒸气压降低的幅度也越来越大。

优选地，当静电场方向垂直于相界面，即θ＝0，系统温度为25℃时，随着电场强度的增大，饱和蒸气压增加的幅度也越来越大。

进一步地，对气液平衡系统施加静电场，已知气相静电场，通过边界条件求得液相静电场。

进一步地，气液平衡系统的液相物质可以为任何电介质，包括：水、乙醇或甲苯。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)静电场可以改变系统的平衡态，使气液平衡系统的平衡压强和温度发生变化，蒸气压和沸点的增加或降低与静电场的作用方向有关，其改变量的大小与物质本身的性质和电场强度有关。给定具体物质，可通过计算得到静电场方向与相界面法向成一定角度时，对电介质系统无影响。若静电场方向小于这个夹角，系统温度不变的情况下，能够升高气液两相平衡系统的饱和蒸气压，在气相压强不变的情况下，能够降低沸点，角度越小，饱和蒸气压和沸点的改变量越大；若静电场方向大于这个夹角，在系统温度不变的情况下，能够降低气液两相平衡系统的饱和蒸气压，在气相压强不变的情况下，能够提升沸点，角度越大，饱和蒸气压和沸点的改变量越大。当静电场方向一定时，增加电场强度能增大对蒸气压的影响。本发明通过施加不同的静电场作用方向和电场强度达到控制饱和蒸气压和沸点的增加或降低及其改变量大小，强化了相变传质过程，提高了传热效率。

(2)本发明涉及通过静电场控制气液平衡系统中物质的饱和蒸气压和沸点改变，并且能在一定的方向上使静电场的影响为零，可应用于提纯浓缩，蒸馏分离等分离过程，也可用于需要调控物质蒸气压或沸点的各生产过程中。

附图说明

图1是本发明一个实施例中任意方向的静电场作用于气液平衡系统的示意图；

图2是本发明一个实施例中静电场作用方向对蒸气压和沸点的影响变化示意图；

图3是本发明一个实施例中方向平行于相界面的静电场其电场强度对蒸气压影响的示意图；

图4是本发明一个实施例中方向垂直于相界面的静电场其电场强度对蒸气压影响的示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的内容，下面结合附图和实施例对本发明进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不限于此。

一种施加不同方向静电场控制饱和蒸气压和沸点的方法，包括：

S1、当静电场方向与气液相界面法向的夹角小于θ时，θ与选取的物质有关。在气液平衡系统温度不变的情况下，能够升高气液平衡系统的饱和蒸气压；在气相压强不变的情况下，能够降低沸点，角度越小，饱和蒸气压和沸点的改变量越大；

S2、当静电场方向与气液相界面法向的夹角大于θ时，θ与选取的物质有关。在气液平衡系统温度不变的情况下，能够降低气液平衡系统的饱和蒸气压；在气相压强不变的情况下，能够提升沸点，角度越大，饱和蒸气压和沸点的改变量越大；

S3、当静电场方向与气液相界面法向的夹角约为θ时，θ与选取的物质有关，静电场对气液平衡系统的饱和蒸气压和沸点无影响；

S4、当静电场方向一定时，改变电场强度以升高或降低对蒸气压的影响。

步骤S1、S2、S3可结合图1进行理解，本实施例中，所研究的系统为热力学气液平衡系统，系统中有两相，其中一相为气(gas)相，另一相为液(liquid)相，系统的体积V一定，与外界没有物质和能量交换，系统总的物质的量一定。对系统施加静电场，已知气相静电场，可通过边界条件求得液相静电场。边界条件可以表示为其中分别为液相和气相垂直于相界面的电位移分量，则分别为液相和气相平行于相界面的电场强度分量。在气液两相界面存在压强差，压强差方程为：

其中，带有上标“L”的量表示液相中的物理量。Δp为施加电场后，气液两相之间的压强差，ε₀为真空介电常数，ε^L是液相物质的介电常数，E_t、E_n则分别为平行于相界面和垂直于相界面的电场强度分量。

在气液两相平衡时，静电场作用下等效化学势相等μ′^G(T,p′)＝μ′^L(T,p′+Δp)，静电场作用下等效化学势的表述为带有上标“'”的量表示静电场作用下的物理量。μ表示物质的化学势，括号后面的参量表示该状态下所对应的化学势，如μ(T,p′)表示温度为T外压为p′时无电场作用时的化学势。是描述温度不变时介电常数随物质本身密度变化情况的物理量。由上述理论基础可以推导得到在温度不变时，气相压强的表达式：

其中，带有上标“L”的量表示液相中的物理量，带有上标“G”的量表示气相中的物理量。p′是施加静电场后温度T下的饱和蒸气压，p是无静电场作用时温度T下的饱和蒸气压，ε₀为真空介电常数，v是物质摩尔体积，v^G、v^L分别是气相和液相物质的摩尔体积，ε是物质的介电常数，ε^L、ε^G分别是液相和气相物质的介电常数，E是施加的总的电场强度，E_t是平行于相界面的电场分量，E_n是垂直于相界面的电场分量。

若气相存在任意方向上的静电场，则平行于相界面上的静电场分量为E_t＝Esinθ，气相中垂直于相界面的静电场分量为液相中垂直于相界面的静电场分量满足θ的角度范围为[0,π/2]，代入上述方程可得与角度和场强大小有关的饱和蒸气压表达式：

利用上述方程求解，可得到：

①在温度不变的情况下，施加静电场作用的气液平衡系统的饱和蒸气压随静电场强度的变化关系。

②在系统蒸气压不变的情况下，式(3)中的未知参量p、v^G、v^L、ε^L、ε^G均为沸点T的函数。具体地，无静电场时的饱和蒸气压p由Antoine公式导出常数A、B、C可由相关物性手册查询；气体的摩尔体积其中R为理想气体常数，R＝8.314m³·Pa·mol^-1·K^-1；液体的摩尔体积其中M为物质相对分子质量，液体密度ρ由公式给出，常数A、B、T_c、n可由相关物性手册查询；液体的介电常数ε^L＝a+bT+cT²+dT³，常数a、b、c的具体数值由相关物性手册查询；气体介电常数ε^G＝1+(N_A/v^Gε₀)(α+μ²/3kT)，其中ε₀为真空介电常数，ε₀＝8.8542×10^-12F/m，N_A为阿伏伽德罗常数，N_A＝6.022×10²³mol^-1，k为玻尔兹曼常数，k＝1.381×10^-23J/K，α和μ分别为物质极化率和介电常数，两者具体数值均可由相关物性手册查询。

利用数值方法求解式(3)的隐函数方程可得施加静电场作用的气液平衡系统的沸点随静电场强度的变化关系。

需要说明的是，本实施例中，气液平衡系统的液相物质可以为任何电介质，如水、乙醇或甲苯等，下面分别举例作进一步说明。

当系统温度为25℃时，式(3)中各物性参数如表1所示。夹角θ与蒸气压和沸点的变化关系如图2所示。要使静电场对系统蒸气压和沸点的影响为0，则只要：

通过式(4)可计算得到夹角θ。

表1各物质的物性参数

实施例1

本实施例选用乙醇进行说明。

当静电场的方向与相界面法向的夹角θ为0.352rad时，静电场对气液平衡系统无明显影响；当静电场的方向与相界面法向的夹角θ小于0.352rad时，若系统温度是25℃，电场强度为10⁸V/m，则蒸气压随着θ的减小而增加，当θ＝0时，最大增加24.93Pa；当静电场的方向与相界面法向的夹角θ大于0.352rad时，若系统温度是25℃，电场强度为10⁸V/m，则蒸气压随着θ的增在而降低，当θ＝π/2时，最大减少184.5Pa。

实施例2

本实施例选用水进行说明。

当静电场的方向与相界面法向的夹角θ为0.394rad时，静电场对气液平衡系统无明显影响。

当静电场的方向与相界面法向的夹角θ小于0.394rad时，若系统温度是25℃，电场强度为10⁸V/m，则蒸气压随着θ的减小而增加，当θ＝0时，最大增加11.57Pa；若系统气相压强是50kPa，电场强度为2*10⁷V/m时，沸点随着θ的减小而降低，当θ＝0时，最大降低2.53*10^-3℃。

当静电场的方向与相界面法向的夹角θ大于0.394rad时，若系统温度是25℃，电场强度为10⁸V/m，则蒸气压随着θ的增加而降低，当θ＝π/2时，最大减少66.83Pa；若系统气相压强是50kPa，电场强度为2*10⁷V/m，则沸点随着θ的增加而升高，当θ＝π/2时，最大升高1.36*10^-2℃。

实施例3

本实施例选用甲苯进行说明。

当静电场的方向与相界面法向的夹角θ为0.665rad时，静电场对气液平衡系统无明显影响。

当静电场的方向与相界面法向的夹角θ小于0.665rad时，若系统温度是25℃，电场强度为10⁸V/m，则蒸气压随着θ的减小而增加，当θ＝0时，最大增加2.5Pa；若系统气相压强是50kPa，电场强度为2*10⁷V/m，沸点随着θ的减小而降低，法θ＝0时，最大降低0.594*10^-3℃。

当静电场的方向与相界面法向的夹角θ大于0.665rad时，若系统温度是25℃，电场强度为10⁸V/m，则蒸气压随着θ的增加而降低，当θ＝π/2时，最大减少3.36Pa；若系统气相压强是50kPa，电场强度为2*10⁷V/m，随着θ的增加而升高，当θ＝π/2时，最大升高0.789*10^-3℃。

步骤S4当静电场方向一定时，改变电场强度以升高或降低对蒸气压的影响，可结合图3和图4进行理解。

如图3所示，给定静电场方向平行于相界面，即θ＝π/2，系统温度为25℃时，随着电场强度的增大，系统蒸气压降低的幅度也越来越大。当电场强度为10⁸V/m，使乙醇蒸气压减少184.5Pa，水蒸气压减少66.83Pa，甲苯蒸气压减少3.36Pa，与上述的三个例子变化一致。当电场强度为4*10⁸V/m时，使乙醇蒸气压减少2.925kPa，水蒸气压减少1.059kPa，甲苯蒸气压减少53.2Pa。

如图4所示，给定静电场方向垂直于相界面，即θ＝0，系统温度为25℃，随着电场强度的增大，系统蒸气压增加的幅度也越来越大。当电场强度为10⁸V/m，使乙醇蒸气压增加24.93Pa，水蒸气压增加11.57Pa，甲苯蒸气压增加2.5Pa，与上述的三个例子变化一致。当电场强度为4*10⁸V/m时，使乙醇蒸气压增加395.2Pa，水蒸气压增加183.3Pa，甲苯蒸气压增加39.58Pa。

从以上各实施例可知，静电场的施加方向能够控制气液平衡系统的蒸气压和沸点发生改变，不同的作用方向产生不同的影响；电场强度和物质的自身性质决定静电场对系统中物质蒸气压的升高或降低的变化量大小；在相同的电场强度和系统温度下，θ＝π/2时静电场使蒸气压降低的减小值大于θ＝0时静电场使蒸气压升高的增大值。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。