本研究由Ricarda Kendler（通讯作者）、Frieder Dreisbach、Reza Seif、Stefan Pollak和Marcus Petermann合作完成，分别来自德国波鸿鲁尔大学热力学与流体动力学研究所颗粒技术教席（Chair of Particle Technology, Institute of Thermo- and Fluid Dynamics, Ruhr-University Bochum）以及TA Instruments-Waters GmbH公司。研究成果发表于2018年5月的《Thermochimica Acta》期刊（Volume 664, Pages 128–135），标题为《基于磁悬浮天平热重测量的蒸汽压估算方法》（Method for estimating vapour pressures based on thermogravimetric measurements with a magnetic suspension balance）。
蒸汽压（vapour pressure）是描述纯液体挥发性的关键热力学参数，传统测量方法如沸点法、静态法等存在耗时长、样品需求量大等局限。近年来，等温热重分析法（isothermal thermogravimetry）因其快速、微量（small sample volume）的优势受到关注。然而，现有文献对蒸发过程中质量传递的建模存在分歧：部分研究仅考虑样品柱内部的扩散（diffusion inside the sample cylinder），而另一些则同时纳入外部对流-扩散耦合效应（external mass transfer with convection and diffusion）。本研究旨在开发一种基于磁悬浮天平（magnetic suspension balance, MSB）的通用蒸汽压估算方法，通过数值模拟与实验验证相结合，建立适用于垂直气流体系的Sherwood数（Sherwood number）关联式，以覆盖100 Pa至20 kPa的蒸汽压范围。
研究采用Rubotherm GmbH生产的磁悬浮天平系统，其核心创新在于通过电磁悬浮技术实现样品室与微量天平的物理隔离，避免测量室内条件干扰称量精度。样品置于内径15.5 mm、高度19.5 mm的开放式不锈钢圆柱中，氮气（N₂）以20–120 mL/min的流速垂直向下流经样品室。系统通过零位校正（zero point position, ZP）与测量位（measuring point position, MP）的交替切换补偿零点漂移，温度控制精度达±1°C（PT100测温）。
使用COMSOL Multiphysics 4.3软件构建三维模型，耦合层流模块（laminar flow）和稀物质传递模块（transport of diluted species）。通过网格收敛性分析确定532,000个单元的网格结构，模拟不同填充高度（25%–100%）、温度（20–40°C）和气流速度下乙醇等四种醇类的蒸发过程。模拟结果与实验数据的平均偏差为5%，最大偏差13%（图4），验证了忽略蒸发冷却（evaporative cooling）假设的合理性。
基于288组模拟数据，通过Excel求解器拟合得到外部Sherwood数经验公式：
$$Sh{ext} = 0 + 1.37 \cdot Re^{0.57} \cdot Sc^{0.62}$$
该式适用于垂直气流体系，特征长度取样品柱内半径。内部传质Sherwood数（$Sh{int}$）由扩散路径长度（$h{diff} = h{c,i} - h_f$）决定，总传质系数通过并联模型计算（式3）。
选用环己烷、正庚烷等8种物质进行实验验证。蒸汽压计算采用Fuller方法估算扩散系数（平均误差4%），结合式8求解。结果显示，除正辛烷和1-戊醇在20°C时偏差为5%–10%外，其余条件下与文献值的偏差均%（图10）。方法的不确定度为12%（p=95.5%），主要来源于Sherwood关联式（5%）和扩散系数（4%）。
本研究提出了一种基于MSB的蒸汽压快速估算方法，其科学价值体现在：
1. 通过分步建模（内部扩散+外部对流）解决了垂直气流体系的传质计算难题；
2. 开发的Sherwood关联式填补了该几何构型下的理论空白；
3. 实验与数值模拟的协同验证策略为类似研究提供了范式。
应用层面，该方法适用于制药、化工等领域的高通量物质筛选，尤其适合微量、高沸点样品的蒸汽压测定。未来可结合Knudsen effusion技术扩展至更低蒸汽压（1 Pa）的测量。
作者指出，该方法无需样品物性先验知识，相比COSMO-RS等预测方法更具实操性。团队正在开发模块化系统，以覆盖更宽的蒸汽压测量范围。