Equilibrio vapor-líquido

Comprender la distribución de los componentes químicos tanto en la fase líquida como en la líquida, llamada equilibrio vapor-líquido, es esencial para el diseño, la operación y el análisis de muchos procesos de ingeniería. El equilibrio vapor-líquido o VLE es un estado en el que existe un componente o mezcla pura tanto en la fase líquida como en la de vapor. Las fases están en equilibrio, lo que significa que no hubo cambios en las propiedades macroscópicas del sistema a lo largo del tiempo. El VLE de un solo componente es fácil de visualizar. Tomemos, por ejemplo, el agua, que está en equilibrio en la fase líquida y de vapor a 100 grados centígrados y un atm. Por encima de esta temperatura, el agua es un vapor. Por debajo de él, el agua es un líquido. Sin embargo, los ingenieros generalmente encuentran procesos con mezclas en equilibrio, lo que hace que el análisis de VLE sea más complejo y, por lo tanto, esencial para el diseño de procesos. Este video ilustrará los principios detrás del equilibrio vapor-líquido de las mezclas y demostrará cómo analizar el VLE de una mezcla en el laboratorio. Por último, se presentarán algunas aplicaciones del EVA en el campo de la ingeniería química.

Cuando una mezcla calentada se encuentra en un equilibrio vapor-líquido, las fases de vapor y líquido generalmente no tienen la misma composición. La sustancia con el punto de ebullición más bajo tendrá una concentración más alta en el vapor que la sustancia con el punto de ebullición más alto. Así, los ingenieros se refieren a los componentes de cada fase por su fracción molar, donde xi es la fracción molar de la especie i en el líquido y yi es la fracción molar de la especie i en la fase de vapor. Esta relación a menudo se representa utilizando una curva xy como la que se muestra aquí para una mezcla de dos componentes que ilustra la relación entre cada componente en cada fase. Un punto de partida para todos los cálculos de EVA es el criterio de equilibrio simple, donde la fugacidad de las especies en el vapor es igual a la fugacidad de las especies en el líquido. La fugacidad es una propiedad relacionada con la diferencia exponencial entre las energías de Gibbs del gas real e ideal. La fugacidad de la fase de vapor es igual a la fracción molar de la especie i en la fase de vapor multiplicada por la fugacidad de vapor del componente puro. La expresión se puede simplificar ya que la fugacidad de vapor del componente puro es aproximadamente igual a la presión a baja presión. Las fugacidades en fase líquida se expresan en términos de un coeficiente de actividad, gamma. El coeficiente de actividad se define como la relación entre la fugacidad de un componente en una mezcla real y la fugacidad de una solución ideal de la misma composición. A la presión de vapor de saturación, la fugacidad del líquido del componente puro sería igual a la presión de vapor de saturación porque el vapor puro y el líquido están en equilibrio allí. Finalmente, dado que las fugacidades del líquido y del vapor son iguales, podemos simplificar aún más la relación como se muestra, lo que también se conoce como ley de Raoult. La presión de vapor de saturación a menudo se calcula utilizando la ecuación de Antoine, donde las constantes A, B y C son específicas de la especie y se pueden encontrar en la literatura. Por lo tanto, si medimos las composiciones del vapor y el líquido que están en equilibrio, podemos calcular directamente los coeficientes de actividad midiendo la temperatura y la presión y, por lo tanto, la presión de vapor de saturación. En este experimento se investigará una mezcla ternaria de metanol, alcohol isopropílico y agua. Varias composiciones de la mezcla se hierven en un aparato VLE y los componentes del punto de ebullición más bajo se vaporizan y se recogen en un recipiente separado mientras el líquido se reúne de nuevo en el recipiente de muestra inicial. Una vez alcanzado el equilibrio, las fracciones líquidas y de vapor condensado se recogen y analizan con cromatografía de gases. Usando la temperatura y las fracciones molares de líquido y vapor, se pueden calcular los coeficientes de actividad. Ahora que se le han presentado los conceptos de VLE y el aparato de prueba, veamos cómo llevar a cabo el experimento en el laboratorio.

Para empezar, drene cualquier líquido del sistema en un matraz de desechos. Tenga en cuenta que es posible que el líquido no se drene por completo. Para la primera pasada, agregue una mezcla de 50% de metanol, 30% de IPA y 20% de agua a través de la abertura en la parte superior. Después de llenar la mezcla, encienda el calentador y el agua del condensador. El aparato requerirá aproximadamente 20 minutos para alcanzar el equilibrio. El sistema ya está listo para comenzar el experimento.

Cuando la muestra comience a hervir, suelte el tapón para ventilar la salida inerte del sistema. El vapor condensado comenzará a acumularse. Cuando se alcanza el equilibrio, se deben observar goteos constantes de vapor condensado y líquido de retorno. Con la temperatura estable dentro de 0,3 grados durante 10 minutos, recoja aproximadamente 1/2 mililitro de líquido en viales de muestra tanto del vapor condensado como del líquido hirviendo. Drene el vapor condensado de la última muestra. A continuación, añada una nueva muestra que conste de 20 mililitros de metanol puro o 50-50 de metanol-isopropanol a través del puerto de muestra. Esto dará una nueva composición general. Restablezca el equilibrio como se realizó antes, sin embargo, espere una diferencia de temperatura con respecto a la muestra anterior. Repita el procedimiento de equilibrio y muestreo como antes, y luego recoja la muestra que se va a analizar. Continúa el experimento usando diferentes mezclas de los tres componentes. 12 puntos son suficientes para determinar los coeficientes de actividad y los coeficientes de interacción binaria. Cuando se hayan ejecutado todas las mezclas, apague el sistema apagando los calentadores. Cuando el aparato comience a enfriarse, cierre el agua del condensador. Por último, mida la composición de cada muestra de líquido y vapor con el cromatógrafo de gases o GC.

Utilizando la temperatura del sistema y las fracciones molares líquidas y de vapor adquiridas de GC, calcule los coeficientes de actividad. Esto primero requiere que la presión de saturación se calcule utilizando la ecuación de Antoine, donde las constantes A, B y C para cada componente se pueden encontrar en la literatura. Ahora podemos usar los coeficientes de actividad calculados para correlacionar los datos con un modelo. Usaremos la ecuación de Wilson para una mezcla ternaria que da cuenta de las desviaciones de la idealidad en una mezcla. Las nueve constantes lambda son las constantes de Wilson que son iguales a uno cuando i es igual a j. Para cada par ij, hay dos constantes diferentes. Utilice una regresión no lineal y una función residual de suma estándar de cuadrados para determinar las seis constantes de Wilson restantes utilizando los datos de fracción molar del experimento. A continuación, se utilizan las constantes de Wilson para determinar los coeficientes de actividad esperados para cada componente de cada muestra. Aquí mostramos el coeficiente de actividad modelado frente a los coeficientes de actividad experimental. Idealmente, los coeficientes de actividad modelados y experimentales caerían a lo largo de la línea y igual a x. Como se puede ver en general, los valores modelados y experimentales se ajustan a lo largo de esta línea, lo que demuestra que el modelo se ajusta bien al sistema real.

Comprender y manipular el equilibrio vapor-líquido de las mezclas es un componente vital para una variedad de procesos, especialmente las separaciones. Las columnas de destilación separan las mezclas en función de su volatilidad, con diferentes composiciones de cada componente en las frases líquidas y de vapor en cada bandeja. El componente más volátil se vaporiza y se recoge en la parte superior de la columna, mientras que el componente menos volátil permanece líquido y se recoge en la parte inferior. Los datos VLE de los componentes de la mezcla se utilizan para determinar el número de bandejas necesarias para lograr la separación en una columna de destilación. Esto ayuda a los ingenieros a optimizar el proceso de separación mientras mantienen bajos los costos operativos. Otra técnica de separación valiosa que utiliza VLE es la separación instantánea. La separación flash se basa en el hecho de que un líquido a una presión igual o mayor que su presión de punto de burbuja parpadea, lo que significa que se evapora parcialmente cuando se reduce la presión. La alimentación se precalienta, por lo que consta de algo de líquido y algo de vapor en equilibrio. Luego fluye a través de una válvula reductora de presión hacia el separador. El grado de vaporización y, por lo tanto, la cantidad de soluto en las fases de vapor o líquido depende del estado inicial de la corriente de alimentación.

Acabas de ver la introducción de Jove al equilibrio vapor-líquido. Ahora debería comprender los conceptos detrás de EVA, cómo se mide en el laboratorio y algunos de sus usos en los procesos de ingeniería. Gracias por mirar.