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Équilibre de vapeur-liquide

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Compréhension de la distribution de composants chimiques en phase liquide et la vapeur, appelé équilibre de vapeur-liquide est essentielle à la conception, exploitation et analyse de nombreux processus d’ingénierie. Équilibre de vapeur-liquide ou VLE est un État dans lequel un composant pur ou un mélange existe dans les phases liquide et vapeur. Les phases sont en équilibre, ce qui signifie qu’il n’y a aucun changement dans les propriétés macroscopiques du système au fil du temps. Le composant unique VLE est facile à visualiser. Prenons par exemple l’eau qui est à l’équilibre dans la vapeur et la phase liquide à 100 degrés Celsius et un ATM au-dessus de cette température de l’eau est une vapeur. En dessous, l’eau est un liquide. Toutefois, les ingénieurs rencontrent généralement des processus avec des mélanges en équilibre faisant l’analyse des VLE plus complexes et donc essentiel pour le processus de conception. Cette vidéo va illustrer les principes qui sous-tendent l’équilibre liquide-vapeur des mélanges et démontrer comment analyser la VLE d’un mélange en laboratoire. Enfin, certaines applications de VLE dans le domaine du génie chimique seront introduites.

Quand un mélange chauffé est dans un équilibre de vapeur-liquide, les phases liquide et vapeur n’ont généralement pas la même composition. La substance avec le point d’ébullition inférieur aura une concentration plus élevée dans la vapeur de la substance avec le point d’ébullition élevé. Ainsi, les ingénieurs renvoient aux composants à chaque étape de leur fraction molaire où xi est la fraction molaire de l’espèce j’ai dans le liquide et yi est la fraction molaire de l’espèce i en phase vapeur. Cette relation est souvent représentée en utilisant une courbe xy comme celui montré ici pour un mélange de deux composants qui illustre la relation entre chaque élément dans chaque phase. Un point de départ pour tous les calculs de VLE est le critère d’équilibre simple où la fugacité de l’espèce dans la vapeur est égale à la fugacité de l’espèce dans le liquide. Fugacité est qu'une propriété liée à la différence exponentielle entre le réel et l’idéal gaz énergies de Gibbs. Phase vapeur fugacité est égale à la fraction molaire de l’espèce, j’ai en phase vapeur fois la fugacité de vapeur pure composant. L’expression peut être simplifiée comme la fugacité de vapeur pure composante est approximativement égale à la pression à basse pression. Fugacités phase liquide sont exprimées en fonction d’un coefficient d’activité gamma. Le coefficient d’activité est défini comme le rapport entre la fugacité d’un composant dans un mélange réel à la fugacité de la solution idéale de même composition. À la pression de vapeur saturante la fugacité de liquides purs serait égale à la pression de vapeur de saturation car la vapeur pure et le liquide sont en équilibre, il. Enfin, puisque les fugacités liquide et vapeur sont égales, nous pouvons simplifier davantage la relation comme indiqué qui est également connu sous le nom de Raoult. La pression de vapeur saturante est souvent calculée à l’aide de l’équation d’Antoine où les constantes A, B et C sont propres à chaque espèce et peuvent être trouvées dans la littérature. Ainsi, si nous mesurons les compositions de la vapeur et le liquide qui sont en équilibre, nous pouvons calculer les coefficients d’activité directement en mesurant la température et de pression et, par conséquent, la pression de vapeur saturante. Dans cette expérience un mélange ternaire du méthanol, de l’alcool isopropylique et d’eau est étudié. Diverses compositions du mélange sont bouillies dans un appareil VLE et les composantes point d’ébullition inférieurs se vaporisent et sont collectés dans un récipient séparé alors que le liquide se rassemble dans le navire de l’échantillon initial. Une fois que l’équilibre est atteint, les fractions de la vapeur condensée et de liquide sont prélevées et analysées par chromatographie en phase gazeuse. À l’aide de la température et le liquide et la vapeur des fractions molaires on peuvent calculer les coefficients d’activité. Maintenant que vous avez été introduit aux concepts de VLE et l’appareil d’essai, nous allons voir comment réaliser l’expérience en laboratoire.

Pour commencer, vider tout liquide hors du système dans une fiole de déchets. N’oubliez pas que le liquide ne peut pas vider complètement. Pour la première manche, ajouter un mélange de méthanol à 50 %, 30 % d’isopropanol et 20 % d’eau par l’ouverture en haut. Après avoir rempli le mélange, tourner sur l’eau d’alimentation et condensateur de chauffage. L’appareil nécessitera environ 20 minutes à l’équilibre de l’approche. Le système est maintenant prêt à commencer l’expérience.

Lorsque l’échantillon commence à bouillir, sortir le bouchon pour évacuer la sortie inerte du système. Vapeur condensée commencera à recueillir. Lorsque l’équilibre est atteint, steady goutte de vapeur condensée et retourne le liquide doit être observé. Avec une température stable à 0,3 degrés pendant 10 minutes, recueillir environ 1/2 millilitre de liquide en flacon d’échantillon de la vapeur condensée et le liquide bouillant. Vider la vapeur condensée du dernier échantillon. Ajoutez ensuite un nouvel échantillon consistant soit 20 millilitres de méthanol pur ou 50 / 50 méthanol-alcool isopropylique via le port de l’échantillon. Cela vous donnera une nouvelle composition globale. Rétablir l’équilibre interprété avant, cependant s’attendre à une différence de température de l’échantillon précédent. Répétez l’équilibration et échantillonnage de procédure comme avant et puis recueillir l’échantillon à analyser. Poursuivre l’expérience à l’aide de différents mélanges des trois composantes. 12 points sont suffisantes pour déterminer les coefficients d’activité ainsi que les coefficients d’interaction binaire. Lorsque tous les mélanges ont été exécutés, arrêtez le système, en éteignant les appareils de chauffage. Quand l’appareil commence à refroidir, couper l’eau de condensateur. Enfin de mesurer la composition de l’échantillon liquide et vapeur avec le chromatographe en phase gazeuse ou GC.

Grâce à la température du système et les fractions molaires liquide et vapeur, acquises de GC, calculer les coefficients d’activité. Tout d’abord, il faut que la pression de saturation est calculée à l’aide de l’équation d’Antoine où se trouvent les constantes A, B et C pour chaque composant dans la littérature. Maintenant nous pouvons utiliser les coefficients d’activité calculé pour corréler les données à un modèle. Nous allons utiliser l’équation de Wilson pour un mélange ternaire qui représente pour les déviations de l’idéalité dans un mélange. Les constantes de neuf lambda sont les constantes de Wilson qui égale un lorsque j’ai équivaut à j. Pour chaque paire d’ij, il existe deux constantes différentes. Utiliser une régression non linéaire et une somme standard de la fonction résiduelle de carrés pour déterminer les constantes de Wilson six restants en utilisant les données de fraction molaire de l’expérience. Les constantes de Wilson sont ensuite utilisées pour déterminer les coefficients d’activité pour chacun des composants de chaque échantillon. Ici, nous montrons le coefficient d’activité modélisées en fonction des coefficients d’activité expérimentale. Idéalement, les coefficients d’activité modélisées et expérimentales tomberait le long y égal à x ligne. Comme vous pouvez le voir en général, les valeurs modélisées et expérimentales monter le long de cette ligne qui montre que le modèle est un bon choix pour le système réel.

Comprendre et de manipuler l’équilibre liquide-vapeur des mélanges sont une composante essentielle d’un éventail de processus particulier de séparations. Colonnes de distillation de séparer les mélanges basés sur leur volatilité avec des compositions différentes de chaque composante dans les phrases de liquide et vapeur sur chaque plateau. Le composant plus volatil est vaporisé et recueilli dans la partie supérieure de la colonne, tandis que les moins composant volatil reste liquide et est recueillie en bas. VLE données des composants du mélange sont utilisées pour déterminer le nombre de bacs nécessaires pour réaliser la séparation d’une colonne de distillation. Cela permet aux ingénieurs optimiser le processus de séparation tout en gardant les faibles coûts de fonctionnement. Une autre technique de séparation précieux à l’aide de VLE est séparation flash. Séparation de flash est basée sur le fait qu’un liquide à une pression égale ou supérieure à sa bulle point pression clignote en ce sens qu’elle s’évapore partiellement quand la pression est réduite. L’alimentation est préchauffée ainsi composé de certains liquides et certains vapeur en équilibre. Elle traverse ensuite un détendeur dans le séparateur. Le degré d’évaporation et, par conséquent, la quantité de soluté dans la vapeur ou les phases liquides dépendent de l’état initial du flux stream.

Vous avez juste regardé introduction de Jove d’équilibre de vapeur-liquide. Vous devez maintenant comprendre les concepts sous-jacents VLE, comment il est mesuré en laboratoire et certaines de ses utilisations dans les processus d’ingénierie. Merci de regarder.

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