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Chemical Engineering

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Equilibrio vapor-líquido

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Comprensión de la distribución de componentes químicos en la fase líquida y vapor, llamada del equilibrio vapor-líquido es esencial para el diseño, operación y análisis de muchos procesos de ingeniería. Equilibrio vapor-líquido o VLE es un estado en el que existe un componente puro o mezcla en las fases del líquido y el vapor. Las fases están en equilibrio significa que no hubo cambios en las propiedades macroscópicas del sistema con el tiempo. Solo componente VLE es fácil de visualizar. Tomemos por ejemplo el agua que se encuentra en equilibrio en el vapor y la fase líquida a 100 º c y una ATM por encima de esta temperatura de agua es un vapor. A continuación, el agua es un líquido. Sin embargo, los ingenieros generalmente encontrarán procesos con mezclas en equilibrio haciendo los análisis de entorno virtual de aprendizaje más complejos y por lo tanto esencial para el diseño de procesos. Este video se ilustran los principios del equilibrio líquido-vapor de mezclas y demostrar cómo analizar el equilibrio líquido-vapor de una mezcla en el laboratorio. Por último, se introducirán algunas aplicaciones de VLE en el campo de la ingeniería química.

Cuando una mezcla calentada en un equilibrio del vapor-líquido, las fases vapor y líquido generalmente no tienen la misma composición. La sustancia con menor punto de ebullición tendrá una mayor concentración en el vapor de la sustancia con el mayor punto de ebullición. Así, ingenieros se refieren a componentes en 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 es representada mediante una curva xy como se muestra aquí de una mezcla de dos componentes que ilustra la relación entre cada componente en cada fase. Punto de partida para todos los cálculos de VLE es el criterio de equilibrio simple donde la fugacidad de la especie en el vapor es igual a la fugacidad de la especie en el líquido. Fugacidad es una propiedad relacionada con la exponencial diferencia entre gas ideal y real las energías de Gibbs. La fase de vapor fugacidad es igual a la fracción molar de la especie i en la fase de vapor veces la fugacidad de vapor del componente puro. La expresión puede simplificarse como la fugacidad de vapor del componente puro es aproximadamente igual a la presión a baja presión. Fugacities fase líquida se expresan en términos de un coeficiente de actividad gamma. El coeficiente de actividad se define como el cociente de la fugacidad de un componente en una mezcla real a la fugacidad de una solución ideal de la misma composición. En la presión de vapor de saturación la fugacidad de componente puro líquido sería igual a la presión de vapor de saturación porque el puro vapor y el líquido están en equilibrio allí. Finalmente, puesto que el líquido y el vapor fugacities son iguales, nos podemos simplificar aún más la relación como se muestra que también es conocida 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 propios de cada especie y pueden encontrarse en la literatura. Así, si medimos las composiciones del vapor y líquido en equilibrio, directamente podemos calcular los coeficientes de actividad mediante la medición de temperatura y presión y por lo tanto la presión de vapor de saturación. En este experimento se investigarán una mezcla ternaria de metanol, alcohol isopropílico y agua. Varias composiciones de la mezcla se hierven en un aparato VLE y los componentes de punto de ebullición más bajos se vaporizan y se recogen en un recipiente separado mientras que recoge el líquido en el recipiente de la muestra inicial. Una vez que se alcanza el equilibrio, las fracciones de líquidos y condensados del vapor son recogidas y analizadas con cromatografía de gases. Usando fracciones de topo de temperatura y el líquido y el vapor se pueden calcular los coeficientes de actividad. Ahora que usted ha introducido a los conceptos de VLE y el aparato de prueba, vamos a ver cómo llevar a cabo el experimento en el laboratorio.

Para empezar, drene cualquier líquido fuera del sistema en un frasco de residuos. Tenga en cuenta que el líquido no puede drenar completamente. Para la primera carrera añadir una mezcla de metanol 50%, 30% IPA y 20% de agua a través de la abertura en la parte superior. Después de llenar la mezcla, encienda el calentador de agua eléctrico y condensador. El aparato requerirá aproximadamente 20 minutos de equilibrio de enfoque. El sistema está ahora listo para comenzar el experimento.

Cuando la muestra comience hervir, liberar el tapón para la salida de inerte del sistema de ventilación. Vapor condensado empezará a recoger. Cuando se alcanza el equilibrio, constante gotea de vapor condensado y vuelve líquido debe ser observado. Con la temperatura estable dentro de 0,3 grados por 10 minutos, recoger aproximadamente 1/2 mililitro del líquido en cubetas desde el vapor condensado y el líquido hirviendo. Drenar el vapor condensado de la última muestra. Luego añadir una nueva muestra de cada 20 ml de metanol puro o metanol-isopropanol al 50-50 a través del puerto de la muestra. Esto le dará una nueva composición general. Restablecer el equilibrio como antes, sin embargo espera una diferencia de temperatura de la muestra anterior. Repita el equilibrado y muestreo procedimiento como antes y luego recoger la muestra a analizar. Continuar el experimento utilizando diferentes mezclas de los tres componentes. 12 puntos son suficientes para determinar los coeficientes de actividad y los coeficientes de interacción binarios. Cuando las mezclas se han ejecutado, apagar el sistema al apagar los calentadores. Cuando el aparato comienza a enfriar, corta el agua del condensador. Finalmente medir la composición de cada muestra de líquido y vapor con la cromatografía de gas o GC.

La temperatura del sistema y las fracciones de mole líquido y el vapor de GC, calcular los coeficientes de actividad. Esto requiere primero que la presión de saturación se calcula usando la ecuación de Antoine donde las constantes A, B y C para cada componente se pueden encontrar en la literatura. Ahora podemos utilizar los coeficientes de actividad calculados para correlacionar los datos a un modelo. Utilizaremos la ecuación de Wilson para una mezcla ternaria que representa las desviaciones de la idealidad en una mezcla. Las constantes de nueve lambda son las constantes de Wilson que igual uno cuando es igual a j. Para cada par de ij, hay dos constantes diferentes. Utilizar una regresión no lineal y una cantidad estándar de función residual de cuadrados para determinar las seis constantes de Wilson restantes utilizando los datos de fracción del topo del experimento. Las constantes de Wilson entonces se utilizan para determinar los coeficientes de actividad esperado para cada componente de cada muestra. A continuación os mostramos el coeficiente de actividad modelada conspiraron contra los coeficientes de actividad experimental. Idealmente, los coeficientes de actividad experimental y modelado bajaría a lo largo de la y es igual a x línea. Como se puede ver en general, los valores experimentales y modelados se ajuste a lo largo de esta línea, que demuestra que el modelo es un buen ajuste para el sistema real.

Comprender y manipular el equilibrio líquido-vapor de mezclas es un componente vital de una amplia gama de procesos especialmente de separaciones. Columnas de destilación separar mezclas basados en su volatilidad con diferentes composiciones de cada componente en las frases de líquido y vapor en cada bandeja. El componente más volátil es vaporizado y recogido en la parte superior de la columna, mientras que el menos volátil componente sigue siendo líquido y se recoge en la parte inferior. 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, manteniendo los costos bajos de operación. Otra técnica de separación valiosos mediante VLE es la separación flash. Separación flash está basado en el hecho de que un líquido a una presión igual o mayor que su burbuja punto presión parpadea significa que parcialmente se evapora cuando la presión se reduce. La alimentación se precalienta así que consiste en un líquido y un vapor en equilibrio. Luego fluye a través de una válvula manorreductora en el separador. El grado de vaporización y por lo tanto la cantidad de soluto en el vapor o líquidas fases dependen del estado inicial de la corriente de alimentación.

Sólo ha visto introducción de Zeus al equilibrio vapor-líquido. Ahora usted debe entender los conceptos detrás de VLE, cómo se mide en el laboratorio y algunos de sus usos en procesos de ingeniería. Gracias por ver.

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