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Chemical Engineering
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Vapor-liquid Equilibrium
  • 00:07Visão Geral
  • 01:36Principles of Vapor-liquid Equilibrium
  • 05:15Priming the VLE System
  • 06:00Running VLE Experiments
  • 07:52Resultados
  • 09:33Applications
  • 11:09Summary

Equilibrio vapor-líquido

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Visão Geral

Fuente: Michael G. Benton y Kerry M. Dooley, Departamento de ingeniería química, Universidad Estatal de Louisiana, Baton Rouge, LA

Equilibrio vapor-líquido es de suma importancia en aplicaciones tales como destilación, modelado ambiental y proceso general de diseño de ingeniería. Comprensión de las interacciones de los componentes en una mezcla es muy importante en el diseño, operación y análisis de tales separadores. El coeficiente de actividad es una excelente herramienta para relacionarse con las interacciones moleculares a la composición de la mezcla. Encontrar los parámetros de interacción molecular permite la futura predicción de los coeficientes de actividad para una mezcla utilizando un modelo.

Equilibrio vapor-líquido es un factor crítico en los procesos comunes en la industria química, como la destilación. La destilación es el proceso de separación de líquidos por su punto de ebullición. Una mezcla líquida es introducida en una unidad de destilación o columna, entonces hervida. Datos de equilibrio vapor-líquido están útiles para determinantes cómo líquidas las mezclas se separan. Porque los líquidos tienen puntos de ebullición diferentes, un líquido hierva en un vapor y subida en la columna, mientras que el otro se quede como un líquido y drenar a través de la unidad. El proceso es muy importante en una variedad de industrias.

En este experimento, se obtiene los coeficientes de actividad de mezclas de varias composiciones de metanol, isopropanol y agua desionizada utilizando un aparato de equilibrio vapor-líquido y cromatógrafo de gases. Además, los parámetros de interacción binaria del sistema se determinará mediante la ecuación de Wilson y los coeficientes de actividad.

Princípios

Equilibrio vapor-líquido es un estado en que existe un componente puro o una mezcla de fases líquido y vapor, con equilibrio mecánico y térmico y no hay transferencia neta de masa entre las dos fases. Vapor y líquido se separan por gravedad y el calor (Figura 1). La mezcla líquida se introduce en el sistema, que se pone en un estado de vacío con una bomba de vacío. El vapor es condensado y vuelto a mezclar con el líquido, que luego se pasa a la cámara de ebullición. Diferencias en los resultados de punto de ebullición en cierta separación de la mezcla. El punto de ebullición del agua es mayor que el de los componentes añadidos, por lo que los componentes volátiles puedan evaporarse.

Figure 1
Figura 1: Una representación del aparato

Un 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. Fugacidad es una propiedad que se utiliza para mostrar las diferencias entre los potenciales químicos en Estados estándar. Vapor fase fugacities pueden expresarse en términos de un coeficiente de fugacidad [φ: fV = φ y f0V ], y con = fracción mol de i en la fase de vapor y f0V = el estándar de vapor fugacidad de estado (la fugacidad del vapor del componente puro a T y P). Para bajas presiones, como en este experimento, φ = 1 y f0V = P. líquido fugacities fase pueden expresarse en términos de una actividad coeficiente γ: fL = γi x f 0 L , x = fracción mol de i en la fase líquida y f0 L = la fugacidad del líquido estado estándar.

A la presión de saturación (Ps) de esta, la fugacidad de componente puro líquido sería Pis, porque el puro vapor y el líquido están en equilibrio. Fugacities líquidos son sólo débiles funciones de presión, podemos aproximamos la fugacidad del líquido de componente puro en T y P (fL 0) Ps, como la diferencia entre Ps y P no es grande. Esta aproximación se denomina generalmente “descuidar la corrección de Poynting”. Si experimentadores utilizan un aparato VLE para medir las composiciones del vapor y líquido en equilibrio, los experimentadores pueden calcular directamente los coeficientes de actividad a medida también P y T. T debe ser medido para determinar PS para todos i.

El corazón del dispositivo VLE, utilizado en este experimento para determinar las composiciones de las mezclas, es una bomba Cottrell que “escupe” líquido hirviendo en un compartimiento bien aislados y de equilibrio. Dos válvulas de muestreo operado magnéticamente permiten retiro de muestras de líquidos y condensados del vapor. Un reservorio grande ayuda a amortiguar los pulsos de presión en el sistema como los interruptores de la válvula de control de encendido-apagado y de las fluctuaciones causadas por la bomba Cottrell. Una fuga lenta puede utilizarse para crear un equilibrio entre la tasa de retiro de aire y la tasa de entrada de aire para mantener una presión constante, si es necesario.

Manera comparable a resolver para el equilibrio vapor-líquido es utilizar una variedad de modelos. Ley Raoult, Ley de Dalton y ley de Henry son todos teóricos modelos que pueden encontrar los datos de concentración de equilibrio vapor-líquido. Los tres modelos están relacionados con la proporcionalidad de la presiones parciales, presión total y fracciones mol de las sustancias. Ecuación de Wilson ha demostrado para ser precisa para líquidos miscibles, mientras que no siendo demasiado complejo. Además, el modelo de Wilson incorpora coeficientes de actividad para tener en cuenta la desviación con respecto a valores ideales.

Procedimento

1. el sistema de cebado Ventile el sistema de VLE usando la válvula de 3 vías de control de ventilación montada en el bastidor del aparato y (si es necesario) drenando líquido fuera del sistema en un frasco de residuos. Retirar los tubos de muestra y vuelva a colocar con tubos limpios (si es necesario). El líquido se drene completamente fuera del sistema. Para la primera serie de experimentos, rellenar a través de la válvula de entrada con una mezcla de aproximadamente (vol %) 50% metanol, isopropanol al 30% y 20% de agua. Para la segunda semana, vuelva a llenar con aproximadamente 25% metanol, isopropanol al 45% y 30% de agua. Para la tercera semana, rellene con cualquier líquido tendrá que repetir. La capacidad total de líquido es aproximadamente de 130 cm3. Llene con líquido justo por debajo del punto donde la bomba Cottrell se intersecta con la chaqueta del vacío. Demasiado poco líquido hará que el sistema se requieren muy altas tasas de ebullición para obtener suficiente líquido para “escupir” (cuando el líquido sale al hervir intensamente). Utilizar un vaso de precipitados y vierta el líquido en el puerto de adición en la parte superior de la cámara de equilibrio. Cerrar el puerto. Compruebe la presión barométrica con el manómetro de mercurio en la pared. Ajusta el “cero” en el calibrador de presión digital para igualar (si es necesario). Cambiar la válvula de tres vías de salida al “control” y poner en marcha la bomba de vacío y regulador de la presión. Abrir la válvula de gas en el regulador de presión de varias vueltas y observar la presión de la gota rápidamente. Vigilar la presión en el calibrador de presión digital. Establecer el control presión-punto de ajuste en el regulador de presión para obtener ~ 700 mm Hg. escuche clic de la válvula de control. Una vez alcanzado el punto de control, el ruido de la bomba de vacío, será auditivamente diferente. En este punto, con la válvula del acelerador abierto varias vueltas, cada vez que se abre la válvula de control, exceso de aire se vuelca a la bomba de vacío y la presión se sumerge por debajo de 700 mm antes de recuperarse poco a poco. Cerrar la válvula del acelerador completamente, luego abra acerca de 1/2 vuelta. Espere a que la válvula de control comenzar a hacer clic en nuevo, luego cierre la válvula de válvula reguladora en pequeños incrementos hasta que la presión fluctúa sólo ~0.5 mmHg o menos cuando la válvula está abierta. Realizar ajustes menores en el punto de control o la válvula de escape como sea necesario para mantener muy cerca de 700 mmHg. Una vez que la mezcla esté dentro de ± 10 mmHg de 700 mmHg, encienda el calentador, calefacción manto electricidad, agua de condensador y agitador magnético. Probar la potencia del calentador de 25-30% y el 1.5-2 vueltas manto poder para iniciar. El aparato requiere 20 minutos o menos un equilibrio de enfoque. Mantener regulación de la presión durante este tiempo. 2. ejecución del experimento Al hervir, la bomba Cottrell empezará a escupir el líquido y se aprecia líquido gotea hacia la cámara de ebullición. Vapor condensado se necesita más tiempo para aparecer. Cuando se alcanza el equilibrio, los experimentadores ver constantes gotas de vapor condensado (2 – 3 gotas/s.) y líquido (2 – 3 gotas/s.). La temperatura debe ser estable a ± 0,03 º c y la presión debe ser estable a 700.0 ± 0.5 mmHg. Cuando estas condiciones se han establecido para al menos 2 minutos (o menos), se alcanza el equilibrio. Abra las válvulas magnéticas (marcadas “1” y “2” en el controlador) 4 o 5 veces cada uno durante el tiempo suficiente para recoger sobre 0,5 cm3 de líquido en cada tubo de muestra y cerrar los tubos. Si una válvula no responde a su botón, trate de mover el interruptor de alimentación para el controlador luego en. Esta primera muestra se utiliza para lavar los tubos y el sistema de entrega y se descartarán. Lavado sustituye cualquier producto químico restante en los lados de los tubos con el mismo químico que está siendo muestreado, por lo que no afectará a la composición de la prueba. Momentáneamente Desconecte la alimentación al calentador, esperar 30 s para la cocción desaparecen, y luego ventile el sistema con la válvula de 3 vías de control de ventilación. Retirar los tubos de muestra, agitar varias veces y luego volcar en el recipiente de residuos. Vuelva a colocar los tubos de muestras en el sistema, gire la válvula de ventilación atrás para “controlar”, gire el poder volver a la estufa y esperar a equilibrio ser restablecido. Esto sólo tomará unos pocos minutos si el aparato no enfría. Cuando el equilibrio se restablece, se puede observar una ligera diferencia en la temperatura. Esto puede ser debido a una perturbación leve de la composición total por muestreo. Una vez restablecido el equilibrio, tomar dos nuevas muestras. Tienen dos frascos etiquetados con nuevos tabiques listos. ~0.5 cm3 muestras en cada tubo, apague el calentador, ventilaci6n el sistema, retirar los tubos de muestra y verter en los frascos. Tape los frascos y reemplace los tubos de muestras con tubos limpios si es necesario. Al análisis de las muestras, preparar una nueva muestra. Escurrir el ~ 15 cm3 de líquido en un vaso de precipitados o matraz. Añadir ~ 20 cm3 de metanol puro o metanol/isopropanol al 50/50 a través del puerto de la muestra. Esto le dará una nueva composición general. Asegúrese de que los tubos de muestras están totalmente vacíos, luego cerrar el sistema, la válvula de respiradero del interruptor “control” y vuelva a encender el calentador. Si se trabaja rápidamente, equilibrio nuevo establecerá rápidamente. Tenga en cuenta que debe existir una diferencia de temperatura de la muestra anterior. Repita el equilibrado y procedimiento de muestreo antes, recordar tomar una muestra para lavar y luego tomar la muestra final. Continúan los experimentos mediante la adición de componentes. Doce puntos son suficientes para determinar los coeficientes de actividad y (aproximadamente) los coeficientes de interacción binarios. 3. Apagar el sistema Apague los calentadores. Cuando el aparato comienza a enfriar, apague el agitador y condensador de agua. Devolver el sistema a la presión atmosférica; Ajuste el regulador > 1020 mbar, cierre la válvula del acelerador, coloque la válvula de tres vías para ventilar y abrir la válvula en el tanque. Una vez alcanzada la presión atmosférica, apague la bomba. Drenar el líquido del depósito hasta alcanzar el nivel de la válvula, pero dejar el resto del líquido en el depósito. Cierre la válvula de 3 vías. 4. Análisis Regresión no lineal y una cantidad estándar de función objetivo residuos cuadrados, utilizar los coeficientes de actividad calculados a partir de los datos en bruto a retroceder las 6 constantes para la ecuación de Wilson ternaria (abajo), para este sistema. Evaluar la calidad del ajuste por métodos gráficos y computación las desviaciones relativas porcentajes promedio (APRD), que media caben errores x 100. Convergen en los verdaderos valores óptimos de varias diversas direcciones en el espacio del parámetro de respuesta mediante el uso de un método factorial para la conjetura inicial. Calcular la precisión de las mediciones de GC suficientemente replicando una muestra del GC para determinar precisiones relativas según la estadística t y uso las precisiones para determinar si debe aceptar / rechazar una determinada medición de GC por apropiado prueba de hipótesis. Comparar la Precision relativa de la medición de GC a las APRDs y discutir. También reporte el Precision absoluta de los manómetros de presión y temperatura – determinar estos una vez al día.

Resultados

The activity coefficients of the data do not show significant deviations from a mean value for each component (Table 1). This is as expected because for intermediate component compositions there are not large variations. However, components near 1 have γ's near 1. Low composition components have high γ's. Components highest in concentration in a mixture which will have a reduced deviation, therefore it will be closer to ideal (γ = 1). Components with lower concentrations in a mixture will have higher deviations, so their γ's will be greater than 1.

Table 1

Table 1: Results of each sampling of the experimental data.

The data were fit to Wilson model parameters and the coefficients were calculated (Table 2). A simple reduction in the sum of squared residuals between experimental and Wilson equation (1) activity coefficients was used. This was achieved using Excel's solver function. The parity plot shown relates the Wilson's Equation model activity coefficients to the experimentally found activity coefficients. The experimental activity coefficients were calculated and graphically compared to the calculated model coefficients.

Table 2

Table 2: Results of fitting the data to the Wilson model parameters.

Equation 1 (1)

The parameter values found were the best fit (Table 3). Ideally the correlation is along the y=x line; however, a significant correlation resembling the ideal scenario was found (Figure 2). The activity coefficients of the data did not show significant deviations from a mean value for each component, as expected. A reduction in the sum of squared residuals between experimental and Wilson equation activity coefficients was used with Excel's solver function. The parity plot relates the Wilson's Equation model activity coefficients to the experimentally found activity coefficients.

Table 3

Table 3: Model parameters with water (a), MeOH (b), and IPA (c). The experimental values are compared to expected values.

Figure 2
Figure 2: Depiction of the correlation between the experimental activity coefficients and the model activity coefficients.

Applications and Summary

This experiment demonstrated the equilibration of methanol – isopropanol – water vapor-liquid mixtures at a constant P = 700 mm Hg and how to measure temperature and composition and calculate activity coefficients. The activity coefficients of the data did not significantly deviate from a mean value for each component, as expected. A reduction in the sum of squared residuals between experimental and Wilson equation activity coefficients was used with Excel's solver function. The parity plot relates the Wilson's Equation model activity coefficients to the experimentally found activity coefficients.

In the petroleum industry, distillation is the primary process for separation of petroleum products. Many oil refineries use distillation for crude oil1. Light hydrocarbons are separated from heavier particles, separating based on boiling points1. Heavy materials like gas oils collect in the lower plates, while light materials like propane and butane rise up1. Hydrocarbons, such as gasoline, jet, and diesel fuels, are separated1. This process is often repeated many times to fully separate and refine the products1. Refineries run these processes at steady state, constantly creating new products at maximum capacity, so efficiency is key1. Chemical engineers working on these processes focus on optimizing the efficiency of the production1.

Tray distillation columns are also used to separate a variety of chemical products. Ethanol is one such product. Through closely related processes, a variety of products such as fuel-grade ethanol, beer, and liquor can all be distilled2. Specific amounts of alcohol can be separated from water in order to create a specific proof2. This process is limited to reducing the percentage of water in the product, but cannot completely eliminate it2. In order to remove water completely, azeotropic distillation is required, which uses extractor chemicals to separate water from ethanol2.

Referências

  1. About the Refinery." Processing & Refining Crude Oil. Chevron.com, n.d. Web. 17 Nov. 2016.
  2. Madson, PW. Ethanol Distillation: The Fundamentals. Cincinnati: Katzen International, n.d. Print. Accessed from Web. 01 Oct. 2016.

Transcrição

Understanding the distribution of chemical components in both the vapor and liquid phase, called vapor-liquid equilibrium is essential to the design, operation, and analysis of many engineering processes. Vapor-liquid equilibrium or VLE is a state at which a pure component or mixture exists in both the liquid and vapor phases. The phases are at equilibrium meaning that there were no changes in the macroscopic properties of the system over time. Single component VLE is simple to visualize. Take for example water which is at equilibrium in the vapor and liquid phase at 100 degrees Celsius and one atm. Above this temperature water is a vapor. Below it, water is a liquid. However, engineers generally encounter processes with mixtures in equilibrium making the analysis of VLE more complex and therefore essential to process design. This video will illustrate the principles behind vapor-liquid equilibrium of mixtures and demonstrate how to analyze the VLE of a mixture in the laboratory. Finally, some applications of VLE in the chemical engineering field will be introduced.

When a heated mixture is in a vapor-liquid equilibrium, the vapor and liquid phases generally do not have the same composition. The substance with the lower boiling point will have a higher concentration in the vapor than the substance with the higher boiling point. Thus, engineers refer to components in each phase by their mole fraction where xi is the mole fraction of species i in the liquid and yi is the mole fraction of species i in the vapor phase. This relationship is often depicted using an xy curve like the one shown here for a mixture of two components which illustrates the relationship between each component in each phase. A starting point for all VLE calculations is the simple equilibrium criterion where the fugacity of the species in the vapor equals the fugacity of the species in the liquid. Fugacity is a property related to the exponential difference between the real and ideal gas Gibbs energies. The vapor phase fugacity is equal to the mole fraction of species i in the vapor phase times the pure component vapor fugacity. The expression can be simplified as the pure component vapor fugacity is approximately equal to pressure at low pressure. Liquid phase fugacities are expressed in terms of an activity coefficient, gamma. The activity coefficient is defined as the ratio of a component’s fugacity in an actual mixture to the fugacity of an ideal solution of the same composition. At the saturation vapor pressure the pure component liquid fugacity would equal the saturation vapor pressure because the pure vapor and liquid are in equilibrium there. Finally, since the liquid and vapor fugacities are equal, we can further simplify the relationship as shown which is also known as Raoult’s law. The saturation vapor pressure is often calculated using the Antoine equation where the constants A, B, and C are species-specific and can be found in the literature. Thus, if we measure the compositions of the vapor and liquid which are in equilibrium, we can directly calculate the activity coefficients by measuring temperature and pressure and therefore the saturation vapor pressure. In this experiment a ternary mixture of methanol, isopropyl alcohol and water will be investigated. Various compositions of the mixture are boiled in a VLE apparatus and the lower boiling point components vaporize and are collected in a separate container while the liquid gathers back into the initial sample vessel. Once equilibrium is reached, the liquid and condensed vapor fractions are collected and analyzed with gas chromatography. Using temperature and the liquid and vapor mole fractions the activity coefficients can be calculated. Now that you’ve been introduced to the concepts of VLE and the testing apparatus, let’s see how to carry out the experiment in the laboratory.

To start, drain any liquid out of the system into a waste flask. Keep in mind that the liquid may not completely drain. For the first run add a mixture of 50% methanol, 30% IPA and 20% water through the opening at the top. After filling the mixture, turn on the heater power and condenser water. The apparatus will require roughly 20 minutes to approach equilibrium. The system is now ready to begin the experiment.

When the sample begins boiling, release the stopper to vent the inert outlet of the system. Condensed vapor will start collecting. When equilibrium is reached, steady drips of condensed vapor and returns liquid should be observed. With the temperature stable to within 0.3 degrees for 10 minutes, collect about 1/2 milliliter of liquid in sample vials from both the condensed vapor and the boiling liquid. Drain the condensed vapor from the last sample. Then add a new sample consisting of either 20 milliliters of pure methanol or 50-50 methanol-isopropanol through the sample port. This will give a new overall composition. Reestablish the equilibrium as performed before, however expect a temperature difference from the previous sample. Repeat the equilibration and sampling procedure as before, and then collect the sample to be analyzed. Continue the experiment using different mixtures of the three components. 12 points are sufficient to determine the activity coefficients and the binary interaction coefficients. When all the mixtures have been run, shut down the system by turning off the heaters. When the apparatus begins to cool, shut off the condenser water. Finally measure the composition of each liquid and vapor sample with the gas chromatograph or GC.

Using the system temperature and the liquid and vapor mole fractions acquired from GC, calculate the activity coefficients. This first requires that the saturation pressure is calculated using the Antoine equation where the constants A, B and C for each component can be found in the literature. Now we can use the calculated activity coefficients to correlate the data to a model. We will use the Wilson equation for a ternary mixture which accounts for deviations from ideality in a mixture. The nine lambda constants are the Wilson constants which equal one when i equals j. For each ij pair, there are two different constants. Use a nonlinear regression and a standard sum of squares residual function to determine the six remaining Wilson constants using the mole fraction data from the experiment. The Wilson constants are then used to determine the expected activity coefficients for each component of each sample. Here we show the modeled activity coefficient plotted against the experimental activity coefficients. Ideally, the modeled and experimental activity coefficients would fall along the y equals x line. As you can see in general, the modeled and experimental values fit along this line showing that the model is a good fit to the real system.

Understanding and manipulating the vapor-liquid equilibrium of mixtures is a vital component to a range of processes especially separations. Distillation columns separate mixtures based on their volatility with different compositions of each component in the liquid and vapor phrases on each tray. The more volatile component is vaporized and collected at the top of the column, while the less volatile component remains liquid and is collected at the bottom. VLE data of the components of the mixture is used to determine the number of trays needed to achieve separation in a distillation column. This helps engineers optimize the separation process while keeping operating costs low. Another valuable separation technique using VLE is flash separation. Flash separation is based on the fact that a liquid at a pressure equal to or greater than its bubble point pressure flashes meaning that it partially evaporates when the pressure is reduced. The feed is preheated thus consisting of some liquid and some vapor in equilibrium. It then flows through a pressure reducing valve into the separator. The degree of vaporization and therefore the amount of the solute in the vapor or liquid phases depends on the initial state of the feed stream.

You’ve just watched Jove’s introduction to vapor-liquid equilibrium. You should now understand the concepts behind VLE, how it’s measured in the laboratory, and some of its uses in engineering processes. Thanks for watching.

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JoVE Science Education Database. JoVE Science Education. Vapor-liquid Equilibrium. JoVE, Cambridge, MA, (2023).