JoVE Science Education
Chemical Engineering
This content is Free Access.
JoVE Science Education Chemical Engineering
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 vapore-liquido

English

COMPARTILHAR

Visão Geral

Fonte: Michael G. Benton e Kerry M. Dooley,Dipartimento di Ingegneria Chimica, Louisiana State University, Baton Rouge, LA

L’equilibrio vapore-liquido è fondamentale nelle applicazioni ingegneristiche come la distillazione, la modellazione ambientale e la progettazione generale dei processi. Comprendere le interazioni dei componenti in una miscela è molto importante nella progettazione, nel funzionamento e nell’analisi di tali separatori. Il coefficiente di attività è uno strumento eccellente per mettere in relazione le interazioni molecolari con la composizione della miscela. La ricerca dei parametri di interazione molecolare consente una previsione futura dei coefficienti di attività per una miscela utilizzando un modello.

L’equilibrio vapore-liquido è un fattore critico nei processi comuni nell’industria chimica, come la distillazione. La distillazione è il processo di separazione dei liquidi dal loro punto di ebollizione. Una miscela liquida viene alimentata in un’unità o colonna di distillazione, quindi bollita. I dati di equilibrio vapore-liquido sono utili per determinare come le miscele liquide si separeranno. Poiché i liquidi hanno diversi punti di ebollizione, un liquido bolle in un vapore e sale nella colonna, mentre l’altro rimarrà come liquido e drenerà attraverso l’unità. Il processo è molto importante in una varietà di settori.

In questo esperimento, i coefficienti di attività di miscele di varie composizioni di metanolo, isopropanolo e acqua deionizzata saranno ottenuti utilizzando un apparato di equilibrio vapore-liquido e gascromatografo. Inoltre, i parametri di interazione binaria del sistema saranno determinati utilizzando l’equazione di Wilson e i coefficienti di attività.

Princípios

L’equilibrio vapore-liquido è uno stato in cui esiste un componente o una miscela pura in fase liquida e vapore, con equilibrio meccanico e termico e nessun trasferimento di massa netta tra le due fasi. Vapore e liquido sono separati dalla gravità e dal calore (Figura 1). La miscela liquida viene inserita nel sistema, che viene messo in uno stato di vuoto con una pompa per vuoto. Il vapore viene condensato e restituito per mescolarsi con il liquido, che viene quindi riportato alla camera di ebollizione. Le differenze nel punto di ebollizione provocano una certa separazione della miscela. Il punto di ebollizione dell’acqua è superiore a quello dei componenti aggiunti, quindi i componenti volatili iniziano ad evaporare.

Figure 1
Figura 1: Una rappresentazione dell’apparato

Un coefficiente di attività è definito come il rapporto tra la fugacità di un componente in una miscela reale e la fugacità di una soluzione ideale della stessa composizione. La fugacità è una proprietà utilizzata per mostrare le differenze tra i potenziali chimici a stati standard. Le fugacità in fase vapore possono essere espresse in termini di coefficiente di fugacità [φ: fiV = φi yi fi0V ], con yi = frazione mol di i nella fase vapore, e fi0V = fugacità allo stato standard del vapore (la fugacità del vapore componente puro a T e P). Per le basse pressioni, come in questo esperimento, φi = 1 e fi0V = P. Le fugacità in fase liquida possono essere espresse in termini di coefficiente di attività γi: fiL = γi xi fi0L , con xi = frazione mol di i nella fase liquida e fi0L = fugacità allo stato standard liquido.

Alla pressione di saturazione (Pis) di questo T, la fugacità liquida della componente pura sarebbe Pis, perché il vapore puro e il liquido sono in equilibrio. Poiché le fugacità liquide sono solo funzioni deboli di pressione, possiamo approssimare la fugacità liquida della componente pura a T e P (fi0L) come Pis, purché la differenza tra Pis e P non sia grande. Questa approssimazione è solitamente chiamata “trascurare la correzione di Poynting”. Se gli sperimentatori usano un apparecchio VLE per misurare le composizioni del vapore e del liquido che sono in equilibrio, gli sperimentatori possono calcolare direttamente i coefficienti di attività forniti per misurare anche P e T. T deve essere misurato per determinare PiS per tutti i.

Il cuore del dispositivo VLE, utilizzato in questo esperimento per determinare le composizioni delle miscele, è una pompa Cottrell che “sputa” liquido bollente in una camera di equilibrio ben isolata. Due valvole di campionamento ad azionamento magnetico consentono il prelievo di campioni di vapore liquido e condensato. Un grande serbatoio aiuta a smorzare gli impulsi di pressione nel sistema mentre la valvola di controllo on-off cambia e dalle fluttuazioni causate dalla pompa Cottrell. Una perdita lenta può essere utilizzata per creare un equilibrio tra la velocità di prelievo dell’aria e la velocità di ingresso dell’aria per mantenere una pressione costante, se necessario.

Un modo comparabile per risolvere l’equilibrio vapore-liquido è quello di utilizzare una varietà di modelli. La legge di Raoult, la legge di Dalton e la legge di Henry sono tutti modelli teorici che possono trovare i dati di concentrazione di equilibrio vapore-liquido. Tutti e tre i modelli sono correlati alla proporzionalità delle pressioni parziali, della pressione totale e delle frazioni moli delle sostanze. L’equazione di Wilson ha dimostrato di essere accurata per i liquidi miscibili, pur non essendo eccessivamente complessa. Inoltre, il modello di Wilson incorpora coefficienti di attività per tenere conto della deviazione dai valori ideali.

Procedimento

1. Innesco del sistema Sfiatare il sistema VLE utilizzando la valvola a 3 vie di sfiato/controllo montata sul telaio dell’apparecchio e (se necessario) drenando il liquido dal sistema in un pallone di scarico. Rimuovere le provette campione e sostituirle con provette pulite (se necessario). Il liquido non scaricherà completamente dal sistema. Per la prima serie di esperimenti, riempire attraverso la valvola di ingresso con una miscela di circa (vol%) 50% metanolo, 30% isopropanolo e 20% acqua. Per la seconda settimana, riempire con circa il 25% di metanolo, il 45% di isopropanolo e il 30% di acqua. Per la terza settimana, riempi con qualsiasi liquido che devi ripetere. La capacità totale del liquido è di circa 130 cm3. Riempire di liquido appena sotto il punto in cui la pompa Cottrell si interseca con la camicia del vuoto. Troppo poco liquido farà sì che il sistema richieda tassi di ebollizione molto elevati per ottenere abbastanza liquido da “sputare” (quando il liquido scoppia mentre bolle intensamente). Utilizzare un becher e versare il liquido nella porta di addizione nella parte superiore della camera di equilibrio. Chiudere la porta. Controllare la pressione barometrica con il manometro a mercurio sulla parete. Regolare lo “zero” sul manometro digitale in modo che corrisponda (se necessario). Commutare la valvola di sfiato a tre vie per “controllare” e avviare la pompa per vuoto e il regolatore di pressione. Aprire la valvola a farfalla sul regolatore di pressione a diversi giri e osservare la pressione scendere rapidamente. Guarda la pressione sul manometro digitale. Impostare il set-point della pressione di controllo sul regolatore di pressione per ottenere ~ 700 mm Hg. Ascoltare per fare clic sulla valvola di controllo. Una volta raggiunto il punto di controllo, il rumore della pompa per vuoto sarà udibilmente diverso. A questo punto, con la valvola a farfalla aperta a più giri, ogni volta che la valvola di controllo si apre, troppa aria viene scaricata nella pompa per vuoto e la pressione scende sotto i 700 mm prima di riprendersi lentamente. Chiudere completamente la valvola a farfalla, quindi aprirla per circa 1/2 giro. Attendere che la valvola di controllo inizi a fare clic di nuovo, quindi chiudere la valvola a farfalla con piccoli incrementi fino a quando la pressione fluttua solo ~ 0,5 mmHg o meno quando la valvola è aperta. Apportare piccole regolazioni al punto di controllo o alla valvola di tenuta, se necessario, per mantenere molto vicino a 700 mmHg. Una volta che la miscela è entro ±10 mmHg di 700 mmHg, accendere la potenza del riscaldatore, la potenza del mantello di riscaldamento, l’acqua del condensatore e l’agitatore magnetico. Prova il 25-30% di potenza del riscaldatore e l’1,5-2 giri di potenza del mantello per iniziare. L’apparato richiederà 20 minuti o meno per avvicinarsi all’equilibrio. Continua a regolare la pressione durante questo periodo. 2. Esecuzione dell’esperimento Al momento dell’ebollizione, la pompa Cottrell inizierà a sputare liquido e il liquido può essere visto gocciolare di nuovo nella camera di ebollizione. Il vapore condensato richiederà più tempo per apparire. Quando viene raggiunto l’equilibrio, gli sperimentatori dovrebbero vedere gocciolamenti costanti di vapore condensato (2 – 3 gocce / s) e liquido restituito (2 – 3 gocce / s). La temperatura dovrebbe essere stabile a ± 0,03 ºC e la pressione dovrebbe essere stabile a 700,0 ± 0,5 mmHg. Quando queste condizioni sono state stabilite per almeno 2 minuti (o giù di lì), si raggiunge l’equilibrio. Aprire le valvole magnetiche (contrassegnate “1” e “2” sul controller) 4 o 5 volte ciascuna per un tempo sufficiente a raccogliere circa 0,5 cm3 di liquido in ciascuna provetta del campione e chiudere le provette. Se una valvola non risponde al suo pulsante, prova a spegnere e riaccendi l’interruttore di alimentazione del controller. Questo primo campione verrà utilizzato per lavare i tubi e il sistema di consegna e verrà scartato. Il lavaggio sostituisce qualsiasi sostanza chimica rimanente sui lati dei tubi con la stessa sostanza chimica che viene campionata, quindi non influirà sulla composizione del test. Spegnere momentaneamente l’alimentazione al riscaldatore, attendere 30 s affinché l’ebollizione si plachi, quindi sfiatare il sistema con la valvola a 3 vie di sfiato / controllo. Rimuovere i tubi del campione, ruotare un paio di volte, quindi scaricarli nella discarica. Rimontare le provette campione sul sistema, riportare la valvola di sfiato al “controllo”, riaccendere l’alimentazione al riscaldatore e attendere che l’equilibrio venga ristabilito. Questo richiederà solo pochi minuti se l’apparecchio non si raffredda. Una leggera differenza di temperatura può essere osservata quando l’equilibrio viene ristabilito. Ciò può essere dovuto a un leggero disturbo della composizione complessiva dovuto al campionamento. Una volta ristabilito l’equilibrio, prendi due nuovi campioni. Avere due flaconcini etichettati con nuovi setti pronti. Dopo aver prelevato di nuovo ~ 0,5 cm3 campioni in ciascun tubo, spegnere il riscaldatore, sfiatare il sistema, rimuovere i tubi campione e versarli nelle fiale. Chiudere i flaconcini e sostituire le provette con provette pulite, se necessario. Durante l’analisi dei campioni, preparare un nuovo campione. Scolare ~ 15 cm3 di liquido in un becher o in un pallone. Aggiungere ~ 20 cm3 di metanolo puro o 50/50 metanolo / isopropanolo attraverso la porta del campione. Questo darà una nuova composizione complessiva. Assicurarsi che le provette del campione siano completamente vuote, quindi chiudere il sistema, accendere la valvola di sfiato su “controllo” e riaccendere il riscaldatore. Se si lavora rapidamente, l’equilibrio sarà ristabilito rapidamente. Si noti che dovrebbe esserci una differenza di temperatura rispetto al campione precedente. Ripetere la procedura di equilibratura e campionamento come prima, ricordando di prendere un campione da lavare, quindi prendere il campione finale. Continuare gli esperimenti aggiungendo componenti. Dodici punti dati sono sufficienti per determinare i coefficienti di attività e (approssimativamente) i coefficienti di interazione binaria. 3. Spegnimento del sistema Spegnere i riscaldatori. Quando l’apparecchio inizia a raffreddarsi, spegnere l’agitatore e l’acqua del condensatore. Riportare il sistema alla pressione atmosferica; impostare il controller >1020 mbar, chiudere la valvola a farfalla, impostare la valvola a tre vie per lo sfiato e aprire la valvola sul serbatoio. Una volta raggiunta la pressione atmosferica, spegnere la pompa. Scaricare il liquido dal serbatoio fino a raggiungere il livello della valvola, ma lasciare il resto del liquido nel serbatoio. Chiudere la valvola a 3 vie. 4. Analisi Usando la regressione non lineare e una somma standard di funzioni oggettive residue al quadrato, usa i coefficienti di attività calcolati dai dati grezzi per regredire le 6 costanti per l’equazione di Wilson ternaria (sotto), per questo sistema. Valutare la qualità dell’adattamento con metodi grafici e calcolare le deviazioni relative percentuali medie (APRD), che sono errori di adattamento medio x 100. Convergere sui valori ottimali reali da diverse direzioni nello spazio dei parametri di risposta utilizzando un metodo fattoriale per le ipotesi iniziali. Calcolare la precisione delle misurazioni GC replicando sufficientemente un campione GC per determinare le precisioni relative in base alla t-statistica e utilizzare le precisioni per determinare se accettare / rifiutare una particolare misurazione GC mediante un test di ipotesi appropriato. Confronta le precisioni relative della misurazione GC con gli APRD e discuti. Segnala anche le precisioni assolute dei manometri di pressione e temperatura – determinali una volta al giorno.

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.

Tags

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