O equilíbrio vapor-líquido é um estado no qual existe um componente ou mistura pura em fases líquidas e de vapor, com equilíbrio mecânico e térmico e sem transferência de massa líquida entre as duas fases. Vapor e líquido são separados pela gravidade e calor (Figura 1). A mistura líquida é inserida no sistema, que é colocado em um estado de vácuo com uma bomba de vácuo. O vapor é condensado e devolvido para misturar com o líquido, que é então passado de volta para a câmara fervente. Diferenças no ponto de ebulição resultam em alguma separação da mistura. O ponto de ebulição da água é maior do que o dos componentes adicionados, de modo que os componentes voláteis começam a evaporar.

Figura 1: Uma representação do aparelho

Um coeficiente de atividade é definido como a razão da fugacidade de um componente em uma mistura real à fugacidade de uma solução ideal da mesma composição. Fugacity é uma propriedade usada para mostrar diferenças entre potenciais químicos em estados padrão. As fugacidades da fase de vapor podem ser expressas em termos de coeficiente fugacidade [φ: f_i^V = φ_i y_i f_i^0V ], com y_i = fração mol de i na fase de vapor, e f_i^0V = o estado de vapor fugacity (a fugacidade do vapor de componente puro em T e P). Para baixas pressões, como neste experimento, φ_i = 1 e f_i^0V = P. As fugacidades de fase líquida podem ser expressas em termos de coeficiente de atividade γ_i: f_i^L = γ_i x_i f_i^0L , com x_i = fração mol de i na fase líquida, e f_i^0L = o estado líquido fugacity.

Na pressão de saturação (P_i^s)deste T, o componente puro fugacity líquido seria P_i^s,porque o vapor puro e o líquido estão em equilíbrio. Como as fugacidades líquidas são apenas funções fracas de pressão, podemos aproximar o componente puro líquido fugacity em T e P (f_i^0L) como P_i^s,desde que a diferença entre P_i^s e P não seja grande. Essa aproximação é geralmente chamada de "negligenciar a correção poynting". Se os experimentadores usarem um aparelho VLE para medir as composições do vapor e do líquido que estão em equilíbrio, os experimentadores podem calcular diretamente os coeficientes de atividade fornecidos para medir também P e T. T devem ser medidos para determinar P_i^S para todos i.

O coração do dispositivo VLE, usado neste experimento para determinar composições de misturas, é uma bomba Cottrell que "cospe" líquido fervente em uma câmara de equilíbrio bem isolada. Duas válvulas de amostragem operadas magneticamente permitem a retirada de amostras de vapor líquido e condensado. Um grande reservatório ajuda a amortecer os pulsos de pressão no sistema à medida que a válvula de controle desligada muda, e a partir de flutuações causadas pela bomba de Cottrell. Um vazamento lento pode ser usado para criar um equilíbrio entre a taxa de retirada de ar e a taxa de entrada de ar para manter uma pressão constante, se necessário.

Uma maneira comparável de resolver para o equilíbrio vapor-líquido é usar uma variedade de modelos. A lei de Raoult, a lei de Dalton e a lei de Henry são todos modelos teóricos que podem encontrar os dados de concentração de equilíbrio vapor-líquido. Todos os três modelos estão relacionados com a proporcionalidade de pressões parciais, pressão total e frações de substâncias. A equação de Wilson tem sido provada como precisa para líquidos miscíveis, embora não seja excessivamente complexa. Além disso, o modelo de Wilson incorpora coeficientes de atividade para contabilizar o desvio dos valores ideais.

Os coeficientes de atividade dos dados não mostram desvios significativos de um valor médio para cada componente (Tabela 1). Isso é como esperado porque para composições de componentes intermediários não há grandes variações. No entanto, componentes próximos a 1 têm γ está perto de 1. Componentes de baixa composição têm γ altos. Componentes mais elevados em concentração em uma mistura que terá um desvio reduzido, portanto estará mais próximo do ideal (γ = 1). Componentes com menores concentrações em uma mistura terão maiores desvios, de modo que seus γ serão maiores que 1.

Tabela 1: Resultados de cada amostragem dos dados experimentais.

Os dados foram adequados aos parâmetros do modelo Wilson e os coeficientes foram calculados (Tabela 2). Foi utilizada uma simples redução na soma de resíduos quadrados entre os coeficientes de atividade experimental e wilson (1). Isso foi conseguido usando a função solucionador do Excel. O enredo de paridade mostrado relaciona os coeficientes de atividade do modelo de Equação de Wilson aos coeficientes de atividade encontrados experimentalmente. Os coeficientes de atividade experimental foram calculados e graficamente comparados aos coeficientes do modelo calculados.

Tabela 2: Resultados da adequação dos dados aos parâmetros do modelo Wilson.

(1)

Os valores dos parâmetros encontrados foram os melhores ajustes (Tabela 3). Idealmente, a correlação é ao longo da linha y=x; no entanto, foi encontrada uma correlação significativa semelhante ao cenário ideal(Figura 2). Os coeficientes de atividade dos dados não apresentaram desvios significativos de um valor médio para cada componente, como esperado. Foi utilizada uma redução na soma dos resíduos quadrados entre os coeficientes experimentais e de atividade da equação de Wilson com a função solucionador do Excel. O enredo de paridade relaciona os coeficientes de atividade do modelo de Equação de Wilson aos coeficientes de atividade encontrados experimentalmente.

Tabela 3: Parâmetros do modelo com água (a), MeOH (b) e IPA (c). Os valores experimentais são comparados aos valores esperados.

Figura 2: Representação da correlação entre os coeficientes de atividade experimental e os coeficientes de atividade modelo.

Este experimento demonstrou o equilíbrio do metanol - isopropanol - misturas vapor-líquido de água a um P constante = 700 mm Hg e como medir temperatura e composição e calcular coeficientes de atividade. Os coeficientes de atividade dos dados não se desviaram significativamente de um valor médio para cada componente, como esperado. Foi utilizada uma redução na soma dos resíduos quadrados entre os coeficientes experimentais e de atividade da equação de Wilson com a função solucionador do Excel. O enredo de paridade relaciona os coeficientes de atividade do modelo de Equação de Wilson aos coeficientes de atividade encontrados experimentalmente.

Na indústria petrolífera, a destilação é o principal processo de separação de produtos petrolíferos. Muitas refinarias de petróleo usam destilação para petróleo bruto¹. Hidrocarbonetos leves são separados de partículas mais pesadas, separando-se com base nos pontos de ebulição¹. Materiais pesados como óleos de gás são coletados nas placas inferiores, enquanto materiais leves como propano e butano sobem¹. Hidrocarbonetos, como gasolina, jato e diesel, são separados¹. Esse processo é muitas vezes repetido muitas vezes para separar e refinar totalmente os produtos¹. As refinarias executam esses processos em estado estável, constantemente criando novos produtos com capacidade máxima, por isso a eficiência é fundamental¹. Engenheiros químicos que trabalham nesses processos se concentram na otimização da eficiência da produção¹.

As colunas de destilação de bandejas também são usadas para separar uma variedade de produtos químicos. O etanol é um desses produtos. Através de processos intimamente relacionados, uma variedade de produtos como etanol de nível combustível, cerveja e licor pode ser destilada². Quantidades específicas de álcool podem ser separadas da água para criar uma prova específica². Este processo limita-se a reduzir a porcentagem de água no produto, mas não pode eliminá-lo completamente². Para remover completamente a água, é necessária a destilação azeotrópica, que utiliza produtos químicos extrator para separar a água do etanol².