En termodinàmica i enginyeria química, l'equilibri vapor-líquid (EVL) descriu la distribució d'una espècie química entre la fase de vapor i la fase líquida.

La concentració d'un vapor en contacte amb el seu líquid, especialment en equilibri, sovint s'expressa en termes de pressió de vapor, que serà una pressió parcial (una part de la pressió total del gas) si hi ha altres gasos presents amb el vapor. La pressió de vapor d'equilibri d'un líquid generalment depèn fortament de la temperatura. En equilibri vapor-líquid, un líquid amb components individuals en certes concentracions tindrà un vapor d'equilibri en què les concentracions o pressions parcials dels components del vapor tenen certs valors que depenen de totes les concentracions dels components líquids i de la temperatura. El contrari també és cert: si un vapor amb components a certes concentracions o pressions parcials està en equilibri vapor-líquid amb el seu líquid, les concentracions dels components en el líquid es determinaran en funció de les concentracions de vapor i de la temperatura. La concentració d'equilibri de cada component en la fase líquida sovint és diferent de la seva concentració (o pressió de vapor) en la fase de vapor, però hi ha una relació. Les dades de concentració de l'ELV es poden determinar experimentalment o aproximar amb l'ajuda de teories com la llei de Raoult, la llei de Dalton i la llei de Henry.

Aquesta informació sobre l'equilibri vapor-líquid és útil per dissenyar columnes per a la destil·lació, especialment la destil·lació fraccionada, que és una especialitat particular dels enginyers químics. La destil·lació és un procés que s'utilitza per separar o separar parcialment els components d'una mescla mitjançant ebullició (vaporització) seguida de condensació. La destil·lació aprofita les diferències en les concentracions dels components en les fases líquida i vapor.

En mescles que contenen dos o més components, les concentracions de cada component sovint s'expressen com a fraccions molars. La fracció molar d'un component determinat d'una mescla en una fase particular (ja sigui la fase de vapor o la fase líquida) és el nombre de mols d'aquest component en aquesta fase dividit pel nombre total de mols de tots els components en aquesta fase.

Les mescles binàries són les que tenen dos components. Les mescles de tres components s'anomenen mescles ternàries. Hi pot haver dades d'ELV per a mescles amb encara més components, però aquestes dades sovint són difícils de mostrar gràficament. Les dades d'ELV són una funció de la pressió total, com ara 1 atm o a la pressió a la qual es duu a terme el procés.

Quan s'assoleix una temperatura tal que la suma de les pressions de vapor d'equilibri dels components líquids esdevé igual a la pressió total del sistema (altrament és més petita), les bombolles de vapor generades pel líquid comencen a desplaçar el gas que mantenia la pressió global, i es diu que la mescla bull. Aquesta temperatura s'anomena punt d'ebullició de la mescla líquida a la pressió donada. (Se suposa que la pressió total es manté estable ajustant el volum total del sistema per adaptar-se als canvis de volum específics que acompanyen l'ebullició.) El punt d'ebullició a una pressió global d'1 atm s'anomena punt d'ebullició normal de la mescla líquida.

Descripció termodinàmica de l'equilibri vapor-líquid El camp de la termodinàmica descriu quan és possible l'equilibri vapor-líquid i les seves propietats. Gran part de l'anàlisi depèn de si el vapor i el líquid consten d'un sol component o si són mescles.

Sistemes purs (d'un sol component) Si el líquid i el vapor són purs, és a dir, que consten d'un sol component molecular i no hi ha impureses, aleshores l'estat d'equilibri entre les dues fases es descriu mitjançant les equacions següents:

; and

on i són les pressions dins del líquid i del vapor, i són les temperatures dins del líquid i del vapor, i i són les energies lliures molars de Gibbs (unitats d'energia per quantitat de substància) dins del líquid i del vapor, respectivament.Balzhiser et al. (1972), Chemical Engineering Thermodynamics. En altres paraules, la temperatura, la pressió i l'energia lliure molar de Gibbs són les mateixes entre les dues fases quan estan en equilibri.

Una manera equivalent i més comuna d'expressar la condició d'equilibri vapor-líquid en un sistema pur és utilitzant el concepte de fugacitat. Segons aquest punt de vista, l'equilibri es descriu mitjançant la següent equació:

on i són les fugacitats del líquid i del vapor, respectivament, a la temperatura del sistema i la pressió .Balzhiser et al. (1972), Chemical Engineering Thermodynamics. Sovint és convenient utilitzar la quantitat , el coeficient de fugacitat adimensional, que és 1 per a un gas ideal.

Sistemes multicomponents En un sistema multicomponent, on el vapor i el líquid consten de més d'un tipus de compostos, descriure l'estat d'equilibri és més complicat. Per a tots els components i del sistema, l'estat d'equilibri entre les dues fases es descriu mitjançant les equacions següents:

; i

on i són la temperatura i la pressió per a cada fase, i i són l'energia lliure molar parcial de Gibbs, també anomenada potencial químic (unitats d'energia per quantitat de substància) dins del líquid i del vapor, respectivament, per a cada fase. L'energia lliure molar parcial de Gibbs es defineix per:

on és l'energia lliure de Gibbs (extensiva) i és la quantitat de substància del component i.

Diagrames de punt d'ebullició Dades VLE de mescla binària a una determinada pressió global, com ara 1 atm, que mostra la fracció molar de vapor i concentracions de líquid quan bull a diverses temperatures, es pot representar com un gràfic bidimensional anomenat diagrama del punt d'ebullició. La fracció molar del component 1 en la mescla es pot representar amb el símbol La fracció molar del component 2, representat per està relacionat en una mescla binària de la següent manera:

En mescles multicomponents en general amb n components, això esdevé:

marc|Diagrama del punt d'ebullició Les equacions d'equilibri precedents s'apliquen normalment per a cada fase (líquid o vapor) individualment, però el resultat es pot representar en un sol diagrama. En un diagrama de punt d'ebullició binari, la temperatura () (o de vegades pressió) es representa gràficament en funció de A qualsevol temperatura (o pressió) on hi hagi ambdues fases presents, el vapor amb una determinada fracció molar està en equilibri amb el líquid amb una determinada fracció molar. Les dues fraccions molars sovint difereixen. Aquestes fraccions molars de vapor i líquid es representen mitjançant dos punts de la mateixa isoterma horitzontal ( constant). Quan es representa gràficament un rang complet de temperatures en funció de les fraccions molars de vapor i líquid, es formen dues línies (normalment corbes). La inferior, que representa la fracció molar del líquid bullent a diverses temperatures, s'anomena corba del punt de bombolla. La superior, que representa la fracció molar del vapor a diverses temperatures, s'anomena corba del punt de rosada.

Aquestes dues corbes es troben necessàriament on la mescla esdevé purament un component, és a dir, on (i , component pur 2) o (i , component pur 1). Les temperatures en aquests dos punts corresponen als punts d'ebullició de cadascun dels dos components purs.

Per a certs parells de substàncies, les dues corbes també coincideixen en algun punt estrictament entre i Quan es troben, es troben tangentment; la temperatura del punt de rosada sempre es troba per sobre de la temperatura del punt d'ebullició per a una composició determinada quan no són iguals. El punt de trobada s'anomena azeòtrop per a aquest parell de substàncies en particular. Es caracteritza per una temperatura azeòtropa i una composició azeotròpica, sovint expressada com a fracció molar. Hi pot haver azeòtrops de màxim punt d'ebullició, on la temperatura azeòtropa és màxima a les corbes d'ebullició, o azeòtrops de mínim punt d'ebullició, on la temperatura azeòtropa és mínima a les corbes d'ebullició.

Si es volen representar unes dades d'ELV per a una mescla de tres components com un "diagrama" de punt d'ebullició, es pot utilitzar un gràfic tridimensional. Dues de les dimensions s'utilitzarien per representar les fraccions molars de la composició, i la tercera dimensió seria la temperatura. Utilitzant dues dimensions, la composició es pot representar com un triangle equilàter en què cada cantonada representa un dels components purs. Les arestes del triangle representen una barreja dels dos components a cada extrem de la vora. Qualsevol punt dins del triangle representa la composició d'una mescla dels tres components. La fracció molar de cada component correspondria a on es troba un punt al llarg d'una línia que comença a la cantonada d'aquest component i és perpendicular a la vora oposada. Les dades del punt de bombolla i del punt de rosada es convertirien en superfícies corbes dins d'un prisma triangular, que connecten els tres punts d'ebullició als "eixos" verticals de temperatura. Cada cara d'aquest prisma triangular representaria un diagrama de punt d'ebullició bidimensional per a la mescla binària corresponent. A causa de la seva complexitat tridimensional, aquests diagrames de punt d'ebullició es veuen rarament. Alternativament, les superfícies corbes tridimensionals es poden representar en un gràfic bidimensional mitjançant l'ús de línies isotermes corbes a intervals graduats, similars a les línies d'isoaltitud en un mapa. Es necessiten dos conjunts d'aquestes línies isotermes en un gràfic bidimensional d'aquest tipus: un conjunt per a la superfície del punt de bombolla i un altre conjunt per a la superfície del punt de rosada.

Valors de K i valors de volatilitat relativa miniatura|Diagrama de valors K (amb la corba de millor ajust UNIQUAC), mescla de cloroform / metanol La tendència d'una espècie química determinada a dividir-se preferentment entre les fases líquida i vapor és la constant de la llei de Henry. Hi pot haver dades d'equilibri vapor-líquid (ELV) per a mescles de quatre o més components, però aquest diagrama de punt d'ebullició és difícil de mostrar en forma tabular o gràfica. Per a aquestes mescles de diversos components, així com per a les mescles binàries, les dades d'equilibri vapor-líquid es representen en termes de valors de (relacions de distribució vapor-líquid) definits per

són les fraccions molars del component i en les fases respectivament.

Per la llei de Raoult

Per a la llei de Raoult modificada

on és el coeficient d'activitat, és la pressió parcial i és la pressió.

Els valors de la relació es correlacionen empíricament o teòricament en termes de temperatura, pressió i composicions de fase en forma d'equacions, taules o gràfics com ara els diagrames de DePriester. miniatura|Valors K per a sistemes d'hidrocarburs lleugers Rang de baixa temperatura Per a mescles binàries, la relació dels valors per als dos components s'anomena volatilitat relativa, denotada per

miniatura|Valors K per a sistemes d'hidrocarburs lleugers Rang d'alta temperatura que és una mesura de la facilitat o dificultat relativa de separar els dos components. La destil·lació industrial a gran escala rarament es realitza si la volatilitat relativa és inferior a 1,05, sent el component volàtil i i el component menys volàtil j.

Els valors de K s'utilitzen àmpliament en els càlculs de disseny de columnes de destil·lació contínua per a la destil·lació de mescles multicomponents.

Diagrames d'equilibri vapor-líquid marc|Diagrama d'equilibri vapor-líquid