DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES LIQUIDO-VAPOR PARA MEZCLAS

En termodinámica e ingeniería química, el equilibrio vapor-líquido (VLE) describe la distribución de una especie química entre la fase de vapor y una fase líquida.

Una fase es la totalidad de regiones, donde las propiedades materiales, o no cambian o cambian continuamente, pero no es abruptamente. Una fase puede consistir en una o más sustancias uniformes químicamente las cuales son llamadas componentes.

El equilibrio termodinámico representa la máxima diferencia de concentraciones entre las fases. Para el diseño de los equipos de separación, la mayoría de los métodos utilizan el concepto de equilibrio. Por tanto, es indispensable contar con datos de equilibrio entre fases. Existen 3 condiciones termodinámicas de equilibrio, las cuales para un sistema de 2 fases son:

Equilibrio térmico: Temperatura fase 1=Temperatura fase2   

Equilibrio mecánico: Presión fase 1= Presión fase 2

Equilibrio químico: Potencial químico fase 1 = Potencial químico fase 2

Los diagramas de fase son representaciones gráficas de las fases presentes en un sistema material en función de la temperatura, presión y composición, es decir representan el estado termodinámico de equilibrio de un sistema.

Los sistemas que pueden representarse son las combinaciones de fases:  líquido-gas, líquido-líquido, sólido-gas, sólido-líquido y sólido-sólido.

MEZCLAS BINARIAS LIQUIDO-VAPOR 

Para mezclas líquido-vapor de componentes A y B los grados de libertad se reducen a dos (g.l=2). Las dos variables independientes se pueden seleccionar entre T y P, y puesto que ambas fases están presentes, la concentración de uno de los componentes en el vapor es yA y en el líquido xA. Las concentraciones del componente B, xB e yB, no son variables independientes, puesto que xA + xB =1 e yA + yB =1. Si la presión esta especificada, solamente queda una variable independiente (T, xA, o yA).

Se pueden construir cuatro diagramas de equilibrio isobárico (presión constante) interviniendo las variables T, x e y: T-y, T-x, T-x-y combinados y x-y. Los más utilizados son los diagramas T- (x o y) y x-y los cuales se muestran en las siguientes figuras: 

                                                         Figura a). Diagrama T-x o y

Figura b). Diagrama x-y

En la figura a) las temperaturas T_A y T_B son los puntos de ebullición de los componentes A y B puros a una presión determinada. La curva inferior que conecta T_A con T_B es la curva isobárica de la temperatura del punto de burbuja (líquido saturado). La curva superior que conecta las temperaturas es la curva de la temperatura del punto de rocío (vapor saturado). La región de dos fases está localizada en la zona situada entre estas dos curvas. Cuando un líquido subenfriado, de composición xA y temperatura To, se calienta hasta T1, se producirá la primera burbuja de vapor en equilibrio con una composición yA. Contrariamente, un vapor sobrecalentado de composición yA y temperatura T2 condensará al enfriarlo hasta T1, siendo xA la composición de la primera gota del líquido.

Es importante observar que, puesto que g.l= 2 y la presión ya está fijada, la especificación de tan sólo una variable termodinámica adicional define completamente una mezcla binaria líquido-vapor. Si la composición del líquido es xA, tanto la composición de la fase vapor yA como la temperatura del punto de burbuja T1 quedan fijadas.

La figura b) muestra un diagrama x-y. Para cada componente de una mezcla binaria, se podría hacer un diagrama de equilibrio vapor-líquido. Dicho diagrama representaría gráficamente la fracción molar líquida en un eje horizontal y la fracción molar de vapor en un eje vertical. Aquí cada punto de la curva de equilibrio x-y está a una temperatura diferente pero no especificada. Estos tipos de diagramas VLE se utilizan en el método de McCabe-Thiele para determinar el número de etapas de equilibrio (o platos teóricos) necesarias para destilar una determinada composición de una mezcla binaria de alimentación en una fracción de destilado y una fracción de fondo. También se pueden hacer correcciones para tener en cuenta la eficiencia incompleta de cada plato en una columna de destilación en comparación con un plato teórico.

Estos diagramas se construyen generalmente en función del componente más volátil de la mezcla.

El diagrama de puntos de ebullición se puede construir a partir de los datos de equilibrio reportados para mezclas, o bien, se pueden calcular teniendo solo la fracción de líquido (xA) y conociendo la presión y la temperatura de operación del sistema. Para este último caso se debe utilizar la ecuación de Antoine:

En donde:

P°= Presión de vapor puro del componente de interés [atm o bar]

A, B y C= constantes reportadas en la literatura para cada componente

T= temperatura de operación en Kelvin

A partir de los datos de presión de vapor puro de los componentes de la mezcla se pueden utilizar las siguientes ecuaciones:

Donde:

yA= Fracción del componente A en la fase vapor

PA°= Presión de vapor puro del componente A

xA= Fracción del componente A en la fase líquida

P= Presión de operación del sistema

Dependiendo de la variable que este especificada se pueden ocupar las ecuaciones anteriores para obtener las variables necesarias y dibujar los diagramas de equilibrio líquido-vapor.