Kesetimbangan uap-cair

Kesetimbangan uap-cair (bahasa Inggris: Vapor–liquid equilibrium/VLE) adalah kondisi dimana liquid dan gasnya berada pada kesetimbangan satu sama lain, kondisi dimana kecepatan evaporasi sama dengan kecepatan kondensasi pada level molekuler. Suatu substansi yang berada pada kesetimbangan uap-cair umumnya disebut fluida jenuh. Untuk spesies kimia murni, hal ini sama dengan kondisi spesies pada titik didihnya.^[1]

Termodinamika menjelaskan berbagai properti kesetimbangan uap-cair untuk komponen murni maupun campuran.

Jika liquid dan uap murni, maka keadaan kesetimbangan antar 2 fase dijelaskan oleh persamaan:

${\displaystyle P^{liq}=P^{vap}\,}$;

${\displaystyle T^{liq}=T^{vap}\,}$; and

${\displaystyle {\tilde {G}}^{liq}={\tilde {G}}^{vap}}$

dengan ${\displaystyle P^{liq}\,}$ dan ${\displaystyle P^{vap}\,}$ adalah tekanan liquid dan uap, ${\displaystyle T^{liq}\,}$ dan ${\displaystyle T^{vap}\,}$ adalah suhu liquid dan uap, dan ${\displaystyle {\tilde {G}}^{liq}}$ dan ${\displaystyle {\tilde {G}}^{vap}}$ adalah energi bebas Gibbs molar liquid dan uap.^[2] Temperatur, tekanan, dan energi bebas Gibbs liquid dan uap nilainya sama untuk komponen murni dalam kesetimbangan.

Kondisi kesetimbangan uap-cair juga dapat menggunakan konsep fugasitas. Kesetimbangan dapat dijelaskan melalui persamaan berikut:

${\displaystyle f^{\,liq}(T_{s},P_{s})=f^{\,vap}(T_{s},P_{s})}$

dengan ${\displaystyle f^{\,liq}(T_{s},P_{s})}$ dan ${\displaystyle f^{\,vap}(T_{s},P_{s})}$ adalah fugasitas liquid dan uap, pada suhu T_s dan tekanan P_s sistem.^[3]

Data campuran biner VLE pada data tertentu, menunjukkan fraksi mol uap dan liquid pada beberapa temperatur untuk tekanan tetap. Fraksi mol komponen 1 pada campuran dilambangkan dengan x₁. Fraksi mol komponen 2 dilambangkan dengan x₂, dengan hubungan sebagai berikut:

x₁ + x₂ = 1

Untuk campuran multi komponen dengan n komponen, menjadi:

x₁ + x₂ + ... + x_n = 1

Pada diagram titik jenuh larutan biner, temperatur (T ) digrafikkan vs. x₁. Pada suhu berapapun dimana kedua fase eksis, uap dengan fraksi molnya berada pada kesetimbangan dengan liquid dengan fraksi mol tertentu. Kedua fraksi mol ini nilainya berbeda. Fraksi mol uap dan liquid ditunjukkan pada 2 titik pada garis horizontal (suhu) yang sama. Garis yang dibawah, menunjukkan fraksi mol liquid mendidih pada berbagai temperatur, disebut kurva bubble point. Garis yang atas, menunjukkan fraksi mol uap pada berbagai temperatur, disebut kurva dew point.^[4]

Kecenderungan spesies kimia untuk memisahkan diri antara fase uap dan liquid adalah rasio kesetimbangan ${\displaystyle K_{i}}$.^[5]

Data campuran VLE bisa sampai 4 komponen atau lebih, dan diagram titik didih susah disajikan. Maka, data kesetimbangan uap-cair diberikan dalam bentuk nilai K K (rasio distribusi uap-cair)^[4][6] didefinisikan sebagai

${\displaystyle K_{i}={\frac {y_{i}}{x_{i}}}}$

dengan y_i dan x_i adalah fraksi mol i pada fasa gas dan cair.

Untuk hukum Raoult

${\displaystyle K_{i}={\frac {P_{i}^{\star }}{P}}}$

Untuk hukum Raoult modifikasi

${\displaystyle K_{i}={\frac {\gamma _{i}P_{i}^{\star }}{P}}}$

dengan ${\displaystyle \gamma _{i}}$ adalah koefisien aktivitas, P_i tekanan parsial dan P adalah tekanan.

Nilai rasio K_i dikorelasikan secara empiris atau teoretis dalam bentuk persamaan, tabel, atau grafik seperti diagram DePriester charts (Shown on the right).^[7]

Untuk campuran biner, rasio nilai K untuk 2 komponen disebut volatilitas relatif ditandai dengan α

${\displaystyle \alpha ={\frac {K_{i}}{K}}_{j}={\frac {(y_{i}/x_{i})}{(y_{j}/x_{j})}}}$

yang menunjukkan ukuran relatif susah atau mudahnya memisahkan kedua komponen. Distilasi industri skala besar jarang dilakukan untuk volatilitas relatif kurang dari 1,05.^[6]

Nilai K digunakan luas pada perhitungan desain kolom distilasi kontinu untuk pemisahan campuran multikomponen.

• Distillation Principals by Ming T. Tham, University of Newcastle upon Tyne (scroll down to Relative Volatility)
• Introduction to Distillation: Vapor Liquid Equilibria Diarsipkan 2007-03-10 di Wayback Machine.
• VLE Thermodynamics Diarsipkan 2007-07-11 di Wayback Machine. (Chemical Engineering Dept., Prof. Richard Rowley, Brigham Young University)
• NIST Standard Reference Database 103b (Describes the extensive VLE database available from NIST)
• Some VLE data sets and diagrams for mixtures of 30 common components, a small subset of the Dortmund Data Bank