Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht

Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht

Sättigungsdampfdruckkurve von Aceton (Reinstoff-Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht)

Das Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht (zumeist als VLE bezeichnet nach englisch Vapour-Liquid Equilibrium) ist ein Phasengleichgewicht, bei dem sich eine Flüssigkeit und ein Dampf bzw. Gas im thermodynamischen Gleichgewicht befinden. Das Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht zeichnet sich auch dadurch aus, dass die Stoffmenge, die verdampft, der Stoffmenge entspricht, die kondensiert. Zudem ist das chemische Potential in beiden Phasen gleich.

Grundlagen

Ein Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht wird bei Reinstoffen durch die Größen Druck und Temperatur eindeutig bestimmt, bei Gemischen müssen noch die Zusammensetzungen der flüssigen und dampfförmigen Phase angegeben werden. Zusammensetzungen werden zumeist als Stoffmengenanteil (Molenbruch) angegeben, x für die flüssige Phase und y für die Dampfphase. Ein Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht existiert im Bereich zwischen dem Tripel- und dem kritischen Punkt. Der Druck, der sich im Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht einstellt oder eingestellt wird, heißt Sättigungsdampfdruck.

Gemische

Nahezu ideales Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht, Gemisch aus Aceton und Butanon

Gemisch-Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewichte zeichnen sich dadurch aus, dass die Zusammensetzung der flüssigen und der dampfförmigen Phase sich zumeist unterscheiden. Dieser Effekt entsteht durch die unterschiedliche Flüchtigkeit und somit den unterschiedlichen Partialdruck der beteiligten Stoffe und wird in Trennverfahren, insbesondere der Rektifikation genutzt, um Gemische zu trennen. Der Leichtsieder reichert sich in der Dampfphase an, der Schwersieder hingegen in der flüssigen Phase. Die Rektifikation ist gegenwärtig das am häufigsten eingesetzte Verfahren zur Stofftrennung etwa in Erdölraffinerien. Systeme, in denen sich die Zusammensetzung nicht unterscheidet, heißen azeotrop und können durch Verdampfen nicht aufgetrennt werden.

Kenngrößen

Zur Beschreibung des Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewichts eines Gemisches sind eine Reihe von Kenngrößen definiert worden:

  • Trennfaktor, der das Verhältnis der Sättigungsdampfdrücke der beteiligten Komponenten beschreibt
  • K-Faktor, der das Verhältnis der Stoffanteile einer Komponente in Dampf und Flüssigkeit beschreibt
  • Relative Flüchtigkeit, die das Verhältnis zweier K-Faktoren beschreibt

Diese Kennzahlen dienen alle dazu, auf eine einfache Weise erkennen zu können, ob eine Rektifikation in sinnvoller Weise durchzuführen ist.

Typische Darstellungen

Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht eines Gemisches aus Methan und Ethan mit kritischem Punkt des Gemischs

Reinstoff-Gleichgewichte werden zumeist einfach als Temperatur-Druck-Diagramme dargestellt, häufig jedoch werden der Logarithmus des Drucks gegen den Kehrwert der Temperatur aufgetragen, da diese Darstellung annähernd eine Gerade ergibt.

Gemisch-Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewichte werden zumeist bei konstanter Temperatur oder konstantem Druck experimentell bestimmt. Daher werden VLE binärer Gemische üblicherweise bei konstantem Druck als Temperatur gegen Zusammensetzung und bei konstanter Temperatur als Druck gegen Zusammensetzung in der flüssigen und der Dampfphase dargestellt. Die Konzentrationsangaben im Dampf werden dabei als Taulinie bezeichnet, während die Abfolge der Flüssigzusammensetzungen als Siedelinie bekannt ist. Eine alternativ gebräuchliche Darstellung ist die Auftragung der beiden Zusammensetzungen in Flüssigkeit und Dampf x gegen y.

Modellierung

Ein Reinstoff-Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht lässt sich durch einfache, häufig aus der Clausius-Clapeyron-Gleichung abgeleitete Gleichungen wie etwa der Antoine-Gleichung beschreiben. Diese Gleichungen benutzen stoffspezifische Parameter, die an experimentelle Dampfdruckdaten angepasst wurden.

Ein Gemisch-Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht kann in erster Näherung durch das Raoultsche Gesetz beschrieben werden. Dies setzt jedoch ideales Verhalten der beteiligten Stoffe voraus. Zur Berücksichtigung der realen Verhaltens wird zumeist auf Aktivitätskoeffizienten-Modelle wie Non-Random-Two-Liquid-Modell (NRTL) oder UNIQUAC (Universal Quasichemical) zurückgegriffen, die die Gibbsche Exzessenergie beschreiben. Zur Abschätzung der Aktivitätskoeffizienten ist die Unifac Methode geeignet.

Literatur

  • DECHEMA Chemistry Data Series, Band 1, Vapor-Liquid Equilibrium Data Collection, Diverse Autoren.
  • „The Properties of Gases & Liquids“, Bruce E. Poling, John M. Prausnitz, John P. O'Connell, McGraw-Hill Professional, 2000, ISBN 0-07-011682-2
  • Perry, R.H. and Green, D.W. „Perry's Chemical Engineers' Handbook“, 7. Auflage, McGraw-Hill, 1997, ISBN 0-07-049841-5

Siehe auch

  • Henry-Gesetz
  • Dortmunder Datenbank (Sammlung von Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewichtsdaten von Gemischen und Sättigungsdampfdrücken reiner Stoffe, Basis der DECHEMA Chemistry Data Series)

Diese Artikel könnten dir auch gefallen



Die letzten News


05.08.2021
Superflares: für Exoplaneten weniger gefährlich als gedacht
Superflares, extreme Strahlungsausbrüche von Sternen, standen bisher im Verdacht, den Atmosphären und damit der Habitabilität von Exoplaneten nachhaltig zu schaden.
05.08.2021
„Spin“ einer Nanoschallwelle erstmals in Echtzeit nachgewiesen
Einem deutsch-amerikanischen Forscherteam ist es gelungen, die rollende Bewegung einer Nanoschallwelle nachzuweisen. Diese hatter der Physiker und Nobelpreisträger Lord Rayleigh 1885 vorhergesagt.
31.07.2021
Wasserdampf-Atmosphäre auf dem Jupitermond Ganymed
Internationales Team entdeckt eine Wasserdampfatmosphäre auf der sonnenzugewandten Seite des Mondes Jupiter-Mondes Ganymed. Die Beobachtungen wurden mit Hubble-Teleskop gemacht.
31.07.2021
Der Quantenkühlschrank
An der TU Wien wurde ein völlig neues Kühlkonzept erfunden. Computersimulationen zeigen, wie man Quantenfelder verwenden könnte, um Tieftemperatur-Rekorde zu brechen.
31.07.2021
Warum Bierdeckel nicht geradeaus fliegen
Wer schon einmal daran gescheitert ist, einen Bierdeckel in einen Hut zu werfen, sollte nun aufhorchen: Physiker der Universität Bonn haben herausgefunden, warum diese Aufgabe so schwierig ist.
27.07.2021
Topologie in der Biologie
Ein aus Quantensystemen bekanntes Phänomen wurde nun auch im Zusammenhang mit biologischen Systemen beschrieben: In einer neuen Studie zeigen Forscher dass der Begriff des topologischen Schutzes auch für biochemische Netzwerke gelten kann.
26.07.2021
Nadel im Heuhaufen: Planetarische Nebel in entfernten Galaxien
Mit Daten des Instruments MUSE gelang Forschern die Detektion von extrem lichtschwachen planetarischen Nebeln in weit entfernten Galaxien.
26.07.2021
Langperiodische Schwingungen der Sonne entdeckt
Ein Forschungsteam hat globale Schwingungen der Sonne mit sehr langen Perioden, vergleichbar mit der 27-tägigen Rotationsperiode der Sonne, entdeckt.
26.07.2021
Ein Stoff, zwei Flüssigkeiten: Wasser
Wasser verdankt seine besonderen Eigenschaften möglicherweise der Tatsache, dass es aus zwei verschiedenen Flüssigkeiten besteht.
26.07.2021
Ins dunkle Herz von Centaurus A
Ein internationales Forscherteam hat das Herz der nahegelegenen Radiogalaxie Centaurus A in vorher nicht erreichter Genauigkeit abgebildet.
26.07.2021
Ein möglicher neuer Indikator für die Entstehung von Exoplaneten
Ein internationales Team von Astronomen hat als erstes weltweit Isotope in der Atmosphäre eines Exoplaneten nachgewiesen.
26.07.2021
Auf dem Weg zur Supernova – tränenförmiges Sternsystem offenbart sein Schicksal
Astronomen ist die seltene Sichtung zweier Sterne gelungen, die spiralförmig ihrem Ende zusteuern, indem sie die verräterischen Zeichen eines tränenförmigen Sterns bemerkten.
26.07.2021
Quantenteilchen: Gezogen und gequetscht
Seit kurzem ist es im Labor möglich, die Bewegung schwebender Nanoteilchen in den quantenmechanischen Grundzustand zu versetzen.
26.07.2021
Ein Kristall aus Elektronen
Forschenden der ETH Zürich ist die Beobachtung eines Kristalls gelungen, der nur aus Elektronen besteht. Solche Wigner-​Kristalle wurden bereits vor fast neunzig Jahren vorhergesagt, konnten aber erst jetzt direkt in einem Halbleitermaterial beobachtet werden.
26.07.2021
Neue Erkenntnisse zur Entstehung des chaotischen Terrains auf dem Mars
Gebiete wie diese gibt es auf der Erde nicht: Sie sind durchzogen von Kratern, Rissen, Kämmen, Tälern, großen und kleinen eckigen Blöcken.
26.07.2021
Synthese unter Laserlicht
Eine Forschungsgruppe hat neue Methode zur Bildung von protoniertem Wasserstoff entdeckt. Mit starken Laserpulsen erzeugen Physiker des attoworld-Teams am Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität München erstmals protonierten Wasserstoff an Nanooberflächen.
26.07.2021
Materiestraße im All lässt Galaxienhaufen wachsen
Vor einem halben Jahr meldeten Astronomen der Universität Bonn die Entdeckung eines extrem langen intergalaktischen Gasfadens mit dem Röntgenteleskop eROSITA.
26.07.2021
Kosmischer Treffpunkt für Galaxienhaufen
Was treibt Galaxien an, oder führt zu ganzen Ansammlungen von Galaxien – sogenannte Galaxienhaufen? Obwohl kosmologische Modelle und Simulationen diese Strukturen und die Rolle, die sie spielen könnten, vorausgesagt haben, ist die Bestätigung ihrer Existenz durch die Beobachtung mit dem Röntgen-Weltraumteleskop eROSITA ziemlich neu.
28.06.2021
Quantensimulation: Messung von Verschränkung vereinfacht
Forscher haben ein Verfahren entwickelt, mit dem bisher kaum zugängliche Größen in Quantensystemen messbar gemacht werden können.
28.06.2021
Exotische Supraleiter: Das Geheimnis, das keines ist
Wie reproduzierbar sind Messungen in der Festkörperphysik? Ein Forschungsteam analysierte wichtige Messungen neu. Sie fanden heraus: Ein angeblich sensationeller Effekt existiert gar nicht.
28.06.2021
Paradoxe Wellen: Gefangene Lichtteilchen auf dem Sprung
Physikern ist es gelungen, ein neuartiges Verhalten von Lichtwellen zu beobachten, bei welchem Licht durch eine neue Art von Unordnung auf kleinste Raumbereiche begrenzt wird.
28.06.2021
Isolatoren bringen Quantenbits zum Schwitzen
Schwachleitende oder nichtleitende Materialien haben Innsbrucker Physiker als wichtige Quelle für Störungen in Ionenfallen-Quantencomputern identifiziert.
23.06.2021
Fürs Rechenzentrum: bisher kompaktester Quantencomputer
Quantencomputer waren bislang Einzelanfertigungen, die ganze Forschungslabore füllten.
17.06.2021
Helligkeitseinbruch von Beteigeuze
Als der helle, orangefarbene Stern Beteigeuze im Sternbild Orion Ende 2019 und Anfang 2020 merklich dunkler wurde, war die Astronomie-Gemeinschaft verblüfft.
17.06.2021
Das Elektronenkarussell
Die Photoemission ist eine Eigenschaft unter anderem von Metallen, die Elektronen aussenden, wenn sie mit Licht bestrahlt werden.