液液平衡（英文名稱liquid-liquid equilibrium）是一種物理現象，在一定溫度和壓力下，兩個組分不同的液相經過充分接觸後，某些組分在這兩液相中的濃度不再發生變化，表明這些組分在這兩相間的正反傳遞速率相等，達到了液-液平衡。例如水和苯是兩個液相，當水和苯共存時，存在明顯的液相分界面，下層水中溶有少量苯，上層苯中也溶有少量水，兩者部分互溶，形成具有兩個液相的二元體系。在一定溫度和壓力下，使其充分混合接觸，直到兩個液相的組成恆定，即水中溶解苯的量和苯中溶解水的量不變，即認為水和苯兩個液相達到該溫度和壓力下的液-液平衡。
液-液平衡是物質的一種物理性能，自然界廣泛存在的一種物理現象和規律。在化學化工中利用物質的這種性能和規律可以通過各種化工過程提取、分離、濃縮、精製產品。
1、 液-液平衡的表示方法：液-液平衡不但與組分有關，不同溫度和壓力的下液-液平衡數據是不同的，常見的是兩個液相間的相平衡。在定壓下，不同溫度下的液液平衡常用平衡相圖來表示，例如水和與異丁醇的相圖如下：
相關圖片從相圖中可以清楚地了解到水和異丁醇兩個液相在不用溫度下的組成，而且還可以在了解到隨著溫度的提高，彼此的溶解度增加，當溫度達到約130℃以上時，兩相就會消失，成為互溶的一相。
2、化學工業中套用的液-液分離系統往往是多元系統，製作相圖往往將選定最難分離的兩個關鍵組分為代表，測定兩者在第三組分（分離溶劑）中的溶解性，測定分配係數、繪製不同溫度下的三元相圖。如水－醋酸-苯三元系,溶質(醋酸)在兩個液相（苯相和水相）中的濃度比，稱為分配係數D，表示如下：
式中α、β分別代表兩個液相；xi為溶質I在兩個液相中的濃度。如果溶質在兩相中形成理想溶液，則分配係數僅為溫度的函式；如果為非理想溶液，則分配係數還與溶液的組成有關。D 值越大，表示溶質I易於利用溶劑α即能將其由β中分離出來。利用這種關係可以方便地選擇分離溶劑及操作條件。
在煉油和化工生產中最有價值的是芳烴液-液萃取過程。該過程利用甘醇、N—甲基吡咯烷酮等溶劑，由芳烴與非芳烴組成的混合液中將芳烴分離出來。該過程的理論基礎是芳烴和非芳烴在溶劑中的液-液平衡。
