Equilibrio

ANALISIS DEL EQUILIBRIO VAPOR- LIQUIDO

I. OBJETIVO

• Evaluar el equilibrio de vapor liquido en etanol-agua y su diagrama Txy.

• Determinar experimentalmente el comportamiento de una mezcla etanol-agua al ser sometida a este tipo de destilación.

II. MARCO TEORICO

El equilibrio de las fases líquido vapor es de gran utilidad en muchos procesos de separación y purificación, por lo que se ha dirigido un extenso número de investigaciones teóricas y experimentales para su mejor entendimiento. A pesar de que las mezclas binarias son un poco comunes, un amplio conocimiento de ellas resulta esencial, ya que la extrapolación de su comportamiento es necesaria para caracterizar a las mezclas multicomponentes. (Walas en Chavela, et. al. 2000).

El término equilibrio de fases implica una condición de equilibrio entre dos o más fases, cada una de las cuales constituye un todo homogéneo sin tendencia a cambiar sus propiedades con el tiempo. Existen dos aspectos muy concretos que se deben destacar, primero, resulta evidente que la temperatura de las fases debe ser la misma, de lo contrario existiría un flujo irreversible de energía calorífica entre ellas y segundo, también debe haber una igualdad de presiones ya que, si no, la inestabilidad ocasionaría una compresión de una de las fases y la expansión de la otra con un intercambio irreversible de energía. Sin embargo, estas dos condiciones no son suficientes para asegurar el equilibrio de fases.

Para la determinación de equilibrio de las fases líquido vapor se proponen diferentes test. La comprobación individual de cada punto experimental viene dada hoy día por una serie de cálculos que definen unos procedimientos conocidos como test punto-a-punto. Sin embargo, todos los existentes presentan serias deficiencias pues, en general, no tienen en cuenta los valores experimentales de la presión. Recientemente, Kojima y col. (1990) propusieron un test más coherente que combina ambos, el test punto a punto y el de las áreas con uno nuevo basado en la representación de

La ventaja del método es que se pueden seleccionar los datos de confianza entre varios conjuntos de datos y no se requiere la información de entalpías de mezcla. Wisniak (1993) propone un test punto a punto utilizando relaciones sencillas, como el coeficiente de actividad, γi, y la de Clausius-Clapeyron.

Plantea como condición de consistencia de datos de ELV isobáricos, la identificación de los términos, Li y Wi, definidos en la relación:

El límite de desviación entre los términos Li y Wi es arbitrario y dependerá de las necesidades para las cuales se requieran los datos. El test propuesto por Wisniak (1993) es más elaborado que el de Herington (1951) pero presenta una mejor base teórica y es más útil que el test propuesto por Kojima (1990) porque no requiere información de las entalpías de mezcla, si bien, en su lugar se necesita información de las entalpías de vaporización de los compuestos puros a la presión de trabajo.

No obstante, hasta hoy el procedimiento más utilizado en la verificación termodinámica individual de cada punto experimental de ELV, sigue siendo el desarrollado por Van Ness y col. (1973) en la versión posterior propuesta por Fredenslund y col. (1977b) y basado en el cálculo de las fracciones molares de la fase vapor, yi, a partir de los datos (T,xi) experimentales, comparándose los mismos con los obtenidos por experimentación a través de las diferencias, δyi=yi,exp-yi,cal. Los datos serán consistentes si se verifica que, δyi< 0,01. Este criterio, si bien en su utilización rigurosa sería aplicado de forma individual a cada uno de los estados de equilibrio, a veces se emplea para valorar globalmente el conjunto de datos, estableciéndose entonces la desviación como un valor medio para el conjunto de valores.

a. Destilación simple

La destilación simple consiste en la separación de una mezcla de dos o más líquidos del componente más volátil, quedando un residuo rico en componentes menos volátiles. Este tipo de destilación se aplica en el caso de mezclas que tengan puntos de ebullición considerablemente diferentes, no en el caso contrario, porque las dos sustancias se volatilizarían al mismo tiempo y no habría separación o purificación de alguna de ellas. Por lo tanto, en este tipo de mezclas, se va a separar primero el que tenga menor punto de ebullición. El material menos volátil queda en el frasco destilador como residuo, y el destilado se recibe en el matraz.

b. Ley de Raoult

El cociente de la presión del solvente de la mezcla entre la presión de vapor del solvente puro es proporcional a la fracción molar del solvente en la mezcla, es decir:

P1=X1•P*1

El comportamiento de esta mezcla se ajusta a la ecuación cuando X1 tiende a la unidad, es decir, cuando hay predominantemente solvente.

Cuando se eleva la T, el sistema permanece totalmente líquido hasta alcanzar el punto L, y es a esa temperatura (T1) donde aparece la primera señal de vapor con la composición Xa. El vapor es mucho más rico que el líquido en el componente “a”, el de más baja temperatura de ebullición. El número relativo de moles de líquido y vapor presentes, está dado por la relación: a’v’/a’l’.

Figura 1. Curva de Raoult

c. Azeótropos:

Un azeótropo es un sistema de dos componentes tiene un comportamiento semejante al de una sustancia pura cuando se trata de evaporar la muestra. Esto quiere decir que no hay un intervalo de temperatura en donde coexistan la fase líquida y la fase gaseosa, únicamente un punto, que es el punto de ebullición.

FIGURA 2. Diagrama azeotropo

d. Destilación fraccionada:

Si se extrae y se condensa parte del vapor formado en las etapas iniciales del proceso, el condensado o destilado es rico en el componente más volátil, mientras el residuo se empobrece en ese componente.

FIGURA 3. Diagrama de destilación fraccionada

III. MATERIALES Y METODOS

i. MATERIALES:

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