EQ LIQ- VAP

5/10/2018 EQ LIQ- VAP - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/eq-liq-vap 1/22

TABLA DE CONTENIDO

Pág.

Resumen..............................................................................................................1

I. Introducción ...........................................................................................2

II. Objetivos……………………………………………………….…….….……...3

III. Parte teórica .........................................................................................3

IV. Parte experimental .................................................................................7

V. Tabla de datos........................................................................................9

VI. Cálculos y Graficas................................................................................11

VII. Tabla de resultados ..............................................................................14

VIII. Discusión de resultados .........................................................................16

IX. Conclusiones.........................................................................................16

X. Cuestionario.........................................................................................17

XI. Bibliografía……………………………………………………….….…...…19

XII. Graficas(papel milimetrado)…………………………………..……...……20



LABORATORIO DE FISICOQUIMICA A-II

Equilibrio Líquido -Vapor

1

RESUMEN

Esta práctica tiene como objetivo diagramar temperatura - composición y X-Y para una

mezcla líquida de dos componentes. Para ello, con la ayuda del equipo especial,

determinamos las diferentes temperaturas de ebullición de cada mezcla y sustancia pura,

extrayendo un destilado y residuo de cada una de ellas, los cuales corresponden al vapor y

líquido de la mezcla respectivamente. Luego hallamos la composición de los destilados y

residuos con la ayuda del refractómetro, y los comparamos con las mezclas preparadas

como referencia. A partir de estos datos construimos la grafica temperatura - composición y

X-Y. Estas graficas nos dan los valores tanto de la de la composición como la temperatura

de ebullición de la mezcla azeotrópica. Los resultados fueron favorables en la

determinación del punto de ebullición mas no en la composición, debido a diversosfactores, como son el equipo y las mediciones.





2

I. INTRODUCCION

a estimación del Equilibrio Líquido-Vapor en mezclas multicomponentes es uno de

los aspectos de interés para la ingeniería química y de procesos, ya que aporta

información importante para el diseño de equipos de separación y especialmente

de destilación.

La destilación es una de las operaciones de separación mas utilizada en la industria química,

tanto en el acondicionamiento previo de las materias primas como en la separación de los

productos. Para el diseño de los equipos necesarios es imprescindible el conocimiento del

equilibrio liquido-vapor de la mezcla que se va a separar. Es preciso, por lo tanto, la

determinación experimental del equilibrio liquido-vapor, sobre todo de mezclas

multicomponente, así como el desarrollo de métodos de predicción que permitan calcular

los datos de equilibrio cuando no se disponga de datos experimentales. Por otra parte, los

datos experimentales permiten profundizar en el conocimiento del comportamiento real de

las mezclas y comprobar la calidad de los métodos de predicción y correlación.

L





3

II. OBJETIVO

Determinar el diagrama temperatura – composición y el diagrama x-y, para una

mezcla liquida de dos componentes.

III. PARTE TEORICA

La Ley de Raoult establece que la relación entre la presión de vapor de cada componenteen una solución ideal es dependiente de la presión de vapor de cada componente individualy de la fracción molar de cada componente en la solución, es decir:

, y también

Si se introduce una mezcla de A y B en un recipiente en el que se ha hecho el vacío y en elque se mantiene una temperatura constante, se vaporizarán A y B hasta alcanzar un estadode equilibrio en el que la presión reinante será la presión total de vapor de la mezcla, P, quede acuerdo con la ley de Raoult, tendrá el valor:

(13.2)

siendo XA la composición de la fase líquida en el equilibrio, diferente de la composición

inicial de la mezcla. La presión total es menor que , la presión de vapor del más volátil, y

mayor que , la presión de vapor del componente pesado. La figura 1 muestra eldiagrama de equilibrio a una temperatura T constante.

Fig. 1. Equilibrio L-V a T cte. Mezclas ideales (Fuente: Treybal, 1993, pp.385).

http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n_de_vapor

http://es.wikipedia.org/wiki/Soluci%C3%B3n_ideal

http://es.wikipedia.org/wiki/Fracci%C3%B3n_molar

http://es.wikipedia.org/wiki/Fracci%C3%B3n_molar

http://es.wikipedia.org/wiki/Soluci%C3%B3n_ideal

http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n_de_vapor





4

Equilibrio L-V a P cte. Mezclas ideales (Fuente: Treybal, 1993, pp.381).

Ahora bien, no todas las mezclas se comportan de este modo. Así, por ejemplo, la mezclaetanol-agua no es ideal, no cumple la ley de Raoult. Las desviaciones respecto a esta leypueden ser positivas o negativas, (figuras 2 y 3), según que la presión parcial de cadacomponente sea superior o inferior a la obtenida por la mencionada ley.

Fig. 2. Desviaciones positivas. Fig. 3. Desviaciones negativas

En el entorno de A puro, esto es para se cumple la ley de Raoult para A aunque la

mezcla sea no ideal. En ese mismo rango se satisface la ley de Henry para B: PB =HB . XB, donde HB es la constante de Henry, que sólo depende de la temperatura.

Si las desviaciones son más acusadas, pueden llegar a formarse "AZEÓTROPOS", es decir,mezclas de dos componentes que hierven como si fuese una sustancia pura, con un punto

de ebullición constante y originando un vapor de igual composición que la mezcla líquida de





5

partida. Es evidente, que para estas mezclas no puede conseguirse ninguna separaciónmediante el empleo de la destilación.

Si los líquidos son inmiscibles, sus moléculas no interaccionan entre sí y se vaporizan ycondensan de forma independiente; se puede decir, a todos los efectos, que la mezcla secomporta como si hubiera un tabique de separación entre los líquidos A y B y compartieranun espacio común para los vapores. En el equilibrio, cada componente se comporta comouna sustancia pura; en consecuencia, la presión parcial de equilibrio será igual a la presión

de vapor para cada componente.





6

Si se introducen dos de estos líquidos en un recipiente en el que se ha hecho el vacío, semantiene una temperatura constante, y se agita para evitar la decantación de uno de los

componentes, ambos pasarán al estado de vapor hasta alcanzar un estado de equilibrio enel que la presión total será la suma de las presiones parciales de vapor de los componentespuros, mientras existan ambos en estado líquido, no importando las cantidades presentes

de uno u otro:

Si se introducen ambos en un recipiente con un émbolo, a presión constante, y se aportacalor partiendo de una temperatura baja, ésta aumentará produciéndose la primera burbuja

de vapor cuando P = , siendo TB la temperatura de ebullición. Lacomposición de esa burbuja de vapor es:

, y

Esto significa que pueden obtenerse vapores de A y B a una temperatura inferior a la de suspuntos de ebullición respectivos: TB ~( TB,A y TB ~( TB,B

Si se sigue aportando calor, la temperatura y la composición del vapor permanecen

constantes mientras haya A y B líquidos. Cuando se acabe uno de los dos, la temperatura

aumenta de nuevo, hasta que todo pasa, finalmente, a estado de vapor.





7

IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1. MATERIALES Y REACTIVOS

Materiales:

Equipo especial para puntos de ebullición, termómetro de decimas, mechero de alcohol,

refractómetro, tubos con tapones de corcho y pipetas.

Reactivos:

1-propanol (A), agua destilada (B) y acetona comercial.

2. PROCEDIMIENTO

Determinación de los puntos de ebullición

del sistema

Instalamos el equipo para determinación de

puntos de ebullición (balón de 125ml,

refrigerante de reflujo y un separador para

retirar el destilado). Ver figura 1.

Adicionamos 20ml de 1-propanol (A) en el

balón, luego introducimos el termómetro de

modo que el bulbo quede aproximadamente

en la mitad del líquido contenido en el balón,

calentamos hasta alcanzar el punto de

ebullición y tomamos lectura de la

temperatura; inmediatamente extrajimos 1ml

del destilado; dejamos enfriar con un baño

de agua fría y luego retiramos

aproximadamente 1ml del componente A del

balón (este liquido es el residuo). Así mismo

añadimos cada incremento de agua (B) de

acuerdo a la tabla N°1: repetimos todo el procedimiento, es decir para cada incremento:

calentamos, tomamos lectura del punto de ebullición, retiramos 1ml de

destilado, enfriamos y extrajimos 1ml de residuo.

Por otro lado realizamos un procedimiento parecido; esta vez con 20ml de agua (B):

calentamos, determinamos punto de ebullición, retiramos 1ml de destilado, enfriamos y

FIG. Nº°1





8

extrajimos 1ml de residuo. La diferencia estuvo en que para cada incremento de 1-propanol

según la tabla N°1, se realizo siempre con 20 ml de agua (B) y su respectivo incremento;

lavando todo el equipo para cada incremento.

Determinación de la composición de las mezclas

Se preparo 3ml de mezclas en tubos con tapón de corcho según la tabla N°3 y tomando

lectura de temperatura de agua y 1-propanol puros; y a continuación medimos el índice de

refracción de cada mezcla.

Finalmente medimos índices de refracción para los destilados y residuos obtenidos

anteriormente..

REFRACTOMETRO





9

V. TABLA DE DATOS

A. Para 20mL de 1-propanol con incrementos de agua

TABLA Nº1

Número deincremento

VAGUA (mL)

Tebullición

(oC)

(índice de refracción)

Destilado Residuo

1 0 96.1 1.3850 1.3845

2 0.4 94.1 1.3842 1.3846

3 0.4 93.7 1.3831 1.3849

4 0.4 90.2 1.3816 1.3842

5 0.5 88.5 1.3805 1.3835

6 0.5 88.0 1.3796 1.3822

7 0.5 87.0 1.3786 1.3802

B. Para 20mL de agua con incrementos de 1-propanol

TABLA Nº2

Número deincremento

V1-propanol (mL)

Tebullición

(oC)

(índice de refracción)

Destilado Residuo

1 0 99.5 1.3333 1.3331

2 1.0 92.5 1.3588 1.3343

3 3.0 89.0 1.3738 1.3400

4 5.0 88.5 1.3765 1.3475

5 7.0 88.0 1.3771 1.3505

6 8.0 87.9 1.3642 1.3543

7 8.5 87.4 1.3748 1.3548

8 9.0 87.1 1.3772 1.3546





10

9 9.5 84.2 1.3688 1.3567

C. Mezclas

TABLA Nº3

Número demezcla

V1-propanol (mL)

VAGUA (mL)

(índice derefracción)

1 3.0 0.0 1.3850

2 2.9 0.1 1.3846

3 2.8 0.2 1.3838

4 2.5 0.5 1.3805

5 2.1 0.9 1.3751

6 1.7 1.3 1.3690

7 1.4 1.6 1.3640

8 1.0 2.0 1.3572

9 0.5 2.5 1.3463

10 0.0 3.0 1.3329

D. Datos teóricos

Para el agua y n-propanol

ComponenteDensidad (25ºC)

(g/mL.)Tebull. (Cº)

Wmolecular

(g/mol)IR

1-propanol 0.8048 97.2 60 1.388

Agua 0.9970 100 18 1.333

Para el azeótropo

Teórico

TEBULL. (°C) 88.10

%X1-prop. 43.2





11

VI. CALCULOS Y GRAFICAS

1. Determinación de la Composición del Destilado y Residuo.

a. Calcule el % molar del componente más volátil en cada una de las mezclaspreparadas en la Tabla Nº 3.

El componente más volátil es el 1-propanol

Componente A: 1-propanolComponente B: agua destilada

Primero hallamos el número de moles de A y de B en la mezcla a partir de la siguienteigualdad:

Donde :

NA: moles de A

VA-B: volumen de A ó B

: densidad de A ó B

PMA-B :peso molecular de A óB

NB: moles de B

Entonces el % molar estará dado por:

Hacemos un ejemplo de calculo para las primeras dos mezclas, para los demás

resultados ver TABLA Nº4.

Mezcla 1

⁄

⁄

⁄

⁄





11

%XA = 100

Mezcla 2

⁄

⁄

⁄

⁄

%XA = 87.61

b. Construya la curva de índice de refracción (n) - %molar del componente mas volátil

(%XA) a partir de la TABLA Nº3

CURVA PATRON





12

c. Del grafico, determine el %molar del componente mas volátil de cada una de las

muestras de destilado y residuo

Hallamos el %XA del componente más volátil de cada una de las muestras de

destilado y residuo a partir de la ecuación de la grafica que es:

Despejamos %XA :

Hacemos un ejemplo de cálculo para el segundo incremento de la TABLA Nº1,

tenemos que los índices de refracción de su residuo y destilado son:





13

Entonces reemplazando en la ecuación de la curva tenemos que el valor de %XA para

el residuo y para el destilado son:

*Los demás resultados están en la TABLA Nº5

2. Determinación de las propiedades del Azeótropo

a. Construya el diagrama x-y para el sistema (composición en el vapor vs.

composición en el liquido) en función del componente mas volátil.

Estos valores ya fueron calculados anteriormente, y los resultados están en la

TABLA Nº5. La grafica es la siguiente:





14

b. Construya el diagrama Tº - composición del sistema A-B

Se construyó la grafica con los datos de la TABLA Nº6

c. B

asándose en los diagramas anteriores determine la composición y temperatura de

ebullición de la mezcla azeotrópica. Compare estos valores con lo teóricos.

A partir de la GRAFICA Nº2 podemos obtener el valor de la composición

azeotropica, proyectando el punto de intersección entre las dos curvas al eje X.

55





15

Hallamos el porcentaje de error:

A partir de la GRAFICA Nº3 determinamos la temperatura de ebullición de la mezcla

azeotropica, por la grafica podemos decir que se trata de una mezcla azeotrópica

con temperatura mínima de ebullición.

Hallamos el porcentaje de error:

VII. TABLA DE RESULTADOS

TABLA Nº4

# de MezclaComposición molar de 1-

propanol (%XA)

1 100.00

2 87.61

3 77.21

4 54.74

5 36.156 24.05

7 17.50

8 10.79

9 4.61

10 0

TABLA Nº5





16

De 1-propanol con incrementosde agua

De agua con incrementos de1-propanol

%XA (1-propanol) %XA (1-propanol)

Destilado(vapor) Residuo(líquido) Destilado(vapor) Residuo(líquido)

100 100 0 0

82.71 85.30 11.72 1.78

76.00 87.29 37.16 2.76

67.72 82.71 45.74 4.92

62.22 78.38 47.90 6.19

58.06 70.92 17.76 8.29

53.76 60.81 40.14 8.62

48.28 8.49

25.30 9.97

TABLA Nº6

De 1-propanol con incrementosde agua

De agua con incrementos de1-propanol

Tebullición

(oC)

%XA (1-propanol) Tebullición

(oC)

%XA (1-propanol)

Destilado(vapor)

Residuo(líquido)

Destilado(vapor)

Residuo(líquido)

96.1 100 100 99.5 0 0

94.1 82.71 85.30 92.5 11.72 1.78

93.7 76.00 87.29 89.0 37.16 2.76

90.2 67.72 82.71 88.5 45.74 4.92

88.5 62.22 78.38 88.0 47.90 6.19

88.0 58.06 70.92 87.9 17.76 8.29

87.0 53.76 60.81 87.4 40.14 8.62

87.1 48.28 8.49

84.2 25.30 9.97

VIII. DISCUSION DE RESULTADOS





17

Según los resultados obtenidos en la presente practica podemos decir que nuestro

resultado no fue muy confiable en la determinación de la composición de la mezcla

azeotropica ya que comparándola con la composición teórica sale un error de 27.31%,

esto pudo ser debido a que el equipo no realiza una mezcla homogénea de los

componentes en la fase vapor cuando estos están condensados, una manera de

mejorar el equipo seria incluyendo un agitador magnético para asegurar la perfecta

mezcla de los condensados.

En cuanto a la determinación del punto de ebullición los resultados fueron mejores, (ver

grafico 3) ya que el error, con respecto al punto de ebullición teórico, fue 1.36%, este

resultado fue favorable gracias a que contábamos con un termómetro que media

decimas de grados centígrados, y podíamos tomar las temperaturas de ebullición con

mas exactitud.

Con respecto a las graficas obtenidas podemos decir que estas si tuvieron la tendencia

que se esperaba ya que, de acuerdo con la teoría, se trataba de una mezcla azeotropica

con temperatura mínima de ebullición, lo cual resulto satisfactorio en nuestra

experiencia.

IX. CONCLUSIONES

Es posible analizar el equilibrio liquido-vapor para un sistema binario porque de

acuerdo a la regla de Gibbs, solo se necesitan especificar dos variables para definir

el sistema (Temperatura y composición de un componente)

El sistema agua –1-propanol no se comporta idealmente debido a que describedesviaciones positivas de la ley de Raoult y, a su pequeña diferencia de puntos deebullición. Por ello presenta un azeotropo con temperatura de ebullición mínima.

En una mezcla azeotropica, el punto azeotropico se comporta como si fuese un

liquido puro

de la gráfica x-y para el 1-propanol podemos indicar que al ser el componente másvolátil de la mezcla, esto es que tiende a evaporarse con más facilidad, seencontrará mayor concentración del mismo en la fase vapor que en la fase líquido.

X. CUESTIONARIO

1. Explique las diferencias entre soluciones ideales y reales:





18

Una solución ideal se ajusta a la ley de Raoult, las fuerzas intermoleculares son parecidas o

semejantes; los volúmenes son aditivos, es decir cuando se prepara una solución de dos

componentes con distintos volúmenes v1 y v2, el volumen final de la solución sera de v1+v2;

y la entalpia de solución es igual a cero es decir al preparar una solución ideal la

temperatura no tiene mucha variación. Sin embargo, una solución real no se ajusta a la ley

de Raoult (en soluciones reales se habla de actividad y coeficiente de actividad), esta

presenta una desviación a dicha ley; internamente las fuerzas intermoleculares son

diferentes, los volúmenes no son aditivos y finalmente la entalpia de solución es distinto de

cero.

2. ¿Cuáles son las características de las mezclas azeotrópicas?

En el punto azeotrópico tanto líquido como vapor tienen la misma composición.

Una mezcla azeotropica o un azeotropo es una mezcla liquida de dos o más componentes

que posee un único punto de ebullición fijo; es decir se comporta como una sustancia pura,

como si se tratase de un solo componente. Entonces una mezcla con la composición del

punto azeotrópico hierve a temperatura y presión constante.

El punto azeotrópico se ubica siempre en un máximo o mínimo, dependiendo de la

naturaleza de sus componentes, en la grafica de P vs composición y T vs composición.

En el punto azeotrópico se unen las líneas de líquido y vapor saturado o puntos de burbuja y

rocío.

3. Explique la regla de la palanca, utilizando un diagrama apropiado.

En un diagrama de fases un punto además de

indicar cualitativamente las fases líquido y vapor,

también explica cuantitativamente la cantidad

relativa de cada una de ellas.

La regla de la palanca, se utiliza las distancias Iα y Iβ para encontrar las cantidades proporcionales

entre las fases α y β en equilibrio. Relaciona masa

entre los dos extremos de una palanca con la

distancia del punto de apoyo en equilibrio:

Veamos un ejemplo para comprenderlo mejor:

El la grafica temperatura v.s composición





19

Para conocer a una determinada temperatura la cantidad de líquido u solido presente, por

la regla de la palanca:

En la grafica ml y ms son las masas de líquido y solido en equilibrio respectivamente.

Si se tienen 10g de solido A+B de composición 71,6% de Ay 28,4% de B, punto O. PF A=160°C y

PFB=148°C. TE=80°C. ¿Cuánta masa de solido y líquido coexiste a 100°C?

Del grafico:

X=1,1cm

Y=1,7cm

XI. BIBLIOGRAFIA

Atkins editorial Medica Panamericana- Química Física escrito por Julio de Paula- 8va

Edición, paginas 181-183, Diagrama de Fases y Azeotropos.





20

Fundamentos Teóricos - Prácticos Para El Laboratorio, Lydia Galagobsky Kurman Ed.

Eudea Páginas. 90-91

http://es.wikipedia.org/wiki/Aze%C3%B3tropo

http://depa.pquim.unam.mx/~fermor/blog/programas/clase8.pdf

http://www.scielo.unal.edu.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0120-

28042006000100002&lng=es&nrm=

Atkins, P., "Fisicoquímica", 2da ed., Ed. Addison Wesley, págs. 194, 201-202, 210-212

Castellan G., "Fisicoquímica", 1ra ed., Fondo Educativo , págs. 283-284, 305-310.

EQ LIQ- VAP

Documents

Transcript of EQ LIQ- VAP