informe nº 4 ELL

Universidad Nacional del Centro del PerFacultad de Ingeniera Qumica

Informe de Laboratorio n 4EQUILIBRIO LQUIDOLQUIDO EN EL SISTEMA TERNARIO: ACIDO ACETICO-CLOROFORMO -AGUA

Presentado a: Ms. Salvador Tedulo, ORE VIDALON Docente del curso TERMODINAMICA DE LOS PROCESOS QUIMICOS II

Por: Sixto Keny, FLORES GASPAR

Alumno del VI ciclo de la facultad de ingeniera Qumica

Huancayo, noviembre 22 del 2011

EQUILIBRIO LQUIDOLQUIDO

Resumen La mezcla binaria actico-cloroformo un sistema de componentes miscibles fue usada para crear el sistema ternario (cido Actico Cloroformo-Agua) buscando con esto determinar la mnima cantidad del disolvente (agua) requerida para la separacin en dos fases una la disolucin del acido actico en agua y la otra una solucin de cloroformo. Los volmenes medidos de los tres componentes son usados para graficar las composiciones relativas en un diagrama triangular, y se ve el acercamiento de los puntos a la curva binodal construida con los datos tomados de la bibliografa.

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TERMODINAMICA DE LOS PROCESOS QUIMICOS II


I. Introduccin.

Entre las formas de separacin de sustancias se encuentra la extraccin liquidoliquido que consiste en la separacin de los constituyentes de una disolucin liquida por contacto con otro liquido inmiscible que disuelve preferentemente a uno de los constituyentes de la disolucin original, dando lugar a la aparicin de dos capas liquidas inmiscibles de diferentes densidades. La adicin del

disolvente se hace de tal forma que se alcance el equilibrio .este proceso se extiende lgicamente para su aplicacin en un proceso unitario en el que la mezcla a tratar ingresa como corriente igualmente llega a la columna el disolvente de la que saldrn 2 flujos uno el refinado (rico en el disolvente) y extracto (pobre en el disolvente) 1.1. Objetivos

1.1.1. Objetivo general Determinar el equilibrio para el sistema ternario (cido Actico Cloroformo-Agua) graficando sus composiciones en un diagrama triangular.

1.1.2. Objetivos especficos

Determinar el porcentaje en peso de cada componente de la mezcla Graficar la Curva Binodal para el sistema ternario.

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II. Fundamento Terico 2.1 Equilibrio y estabilidad Considere un sistema cerrado que contiene un nmero arbitrario de especies y comprende un nmero arbitrario de fases, en el cual la temperatura y la presin son uniformes (aunque no necesariamente constantes). Se supone que el sistema inicialmente no est en estado de equilibrio con respecto a la transferencia de masa entre las fases y la reaccin qumica. Cualesquiera cambios que ocurran en el sistema son necesariamente irreversibles, y llevan al sistema ms cerca de un estado de equilibrio. El estado de equilibrio de un sistema cerrado es aquel estado para el cual la energa total de Gibbs es un mnimo con respecto a todos los cambios

posibles a las T y P dadas. Este criterio de equilibrio proporciona un mtodo general para la determinacin de los estados de equilibrio. Se escribe una expresin para Gt como funcin de los nmeros de moles (nmeros de mol) de las especies en las diversas fases, y entonces se encuentra el conjunto de valores para los nmeros de moles que minimiza a Gt, sujeta a las restricciones de conservacin de masa. Este procedimiento se puede aplicar a problemas de equilibrio de fases, reaccin qumica o equilibrio combinado de fases y reaccin qumica; es ms til para problemas complejos de equilibrio.[2] 2.2. Equilibrio Lquido-lquido (ELL) Muchos pares de especies qumicas que se deben mezclar para formar una sola fase lquida dentro de ciertos lmites de composicin podran no satisfacer el criterio de estabilidad de la ecuacin. Por consiguiente, tales sistemas, se separan en este intervalo de composicin en dos fases lquidas de composiciones diferentes.

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Si las fases estn en equilibrio termodinmico, el fenmeno es un ejemplo del equilibrio lquido-lquido (ELL), el cual es importante para operaciones

industriales, por ejemplo, la extraccin con disolventes. Los criterios de equilibrio para ELL son los mismos que para el EVL, es decir, uniformidad de T y P y de la fugacidad, para cada una de las especies qumicas a travs de ambas fases. [2] 2.3. Extraccin liquido-liquido La extraccin liquido-liquido consiste en la separacin de los constituyentes de una disolucin liquida por contacto con otro liquido inmiscible que disuelve preferentemente a uno de los constituyentes de la disolucin original, dando lugar a la aparicin de dos capas liquidas densidades. La disolucin a tratar se denomina alimentacin, recibiendo el nombre de de disolvente el liquido que s pone en contacto con ella. Despus del contacto entre la alimentacin y el disolvente se obtiene dos fases liquidas, denominadas: extracto (la ms rica en disolvente) y refinado (la mas pobre en disolvente). Separando el disolvente del extracto y del refinado se obtienen el producto extrado y el producto refinado. Como lo que se pretende en la extraccin es dividir la disolucin liquida inmiscibles de diferentes

original en producto extrado y producto refinado , es fundamental la separacin del disolvente aadido ala solucin,. De aqu que la recuperacin del disolvente haya de efectuarse de modo sencillo y econmico. En cualquier proceso de extraccin se necesita: 1. Contacto de la solucin liquida original con el disolvente. 2. Separacin de las fases liquidas formadas (extracto y refinado). 3. Recuperacin del disolvente. Estos tres apartados conforman lo que se llama comnmente estadio, etapa o unidad de extraccin, que recibe el nombre de ideal o terico cuando el contacto entre la disolucin liquida y el disolvente ha sido lo suficientemente5 TERMODINAMICA DE LOS PROCESOS QUIMICOS II


intimo para que las fases liquidas separadas tengan las concentraciones en consonancia a las condiciones de equilibrio. Los diversos mtodos de extraccin difieren en la forma de efectuar la mezcla con el disolvente y en la separacin de las fases formadas en cada uno de los estadios o etapas. La separacin se basa adems en las distintas solubilidades del soluto en las 2 fases, la siguiente figura ilustra el proceso.

Figura 1.proceso de separacin al aadir el disolvente a la mezcla inicial

2.3.1. Se usa:

Cuando fallan los mtodos directos o proporcione un proceso total menos costoso:

Separacin de lquidos con puntos de ebullicin prximos, volatilidades relativas cercanas a la unidad. Ismeros. Separacin de mezclas que forman azetropos. Separacin de sustancias sensibles al calor.[3] En sustitucin de destilaciones en alto vaco, evaporaciones, cristalizaciones costosas. [3-4]

2.3.2. Aplicaciones industriales [1-4]:

Extraccin de compuestos aromticos y naftenicos para la produccin de Aceites lubricantes.

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Separacin de aromticos (Benceno, Tolueno, Xilenos) de las parafinas con Tetra metileno sulfona. Separacin de metales pesados (Ni, Cu, Zn,) de efluentes acuosos con cidos aminas. Recuperacin de Uranio. Extraccin de Penicilina y Protenas.

2.3.1. Equilibrios de extraccin.

Al limitar el estudio al caso de separacin de dos componentes de una mezcla liquida a la que se le aade una componente capaz de disolver

selectivamente a uno de los constituyentes de dicha mezcla. Se denomina coeficiente de distribucin o de reparto de un componente i entre las dos fases liquidas separadas (extracto E y refinado R) ala razn de concentraciones que alcanza ese componente en ambas fases en equilibrio.

Este coeficiente de distribucin de los componentes de la mixtura a separa r depende del disolvente empleado, de la composicin de la mezcla y de la temperatura de operacin. En el caso mas sencillo, el soluto contenido en la disolucin original se distribuye entre las fases liquidas inmiscibles, pero en la inmensa mayora de casos los dos disolventes son parcialmente miscibles entre si y la concentracin del soluto influye sobre la solubilidad mutua de

ambos componentes; es decir, el conocimiento de los datos d equilibrio correspondiente a los tres sistemas binarios que constituyen el sistema

ternario es insuficiente para predecir el comportamiento de este.los datos de equilibrio han determinarse experimentalmente y se representan en graficas adecuadas.[1]

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2.3.2. Representacin grafica de sistemas ternarios. 2.3.2.1. Triangulo equiltero En este diagrama los vrtices , se representan los componentes puros; sobre cada lado se representan las mezclas binarias de los componentes puros; sobre cada lado se representan las mezclas binarias de los componentes que se encuentran en los vrtices correspondientes a ese lado , y cualquier punto del interior representa una mezcla. Una representacin del sistema a tratar se presenta en la siguiente figura.

Figura 2. Representacin de la curva binodal para el sistema cido Actico Cloroformo-Agua [1]

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III. Metodologa y procedimientos 3.1. MATERIALES 5 tubos de ensayo 1 probeta graduada de 10 ml. 2 pipetas de 5 ml. 1 vasos de precipitacin de 250 ml. 1 Bureta de 25 ml Soporte universal Varilla Pizeta

3.2. REACTIVOS acido actico (CH3COOH) cloroformo (CHCl3) agua destilada (H2O) 3.3. PROCEDIMIENTOS

1) Preparar una mezcla de cloroformo y cido Actico en las proporciones a eleccin en la tabla 2. Se notara que Ambas sustancias son totalmente miscibles. 2) Usando una bureta se aade agua destilada (esto para medir exactamente los mililitros agregados), hasta la formacin de las dos fases. La precisin con que se haga este paso determinara la validez de los resultados

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IV. Resultados y Discusin La siguiente tabla muestra los correspondientes valores de los volmenes de cada componente.Tabla 1.Densidades de las sustancias utilizadas [1]

Sustancia liquida Acido actico y a (70%)

Densidades: a 15C 1.049 g/ml

Acido actico (100%): 1.069g/ml 1.069g/ml Agua: Cloroformo: 0.998 g/ml 1.489 g/ml

Tabla 2. Datos recabados de las 8 mezclas preparadas.

n 1 2 3 4 5

Volumen(ml)CH COOH3

H O2

CHCl

3

2.5 2 1.8 1.5 1

2.25 1.32 0.78 0.74 0.72

0.5 1 1.2 1.5 2

Para calcular la composicin de cada sustancia se hace uso de las siguientes relaciones as como de la tabla [1] y [2]

masa densidad volumen m V

............................................(1)

masas m mi

t

fraccion

mi .................................(2) ;%masa fraccion 100% mten la

Los resultados obtenidos usando estas relaciones (1 y 2) se resumen siguiente tabla

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EQUILIBRIO LQUIDOLQUIDOTabla 3. Porcentajes en peso calculadas usando las relaciones (1) y (2).

n 1 2 3 4 5

pesoCH COOH3

H O2

CHCl

3

2.67 2.14 1.92 1.6 1.07

2.25 1.32 0.78 0.74 0.72

0.74 1.49 1.79 2.23 2.98

peso total 5.66 4.95 4.49 4.57 4.77

% pesoCH COOH3

H O2

CHCl

3

47.17 43.23 42.76 35.01 22.43

39.75 26.67 17.37 16.19 15.09

13.07 30.1 39.87 48.8 62.47

Los puntos (composicin en peso de cada componente en la mezcla final) hallados se grafican en el diagrama triangular obtenindose la grafica n

Grafico 1. Representacin de las composiciones de mezcla dados en la tabla 3.

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V. Discusin de resultados Las composiciones dadas como porcentaje en peso de cada uno de los tres componentes caen en los lmites de la fase rica en agua y la

correspondiente fase rica en cloroformo. Para hacer la comparacin de los datos experimentales de Ocon Tojo y los propios recabados en el laboratorio de LOPU ha de tenerse en cuenta el parmetro de la temperatura dado que en la bibliografa se reporta a 18C, por lo que es lgico que no haya un acercamiento completo. Para calcular algn error habra que asumir que alguna composicin de la mezcla sea la verdadera y no se tiene motivos para eso puesto que de los reactivos no se tiene la seguridad de su pureza.

VI. Recomendaciones

Para Verificar los resultados habr que adecuar la temperatura de trabajo, a los dados por los autores pero cabe la posibilidad de hacer la apropiada. correccin

VII. Conclusiones Los resultados (composiciones de la mezcla ternaria) obtenidos fueron

representados en un diagrama triangular y caen al comparar con los de la bibliografa cerca de la isoterma de mezclado. La curva binodal fue calculada utilizando el software matlab reproduciendo el dado en la bibliografa Las respectivas composiciones de la mezcla ternaria en el equilibrio fueron determinadas y presentadas en la tabla n 3 .

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VIII. Bibliografa [1]. Ocon Tojo Problemas de Ingeniera Qumica Tomo II editorial Aguilar 5ta Edicin 1979. Pg. 111 al 208. [2]. Smith J., Van Ness H., Abott M., Introduccin a la Smith J., Van Ness H., Abott M., Introduccin a la Termodinmica para ingenieros Qumicos.. McGraw Hill (1997). Pg. 576 y ss. [3] TREYBAL, R. Extraccin en fase lquida. Primera edicin. UTEA. Captulos 1-10,13. [4] TREYBAL, R. Operaciones de Transferencia de Masa. Segunda Edicin. Editorial McGraw-Hill. Captulo 10.

IX. Anexos

Figura 3. Ventana de figura en matlab luego de hacer correr el siguiente programa

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Programa en matlabclc,clear,clf n=tan(pi/3); h=sin(pi/6); l=cos(pi/6); cl=[99.01 91.85 80.00 70.13 67.15 59.99 55.81]; ag=[0.99 1.38 2.28 4.12 5.20 7.93 9.58]; cl1=[0.84 1.21 7.30 15.11 18.33 25.20 28.85]; ag1=[99.16 73.16 48.58 34.71 31.11 25.39 23.28]; AE=100-cl;AF=ag; xa1=(AE-AF)/2+AF;;ya1=(AE-AF)*l; AE1=100-ag1; AF1=cl1; xb1=100-((AE1-AF1)/2+AF1);yb1=(AE1-AF1)*l; x=[13.14790287 30.11512107 39.80006415 48.81412386 62.49003265]; y=[39.75 26.67 17.37 16.19 15.09]; Ae1=100-x;Af1=y; xt1=((Ae1-Af1)/2+Af1);yt1=(Ae1-Af1)*l; a1=[xa1(1) xb1(1)];b1=[ya1(1) yb1(1)]; a2=[xa1(2) xb1(2)];b2=[ya1(2) yb1(2)]; a3=[xa1(3) xb1(3)];b3=[ya1(3) yb1(3)]; a4=[xa1(4) xb1(4)];b4=[ya1(4) yb1(4)]; a5=[xa1(5) xb1(5)];b5=[ya1(5) yb1(5)]; a6=[xa1(6) xb1(6)];b6=[ya1(6) yb1(6)]; a7=[xa1(7) xb1(7)];b7=[ya1(7) yb1(7)]; x1=xb1(1)-(yb1(1)-ya1(1))*cot(pi/3); x2=xb1(2)-(yb1(2)-ya1(2))*cot(pi/3); x3=xb1(3)-(yb1(3)-ya1(3))*cot(pi/3); x4=xb1(4)-(yb1(4)-ya1(4))*cot(pi/3);14 TERMODINAMICA DE LOS PROCESOS QUIMICOS II

EQUILIBRIO LQUIDOLQUIDO x5=xb1(5)-(yb1(5)-ya1(5))*cot(pi/3); x6=xb1(6)-(yb1(6)-ya1(6))*cot(pi/3); x7=xb1(7)-(yb1(7)-ya1(7))*cot(pi/3); xll=[x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7];

for m=0:1:100 ax=m:0.1*h:50+h*m; ay=(-m+ax)*n; bx=m*h:0.1*h:m; by=(m-bx)*n; cx=50-m*h:0.1*h:50+m*h; cy=l*(100-m); hold on plot(ax,ay,'g',bx,by,'g',cx,cy,'g',xa1,ya1,'B',xb1,yb1,'B',xt1,yt1,'o',xll,ya1,'M',a1,b1,'r',a2,b2,'r',a3,b3,'r',a4,b4,'r', a5,b5,'r',a6,b6,'r',a7,b7,'r') end for i=0:5:100 axi=i:0.1*h:50+h*i; ayi=(-i+axi)*n; bxi=i*h:0.1*h:i; byi=(i-bxi)*n; cxi=50-i*h:0.1*h:50+i*h; cyi=l*(100-i); plot(axi,ayi,'k',bxi,byi,'k',cxi,cyi,'k') end

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