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Universidad Nacional del Centro del Perú Facultad de Ingeniería Química

Informe de Laboratorio nº 4 EQUILIBRIO LÍQUIDO–LÍQUIDO EN EL SISTEMA TERNARIO: ACIDO ACETICO-CLOROFORMO -AGUA

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

Por: Sixto Keny, FLORES GASPAR

Alumno del VI ciclo de la facultad de ingeniería Química

Huancayo, noviembre 22 del 2011

EQUILIBRIO LÍQUIDO–LÍQUIDO

Resumen La mezcla binaria acético-cloroformo un sistema de componentes miscibles fue usada para crear el sistema ternario (Ácido Acético – Cloroformo-Agua) buscando con esto determinar la mínima cantidad del disolvente (agua) requerida para la separación en dos fases una la disolución del acido acético en agua y la otra una solución de cloroformo. Los volúmenes 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 bibliografía.

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EQUILIBRIO LÍQUIDO–LÍQUIDO

I. Introducción.

Entre las formas de separación de sustancias se encuentra la extracción liquidoliquido que consiste en la separación de los constituyentes de una disolución liquida por contacto con otro liquido inmiscible que disuelve preferentemente a uno de los constituyentes de la disolución original, dando lugar a la aparición de dos capas liquidas

inmiscibles

de

diferentes densidades. La adición del

disolvente se hace de tal forma que se alcance el equilibrio .este proceso se extiende lógicamente para su aplicación en un proceso unitario en el que la mezcla a tratar ingresa como corriente igualmente llega a la columna el disolvente de la que saldrán 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 (Ácido Acético – Cloroformo-Agua) graficando sus composiciones en un diagrama triangular.

1.1.2. Objetivos específicos

3



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 Teórico 2.1 Equilibrio y estabilidad Considere un sistema cerrado que contiene un número arbitrario de especies y comprende un número arbitrario de fases, en el cual la temperatura y la presión son uniformes (aunque no necesariamente constantes). Se supone que el sistema inicialmente no está en estado de equilibrio con respecto a la transferencia de masa entre las fases y la reacción química. Cualesquiera cambios que ocurran en el sistema son necesariamente irreversibles, y llevan al sistema más cerca de un estado de equilibrio. El estado de equilibrio de un sistema cerrado es aquel estado para el cual la energía

total de Gibbs es un mínimo con respecto a todos los cambios

posibles a las T y P dadas. Este criterio de equilibrio proporciona un método general para la determinación de los estados de equilibrio. Se escribe una expresión para Gt como función de los números de moles (números de mol) de las especies en las diversas fases, y entonces se encuentra el conjunto de valores para los números de moles que minimiza a Gt, sujeta a las restricciones de conservación de masa. Este procedimiento se puede aplicar a problemas de equilibrio de fases, reacción química o equilibrio combinado de fases y reacción química; es más útil para problemas complejos de equilibrio.[2] 2.2. Equilibrio Líquido-líquido (ELL) Muchos pares de especies químicas que se deben mezclar para formar una sola fase líquida dentro de ciertos límites de composición podrían no satisfacer el criterio de estabilidad de la ecuación. Por consiguiente, tales sistemas, se separan en este intervalo de composición en dos fases líquidas de composiciones diferentes.

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Si las fases están en equilibrio termodinámico, el fenómeno es un ejemplo del equilibrio

líquido-líquido (ELL), el cual es importante para operaciones

industriales, por ejemplo, la extracción 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 químicas a través de ambas fases. [2] 2.3. Extracción liquido-liquido La extracción liquido-liquido consiste en la separación de los constituyentes de una disolución liquida por contacto con otro liquido inmiscible que disuelve preferentemente a uno de los constituyentes de la disolución original, dando lugar a la aparición de dos capas liquidas

inmiscibles

de

diferentes

densidades. La disolución a tratar se denomina alimentación, recibiendo el nombre de de disolvente el liquido que s pone en contacto con ella. Después del contacto entre la alimentación y el disolvente se obtiene dos fases liquidas, denominadas: extracto (la más rica en disolvente) y refinado (la mas pobre en disolvente). Separando el disolvente del extracto y del refinado se obtienen el producto extraído y el producto refinado. Como lo que se pretende en la extracción es dividir

la disolución liquida

original en producto extraído y producto refinado , es fundamental la separación del disolvente añadido ala solución,. De aquí que la recuperación del disolvente haya de efectuarse de modo sencillo y económico. En cualquier proceso de extracción se necesita: 1º. Contacto de la solución liquida original con el disolvente. 2º. Separación de las fases liquidas formadas (extracto y refinado). 3º. Recuperación del disolvente. Estos tres apartados conforman lo que se llama comúnmente estadio, etapa o unidad de extracción, que recibe el nombre de ideal o teórico cuando el contacto entre la disolución liquida y el disolvente ha sido lo suficientemente 5

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

Figura 1.proceso de separación al añadir el disolvente a la mezcla inicial

2.3.1. Se usa:



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

• Separación de líquidos con puntos de ebullición próximos, volatilidades relativas cercanas a la unidad. Isómeros. • Separación de mezclas que forman azeótropos. • Separación de sustancias sensibles al calor.[3] • En sustitución de destilaciones en alto vacío, evaporaciones, cristalizaciones costosas. [3-4]

2.3.2. Aplicaciones industriales [1-4]:

• Extracción de compuestos aromáticos y naftenicos para la producción de Aceites lubricantes.

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• Separación de aromáticos (Benceno, Tolueno, Xilenos) de las parafinas con Tetra metileno sulfona. • Separación de metales pesados (Ni, Cu, Zn,…) de efluentes acuosos con ácidos ó aminas. • Recuperación de Uranio. • Extracción de Penicilina y Proteínas.

2.3.1. Equilibrios de extracción.

Al limitar el estudio al caso de separación de dos componentes de una mezcla liquida

a la que se le añade

una componente capaz de disolver

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

Este coeficiente de distribución de los componentes de la mixtura a separa r depende del disolvente empleado, de la composición de la mezcla y de la temperatura de operación. En el caso mas sencillo, el soluto contenido en la disolución original se distribuye entre las fases liquidas inmiscibles, pero en la inmensa mayoría de casos los dos disolventes son parcialmente miscibles entre si y la concentración

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. Representación grafica de sistemas ternarios. 2.3.2.1. Triangulo equilátero En este diagrama los vértices , 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 vértices correspondientes a ese lado , y cualquier punto del interior representa una mezcla. Una representación del sistema a tratar se presenta en la siguiente figura.

Figura 2. Representación de la curva binodal para el sistema Ácido Acético – Cloroformo-Agua [1]

III. Metodología y procedimientos

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3.1. MATERIALES  5 tubos de ensayo 

1 probeta graduada de 10 ml.



2 pipetas de 5 ml.



1 vasos de precipitación de 250 ml.



1 Bureta de 25 ml



Soporte universal



Varilla



Pizeta

3.2. REACTIVOS  acido acético (CH3COOH) 

cloroformo (CHCl3)

 agua destilada (H2O) 3.3. PROCEDIMIENTOS

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

IV. Resultados y Discusión La siguiente tabla muestra los correspondientes valores de los volúmenes de cada componente. 9

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EQUILIBRIO LÍQUIDO–LÍQUIDO Tabla 1.Densidades de las sustancias utilizadas [1]

Sustancia liquida

Densidades: a 15ºC

Acido acético y a (70%)

1.049 g/ml

Acido acético (100%): 1.069g/ml 1.069g/ml Agua:

0.998 g/ml

Cloroformo:

1.489 g/ml

Tabla 2. Datos recabados de las 8 mezclas preparadas.

nº

Volumen(ml) CH COOH 3

H O

CHCl

2

3

1

2.5

2.25

0.5

2

2

1.32

1

3

1.8

0.78

1.2

4

1.5

0.74

1.5

5

1

0.72

2

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

masa   densidad  volumen 

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

m  V

 masas   m  m i

fraccion 

t

mi .................................(2) ;%masa   fraccion 100%  mt

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

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

nº

peso CH COOH 3

1

10

2.67

H O 2

2.25

CHCl

3

0.74

peso total 5.66

% peso CH COOH 3

47.17

H O 2

39.75

CHCl

3

13.07

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en la

EQUILIBRIO LÍQUIDO–LÍQUIDO

2 3 4 5

2.14 1.92 1.6 1.07

1.32 0.78 0.74 0.72

1.49 1.79 2.23 2.98

4.95 4.49 4.57 4.77

43.23 42.76 35.01 22.43

26.67 17.37 16.19 15.09

30.1 39.87 48.8 62.47

Los puntos (composición en peso de cada componente en la mezcla final) hallados se grafican en el diagrama triangular obteniéndose la grafica nº

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

V. Discusión de resultados

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EQUILIBRIO LÍQUIDO–LÍQUIDO



Las composiciones dadas como porcentaje en peso de cada uno de los tres componentes caen en los

límites de la fase rica en agua y la

correspondiente fase rica en cloroformo. 

Para hacer la comparación de los datos experimentales de Ocon Tojo y los propios recabados en el laboratorio de LOPU ha de tenerse en cuenta el parámetro de la temperatura dado que en la bibliografía se reporta a 18ºC, por lo que es lógico que no haya un acercamiento completo.



Para calcular algún error habría que asumir que alguna composición 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 habrá que adecuar la temperatura de trabajo, a los dados por los autores pero cabe la posibilidad de hacer la

corrección

apropiada.

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

fueron

representados en un diagrama triangular y caen al comparar con los de la bibliografía cerca de la isoterma de mezclado. La curva binodal fue calculada utilizando el software matlab reproduciendo el dado en la bibliografía Las respectivas composiciones de la mezcla ternaria en el equilibrio fueron determinadas y presentadas en la tabla nº 3 .

VIII. Bibliografía

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EQUILIBRIO LÍQUIDO–LÍQUIDO

[1]. Ocon Tojo “Problemas de Ingeniería Química – Tomo II” editorial Aguilar – 5ta Edición – 1979. Pág. 111 al 208. [2]. Smith J., Van Ness H., Abott M., “Introducción a la Smith J., Van Ness H., Abott M., Introducción a la Termodinámica para ingenieros Químicos.”. McGraw Hill (1997). Pág. 576 y ss. [3] TREYBAL, R. “Extracción en fase líquida”. Primera edición. UTEA. Capítulos 1-10,13. [4] TREYBAL, R. “Operaciones de Transferencia de Masa”. Segunda Edición. Editorial McGraw-Hill. Capítulo 10.

IX. Anexos

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

Programa en matlab clc,clear,clf n=tan(pi/3);

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EQUILIBRIO LÍQUIDO–LÍQUIDO 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); 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); 14

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EQUILIBRIO LÍQUIDO–LÍQUIDO 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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