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Maestría en Ingeniería Química Aplicada

DIAGRAMA DE FASES PARA CO2 SIMULACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS

CLARA ISABEL RUIZ SANCHEZ

Simulación de Procesos Químicos

Maestría en Ingeniería Química Aplicada DIAGRAMA DE FASES CO2 Es necesario determinar el estado de un fluido homogéneo puro cada vez que se dan valores definidos a dos propiedades termodinámicas intensivas. En contraste cuando dos fases están en equilibrio, el estado del sistema se establece al especificar solo una propiedad.

Diagrama de fases Son representaciones gráficas de presión vs. temperatura, a las que las fases 1 sólida, líquida y gaseosa de una sustancia existen. En esta representación se incluye la variación de presión de vapor del sólido y del líquido, y la variación de la temperatura de fusión con la presión. El siguiente diagrama corresponde al dióxido de carbono, en donde se puede observar las condiciones de existencia de una sola fase que son las zonas delimitadas por las líneas de equilibrio S-G, S-L, L-G; la existencia de dos fases para las condiciones de P y T a las que existen dichas líneas; y el punto donde confluyen todas las líneas de equilibrio, denominado punto triple, que indica las condiciones de presión y temperatura donde coexisten las tres fases o estados físicos.[ CITATION Uni \l 12298 ]

Ilustración 1 Diagrama de fases para CO2

El diagrama de fases se construye a partir de ensayos termo mecánicos; el análisis térmico típico consiste en suministrar energía a la muestra de sustancia a ensayar, a un ritmo conocido (e.g. mediante una resistencia eléctrica), y ver cómo varía su temperatura y otras 1

Parte homogénea de un sistema

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Maestría en Ingeniería Química Aplicada propiedades térmicas, en general a presión constante (si se trata de gases, en un baño hidrostático). El análisis térmico tiene una gran importancia en la determinación de la composición de un sistema (se miden los puntos de cambio de fase, la energía involucrada en el cambio y la capacidad térmica) y se utiliza corrientemente para la caracterización de sustancias en toda la industria fisicoquímica (metalurgia, farmacia, alimentación). Para una sustancia pura de poca masa molar, como el CO2, el diagrama de fases esquemático se muestra en la siguiente figura:

Ilustración 2 Diagrama de fases esquemático

Diagrama de fases (p-T), y diagrama p-v-T de los estados de equilibrio de una sustancia pura como el dióxido de carbono, con la nomenclatura para los cambios de fase. Al paso de vapor a líquido también se le llama licuación (o licuefacción, que ambas formas vienen en el diccionario). A veces, se restringe la región supercrítica al cuadrante T>TCR, p>pCR, y también otras veces se restringe el nombre de vapor al estado gaseoso en equilibrio bifásico (así se dice, e.g., vapor de butano a la parte gaseosa dentro de la botella a presión, pero gas butano una vez que sale de la botella).

Punto Triple El punto triple es aquel en el cual coexisten en equilibrio el estado sólido, el estado líquido y el estado gaseoso de una sustancia. Se define con una temperatura y una presión de vapor.[ CITATION Equ \l 12298 ]

Sustancia Dióxido de carbono

Temperatura (K) 216,55

Presión (KPa) 517

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Ilustración 3 Punto triple del CO2

El punto O es el punto triple donde se tienen los valores de presión y temperatura únicos a los que coexisten las tres fases, solido, liquido y gas en equilibrio. Para el punto triple para el CO2, tenemos:

T =−56,4 ℃ y P=5,2 atm

Punto critico El punto crítico es la temperatura más alta a la que el líquido y el gas (de una substancia pura) pueden coexistir y corresponde a una temperatura diferente para cada substancia. [ CITATION LaG \l 12298 ] . Un liquido se puede evaporar reduciendo la presión sobre el liquido por debajo del valor de su presión de vapor, por otro lado, un gas se puede licuar comprimiéndolo a una presión por encima del valor de la presión de vapor del líquido. [ CITATION Smi \l 12298 ]

Ilustración 4 El punto crítico líquido-vapor a presión-temperatura diagrama de fase

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Maestría en Ingeniería Química Aplicada Propiedades del punto crítico Cerca del punto crítico hay cambios espectaculares en las propiedades físicas del sistema: 

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Las fluctuaciones en la densidad, causadas por la agregación de grupos de moléculas al azar, se amplifican y dan lugar a la dispersión de la luz incidente. Fluidos por lo general transparentes, como el xénon o el agua, quedan con apariencia lechosa. El fluido se hace extremadamente ‘suave’ y se comprime bajo la influencia de su propio peso. Por ejemplo, la minúscula presión de 4 mm de Hg provoca una compresión de 10% en el xénon. En contrapartida es necesaria una altura de 1 Km para obtener una variación semejante en la densidad atmosférica. El fluido se hace extremadamente lento desde el punto de vista térmico –el transporte de calor a lo largo de 1 cm de xenón cerca del punto crítico puede demorar días, mientras que para el aire ambiente demora apenas 1s.

Cera del punto crítico la difusión mutua entre las dos fases prácticamente cesa, las ondas sonoras son fuertemente atenuadas en el espacio de una pequeña longitud de onda, un haz de láser se dispersa con fuerza (ver página siguiente), la capacidad calorífica y la conductividad térmica divergen y son necesarias horas, o aún días, para alcanzar el equilibrio térmico después de una perturbación como esta. Sin embargo el aspecto fundamental, es el más sorprendente de los sistemas críticos, es su universalidad: la estructura microscópica se convierte en irrelevante y sistemas diferentes tienen las mismas propiedades críticas.[ CITATION LaG \l 12298 ]

Ilustración 5 Punto critic

En el punto crítico C para el CO2, la temperatura critica es T c =31,1℃ y P c =73 atm

Punto de fusión El punto de fusión es la temperatura a la cual un sólido pasa a líquido a la presión atmosférica[ CITATION Ope \l 12298 ]. Durante el proceso de cambio de estado de una

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Maestría en Ingeniería Química Aplicada substancia pura, la temperatura se mantiene constante puesto que todo el calor se emplea en el proceso de fusión. Es decir, la sustancia sólida se calienta al punto tal que, su estado físico cambia de sólido a líquido, se funde. El punto de fusión a través del cual una sustancia cambia de estado tras una temperatura constante e invariable y bajo una presión normal. A diferencia del punto de ebullición, el punto de fusión no es particularmente afectado por la presión, por lo tanto, permite establecer la pureza de la sustancia. De allí, que el punto de fusión se considere como una propiedad física y constante de la materia, es decir, este proceso no se ve afectado por el volumen de la misma.

Punto de ebullición Cuando se calienta un líquido, alcanza eventualmente una temperatura en la cual la presión del vapor es lo bastante grande que se forman burbujas dentro del cuerpo del líquido. Esta temperatura se llama punto ebullición. Una vez que el líquido comience a hervir, la temperatura permanece constante hasta que todo el líquido se ha convertido a gas. [ CITATION Cen \l 12298 ]

Ilustración 6 Punto de ebullición del agua en función de la presión de vapor

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Si consideramos una presión de 1 atm y 5 ℃, el CO2 se encuentra en estado Gaseoso

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