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UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA Y DE ALIMENTOS FISICOQUÍMICA II

LABORATORIO Nº3:

“Equilibrio de fases binario: Líquido-Vapor” INSTRUCTOR:

Ing. José Aníbal Erazo GRUPO DE LABORATORIO: N° 2

INTEGRANTES: APELLIDOS

NOMBRES

CARNET

Flores Aguilar

Ángel Mauricio

FA16018

Gallegos Velasco

Karen Beatriz

GV14036

Guerrero Flores

Jesús Abraham

GF12010

FECHA DE REALIZACIÓN DE EXPERIMENTO:

Martes 22 de mayo de 2018

Ciudad Universitaria, domingo 03 de junio de 2018

I. RESUMEN

En esta práctica se analizó el equilibrio líquido-vapor para una mezcla de acetona (20% v/v) y cloroformo (80% v/v). Utilizando la diferencia de sus puntos de ebullición como referencia y con ayuda de un equipo de destilación se obtuvieron dos destilados y dos residuos, de los cuales se tomaron 10 mL de cada uno. Por medio de diferencia de pesos se determinó la densidad de cada solución. Por medio de una interpolación se estimó la composición de acetona de cada solución. Para los demás cálculos se auxilió de la regla de la palanca inversa y de la lectura de composiciones en diagramas.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO

El

comportamiento

cualitativo

del

equilibrio

liquido-vapor

(ELV),

puede

representarse mediante diagramas presión-composición (a T fija) o diagramas Temperaturas-Composición (a P fija). El comportamiento de ELV de todos los pares de líquidos miscibles se clasifican en tres tipos:

-

Tipo I: Estos son sistemas binarios cuya presión total de vapores intermedia entre aquella de los componentes puros. En las soluciones tipo I el vapor a todas las concentraciones de las soluciones es más rico en el componente más volátil del sistema. En la figura puede observarse que la concentración de vapor que corresponde al punto A debe ser más rica en el componente B (componente más volátil).

-

Tipo II: Son sistemas binarios que exhiben un máximo en la curva presión de vapor-composición (a T fija) y un mínimo en la curva temperaturacomposición (a P fija). En los sistemas tipo II este punto de inflexión se conoce como punto azeotrópico se caracteriza porque en el coinciden las composiciones del líquido y vapor de cada componente. Como se muestra en la figura, en estos sistemas todas las mezclas comprendidas entre los puntos A y C (punto a fracción creo del componente A y el punto azeotrópico) deben tener vapores más ricos en el componente B que la mezcla liquida,

mientras que todas las mezclas entre B y C deben ser más ricas en el componente A que la mezcla líquida.

- Tipo III: Son sistemas que exhiben un mínimo en la curva presión de vapor total-composición (a T fija) y un mínimo en la curva temperatura-composición (a P fija). Como se muestra en la figura, las composiciones de vapor deben ser más ricas en el componente entre los puntos A y D (punto de composición cero de A y punto azeotrópico).

El ELV es la base para la realización de la destilación. La destilación es el proceso de transferencia de masa que se basa en que dos líquidos pueden separarse aplicando temperatura hasta alcanzar el punto de ebullición del componente más volátil. Esto siempre y cuando los líquidos tengan puntos de ebullición diferentes; entre más distantes sean los puntos de ebullición más fácil será separarlos y entre

más cercanos más difícil será separarlos. Si los puntos de ebullición son muy similares la separación por éste método es imposible.

La separación puede ser: 

BATCH: La mezcla es colocada en un destilador, se calienta hasta un punto intermedio entre las temperaturas de ebullición de los dos componentes a separar (esto si tenemos una mezcla binaria; pueden haber más de dos componentes).



CONTINUA: Al destilador entra una mezcla de composición constante, la cual se separa en dos o más corrientes. En el caso de una mezcla binaria y destilación no fraccionaria tenemos:

-

Destilado: Sale de la parte superior de la columna en forma de vapor y su composición es rica en el componente más volátil.

-

Residuo: sale en la parte más baja de la columna y su composición es rica en el componente menos volátil.

III. MATERIALES Y MÉTODOS

Durante la práctica de laboratorio que se llevó a cabo sobre sistemas binarios en equilibrio líquido-vapor se utilizaron diferentes equipos y cristalería de laboratorio. El método que se utilizó en el laboratorio consistió en armar un sistema para destilación y así poder separar los componentes de la mezcla.

Material y Equipo Equipo de destilación Matraz Erlenmeyer Beaker Probetas Hot Plate Picnómetro

El proceso experimental se llevó a cabo de la siguiente manera:

Se preparó una mezcla de acetona al 20% v/v y cloroformo al 80% v/v. Ésta solución se sometió al proceso de destilación para obtener dos soluciones: el destilado y el residuo. Se extrajo una muestra de 10 mL de cada solución en un picnómetro que previamente fue pesado y luego se pesó de nuevo para obtener el peso de la solución mediante una diferencia para calcular las densidades de las soluciones.

IV. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS Cuestionario 1. ¿Cuál es la composición de cada una de las fases para las mezclas realizadas? Basándonos en los datos experimentales es necesario interpolar para obtener las composiciones de acetona para cada una de sus mezclas: -

Mezcla 1: La densidad del destilado 1 es de 1.36g/ml Densidad de mezcla

X de acetona

1.3836

0.224

1.36

X (acetona)

1.3058

0.333

XACETONA =

(1.36−1.3058)(0.224−0.333) 1.3836−1.3058

+ 0.333 = 0.2571

1- XACETONA = XCLOROFORMO XCLOROFORMO = 0.7429

La densidad del residuo 1 es de 1.32g/ml Densidad de mezcla

X de acetona

1.3836

0.224

1.32

X (acetona)

1.3058

0.333

XACETONA =

(1.32−1.3058)(0.224−0.333) 1.3836−1.3058

+ 0.333 = 0.3131

1- XACETONA = XCLOROFORMO XCLOROFORMO = 0.6869 -

Mezcla 2: La densidad del destilado 1 es de 1.35g/ml Densidad de mezcla

X de acetona

1.3836

0.224

1.35

X (acetona)

1.3058

0.333

XACETONA =

(1.35−1.3058)(0.224−0.333) 1.3836−1.3058

+ 0.333 = 0.2711

1- XACETONA = XCLOROFORMO XCLOROFORMO = 0.7289

La densidad del residuo 1 es de 1.32g/ml Densidad de mezcla

X de acetona

1.3836

0.224

1.32

X (acetona)

1.3058

0.333

XACETONA =

(1.32−1.3058)(0.224−0.333) 1.3836−1.3058

+ 0.333 = 0.3131

1- XACETONA = XCLOROFORMO XCLOROFORMO = 0.6869

2. ¿Cuál es el componente más volátil? Tomando en cuenta los puntos de ebullición tanto del cloroformo como de la acetona 61°C y 56°C respectivamente, concluimos que el más volátil es el que posee el menor punto de ebullición; por lo tanto, la acetona es el componente con mayor volatilidad.

3. ¿Cuál sería el componente más volátil suponiendo que se realizara una destilación simple de una mezcla acetona-benceno? Nuevamente nos basamos en los puntos normales de ebullición de cada componente, estos son: 56°C para la acetona y 81°C para el benceno. Así como la pregunta anterior, el componente más volátil sigue siendo la acetona por presentar menor punto de ebullición.

4. Describa cada una de las fases del proceso. Este proceso consta de dos fases, un destilado (fase gaseosa que se condensa) que deberá contener en mayor proporción la composición del componente más volátil (la acetona). Por otra parte, está el residuo del destilado (fase líquida) cuya composición será en mayor escala la del componente menos volátil (cloroformo).

5. Utilizando el diagrama T, X, Y establezca para una composición molar de 70% acetona y una T=59.5 grados centígrados, establezca cuál es la composición en la fase vapor y cual en la fase líquida. La composición de acetona en la fase vapor a estas condiciones es de 73.85% y la composición de cloroformo es de 26.15%. La composición en la fase líquida de acetona es de 64.62% y la del cloroformo 35.38% (datos de composición aproximados sacados de los gráficos que están en el Anexo).

6. ¿Cómo calcularía la masa del componente A en cada fase si se alimenta al sistema 120 kg de A con una composición del 60% peso y el sistema opera a una temperatura de 130°C? Válgase de la figura 2 y la regla de la palanca. Sabiendo que la composición global de A es 60% y que la composición de A en la fase 1 es de 47.14% y la composición de A en la fase 2 es de 61.43% (ver 2do gráfico de los anexos), podemos aplicar la regla de la palanca inversa.

𝑋𝐴 𝑒𝑛 𝐼𝐼 − 𝑋𝑔 𝑀𝐼 = 𝑀𝑇 𝑋𝐴 𝑒𝑛 𝐼𝐼 − 𝑋𝐴 𝑒𝑛 𝐼 𝑀𝐼 =

(0.6143 − 0.6)(120𝑘𝑔) = 12.0084𝑘𝑔 0.6143 − 0.4714 𝑀𝐼𝐼 = 𝑀𝑇 − 𝑀𝐼 = 107.9916𝑘𝑔

Sabiendo la composición de A en cada fase y la masa de cada fase se puede encontrar la cantidad de A en cada fase así: 𝑀𝐴 𝑒𝑛 𝐼 = 𝑋𝐴 𝑒𝑛 𝐼 × 𝑀𝐼 𝑀𝐴 𝑒𝑛 𝐼 = (0.4714)(12.0084 𝑘𝑔) = 5.6601 𝑘𝑔 𝑀𝐴 𝑒𝑛 𝐼𝐼 = 𝑋𝐴 𝑒𝑛 𝐼𝐼 × 𝑀𝐼𝐼 𝑀𝐴 𝑒𝑛 𝐼𝐼 = (0.6143)(107.9916 𝑘𝑔) = 66.3392 𝑘𝑔

V. CONCLUSIONES

-

Si se desea separar una mezcla binaria de dos líquidos por el método de “Destilación” es necesario conocer los puntos de ebullición de los compuestos que están presentes en esa mezcla, ya que se aumenta la temperatura hasta alcanzar el punto de ebullición del componente más volátil.

-

Cuando trabajamos con una mezcla binaria, el punto de ebullición es un factor que permite conocer cuál de los dos compuestos es más volátil.

-

La separación utilizada en la práctica de laboratorio fue la “Destilación BATCH” cuya desventaja es que se necesita que los puntos de ebullición estén sumamente distantes el uno del otro para poder sacar un punto intermedio entre esas temperaturas y calentar hasta ese punto intermedio para que se separen.

VII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

-

Ira N. Levine. “Fisicoquímica”. Editorial: Mc Graw Hill, quinta edición, Volumen 1, Madrid, 2004.

-

Manual de laboratorio de Fisicoquímica II. Universidad de El Salvador, 2018.

-

Fundamentos de Termodinámica, G.J. Van Wylen, R.E. Sonntag y C. Borgnakke, 2a edición en español, Ed. LIMUSA-Wiley.

-

Introducción a la termodinámica en ingeniería química / Smith, J. M.; Van Ness, H. C.; Abbott, Michael M. -- 5a. ed -- México: McGraw-Hill, 1997.

VIII. ANEXOS