Equilibrio de fases liquido-vapor

EQUILIBRIO DE FASES LIQUIDO-VAPOR.

Avilez Höppner Hernán (2060057), Bueno Hernández Brian Andrés (2060099), Osorio Ospina Etan Daniel (2060192).

Universidad del Valle sede Tuluá - Departamento de Ingeniería de Alimentos

Taller y Laboratorio de Ingeniería de Alimentos III

Tuluá – Valle del Cauca, Colombia

Diciembre 7 de 2022.

RESUMEN.

El presente informe tiene la finalidad de estudiar el equilibrio líquido-vapor de un sistema binario de etanol y agua, determinando si estás siguen la ley de Raoult y por medio de un diagrama presión constante encontrar el punto en que estos componentes forman un azeótropo. Para el estudio se realizan 7 soluciones con diferentes concentraciones %v/v de etanol para luego separar sus componentes por medio de una destilación simple, tomando además las temperaturas a la que la mezcla empieza a ebullir y la temperatura a la que se inicia la destilación. Se obtuvieron dos gráficas una de la fracción molar de la fase líquida siendo la esperada y otra gráfica de la fase de vapor siendo el vapor real luego de la destilación, obteniendo una desviación por debajo de la ley de Raoult diciendo que las presiones parciales de ambos componentes son menores a las esperadas y se obtuvo un punto azeotrópico entre 0,5 y 0,6 de fracción molar.

Palabras claves: (fracción molar, azeotrópico, sistema binario, destilación).

INTRODUCCIÓN.

La destilación es la operación de separación más antigua y la operación unitaria más ampliamente utilizada en la industria. Esta utiliza principios de separación: transferencia de calor y masa, equilibrio termodinámico; poniendo como criterio la temperatura de ebullición de la sustancia más volátil. En el proceso de separación hay tres etapas: 1) Formación de dos fases, 2) transferencia de calor y masa entre las fases y 3) separación de fases. La destilación es una técnica comúnmente utilizada para la separación de mínimo un componente de una corriente líquida con puntos de ebullición relativamente diferentes. Este proceso permite fraccionar los componentes de la mezcla de acuerdo con su volatilidad relativa para así obtener una corriente con el producto más volátil y otra rica en el menos volátil. Para la separación del etanol se utiliza la destilación convencional, generalmente en dos fases, para obtener una mezcla cercana a la azeotrópica (mezcla líquida cuyo punto de ebullición es constante). En el punto azeotrópico la composición en el vapor es idéntica a la composición en el líquido (Zapata et al, 2020)

El equilibrio vapor es el estado en que se encuentran las fases liquido-vapor de un sistema de componentes que se ha dado suficiente tiempo para que alcance un estado estacionario, en el cual la composición de las fases difiere entre sí y se tiene una energía mínima de Gibbs. (Echavarría et al, 2008).

La determinación del equilibrio permite el estudio del comportamiento de sistemas, en los cuales coexisten dos o más componentes. Bajo este fundamente se tratan procesos de separación, los cuales buscan enriquecer o purificar uno de los componentes del sistema para obtener un beneficio, ya sea de su aplicación en un proceso posterior o para lograr un producto final. (Echavarría et al, 2008).

Cuando se presenta coexistencia entre las fases liquido-vapor necesariamente se debe considerar la existencia de un equilibrio entre las mismas. La primera aproximación a este sistema es el modelo ideal. Un modelo que asume la idealidad tanto en fase liquida como en fase vapor, dicho sistema puede ser descrito por la ley de Raoult, que es aplicable a presiones bajas o moderadas y si las especies involucrades son semejantes (Echavarría et al, 2008)

El objetivo de la práctica es determinar si las mezclas de agua - etanol obedecen la ley de Raoult, si es un punto azeotrópico e identificar qué tipo de desviación presentan.

MATERIALES Y MÉTODOS.

Instrumentos:

• Etanol.
• Equipo de destilación.
• Probeta.
• Termómetro.
• Plancha de calentamiento.
• Refractómetro.

Se prepararon 8 soluciones %v/v con agua destilada y etanol de: 0, 10%, 30%, 50%, 70%, 80% y 90%. Se realizó el montaje sencillo de destilación y se procedió a destilar cada solución. Se registraron los datos iniciales, se tomó la temperatura cuando la solución empezó a ebullir, cuando destiló completamente y al destilado final. Por último, el índice de refracción con el refractómetro.  Se prepararon 8 soluciones con una proporción v/v de agua y etanol variando el porcentaje de etanol presente la solución en la cual se utilizaron volúmenes del 0, 10, 30, 50, 70, 80, 90 y 100%.  Posteriormente se realizó el montaje para realizar el proceso de la destilación de cada una de las soluciones preparadas anteriormente, al iniciar la destilación se tomaron los datos iniciales de temperatura y volumen, de esta manera se obtuvo el destilado total de la solución. A cada una de las muestras se le midió la temperatura de vapor, temperatura de líquido saturado, volumen final de etanol y el índice de refracción para así obtener las fracciones molares, presiones parciales y densidad por medio de los cálculos necesarios para que gracias a estos datos se obtuviera el punto azeotrópico y así observar se cumple la ley de Raoult.

ANÁLISIS Y RESULTADOS.

Se realizaron un total de 7 soluciones con diferentes concentraciones de etanol, la tabla 1 muestra la composición de cada solución.

Tabla 1. Soluciones objeto de estudio

[pic 1]

Se realizó la separación de los componentes por medio de destilación simple, tomando la temperatura a la que empieza a gotear en la salida del destilador y se midió tanto el volumen obtenido como su densidad por el método de la probeta. La tabla 2 muestra los resultados de la destilación simple.

Tabla 2. Volumen de etanol y agua obtenido en la destilación.

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