“AÑO DE LA CONSOLIDACIÓN DEL MAR DE GRAU ”
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA TERMODINAMICA DE LOS PROCESOS QUIMICOS II EQUILIBRIO LIQUIDO-LIQUIDO EN EL SISTEMA TERNARIO ACIDO ACETICO-CLOROFORMO-AGUA
SEMESTRE
: VI
HUANCAYO-PERÚ 2016
Resumen La mezcla binaria Ácido Acético -Agua un sistema de componentes miscibles fue usada para crear el sistema ternario (Ácido Acético - Agua - Cloroformo) buscando con esto determinar la mínima cantidad de (Cloroformo) requerida para la separación en dos fases una la disolución del ácido 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 experimentales.
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
Determinar el porcentaje en peso de cada componente de la mezcla Graficar la Curva Binodal para el sistema ternario.
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 delos 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. 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 Si las fases están en equilibrio termodinámico, el fenómeno es un ejemplo del equilibrio líquido-líquido (ELL), el cual es importante para operacionesindustriales, 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.
2.3. 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 disolvente el líquido que se 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 más 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 a la 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 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 2fases, 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. En sustitución de destilaciones en alto vacío, evaporaciones, cristalizaciones costosas.
2.3.2. Aplicaciones industriales:
Extracción de compuestos aromáticos para la producción de Aceites lubricantes. Separación de aromáticos (Benceno, Tolueno, Xilenos) Separación de metales pesados (Ni, Cu, Zn,…) de efluentes acuosos con ácidos o aminas. Extracción de Penicilina y Proteínas.
2.3.3. 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 entre las dos fases liquidas separadas (extracto E y refinado R) a la razón de concentraciones que alcanza ese componente en ambas fases en equilibrio. =
=
Este coeficiente de distribución de los componentes de la mixtura a separar depende del disolvente empleado, de la composición de la mezcla y de la temperatura de operación. En el caso más 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 de 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.
2.3.4. Representación gráfica de sistemas ternarios. 2.3.4.1. Triángulo 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
III. METODOLOGÍA Y PROCEDIMIENTOS 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
3.2. REACTIVOS
Ácido acético (CH3COOH) Cloroformo (CHCl3) Agua destilada (H2O)
3.3. PROCEDIMIENTOS 1. Con ayuda de las pipetas se mide volúmenes de agua destilada y ácido acético en las proporciones de 2:2: 3:1; 1:3; respectivamente 2. Cada una de las mezclas colocarlas en los tubos de ensayo y agitar levemente de modo que la mezcla se homogenice. 3. En la bureta, se deposita cloroflormo, hasta la marca y se procede a titular la solución de Agua destilada- Ácido Acético 4. La titilación se realiza con bastante precisión es por eso que se debe realizar gota a gota. 5. La titulación llega a su fin cuando se observa una formación de las dos fases. 6. Se registran los volúmenes de agua gastados en la titulación, para cada composición de Agua destilada- Ácido Acético, habrá un volumen distinto de agua.
Datos teóricos: Tabla N°01: datos de teóricos de sistema ácido acético-cloroformo-agua, para graficar el diagrama de fases Fase pesada, % peso Cloroformo Agua Ácido acético 99.01 0.99 0.00 91.85 1.38 6.77 80.00 2.28 17.72 70.13 4.12 25.75 67.15 5.20 27.65 59.99 7.93 32.08 55.81 9.53 34.61
Fase ligera, %peso Cloroformo Agua Ácido acético 0.84 99.16 0.00 1.21 73.69 25.10 7.30 48.58 44.12 15.11 34.71 50.18 18.33 31.11 50.56 25.20 25.39 49.41 28.85 23.28 47.87
Tabla N°02: datos auxiliares Sustancias Ácido acético Cloroformo Agua
Densidad 1.0386 1.4666 0.9972
Tabla N°03: Datos experimentales N° de experimento
Ácido acético glacial (volumen
Agua (volumen usado)
Cloroformo
… mL
(volumen usado) …
2 3 1
mL 0.5 0.2 0.2
usado)… mL
1 2 3
2 1 3
Hallando la masa y porcentaje en peso =×
Para el experimento 1. -
Ácido acético: = 1.0386 × 2 = 2.0772
- Cloroformo = 1.4666 × 0.5 = 0.7333
- Agua = 0.9972 × 2 = 1.9944g
Entonces la masa total es: = + + = 1.9944 + 0.7333 + 2.0772 = 4.8049
-
Ácido acético %( ) =
2.0772 4.8049
× 100
%( ) = 43.2308%
- Cloroformo %( ) =
0.7333 4.8049
× 100
%( ) = 15.2615%
-
Agua destilada %() =
1.9944 4.8049
× 100
%() = 41.5076 %
Lo mismo se hace para los demás compuestos
Tabla N°04: tabla de resultados Exp
1 2 3
Masa Masa de de ácido clorofor acético mo
Masa de agua
Masa total
%peso en ácido acético
%peso de cloroformo
%peso de agua
2.0772
0.7333
1.9944
4.8049
43.2308
15.2615
41.5076
1.0386 3.1153
0.2933 0.2933
2.9916 0.9972
4.3229 4.4058
24.0255 70.7090
6.7847 6.6571
69.2035 22.6338
IV. RESULTADOS
Los resultados obtenidos se representan mediante la tabla y la grafica
Tabla N°05: tabla de resultados Exp
1 2 3
Masa Masa de de ácido clorofor acético mo
Masa de agua
Masa total
%peso en ácido acético
%peso de cloroformo
%peso de agua
2.0772
0.7333
1.9944
4.8049
43.2308
15.2615
41.5076
1.0386 3.1153
0.2933 0.2933
2.9916 0.9972
4.3229 4.4058
24.0255 70.7090
6.7847 6.6571
69.2035 22.6338
Grafico 1. Representación de las composiciones de mezcla dados en la tabla 3.
V. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
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 que el grafico sea el correcto se debe de trabajar la mezcla binaria de Acido Acetico – Cloroformo titulando con agua.
Se debe trabajar con los materiales en buenas condiciones de higiene.
Utilizar los equipos de protección durante el laboratorio, para evitar accidentes.
VII. CONCLUSIONES
Exp
1 2 3
Los resultados (composiciones de la mezcla ternaria) obtenidos fueron representados en un diagrama triangular.
Las respectivas composiciones de la mezcla ternaria en el equilibrio fueron determinadas y presentadas en la siguiente tabla
Masa Masa de de ácido clorofor acético mo
Masa de agua
Masa total
%peso en ácido acético
%peso de cloroformo
%peso de agua
2.0772
0.7333
1.9944
4.8049
43.2308
15.2615
41.5076
1.0386 3.1153
0.2933 0.2933
2.9916 0.9972
4.3229 4.4058
24.0255 70.7090
6.7847 6.6571
69.2035 22.6338
La curva binodal fue calculada utilizando el software matlab.
VIII. BIBLIOGRAFÍA o
o
Ocon Tojo “Problemas de Ingeniería Química –Tomo II” editorial Aguilar – 5ta Edición –1979. Pág. 111 al 208. 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. o
TREYBAL, R. “Extracción en fase líquida”. Primera edición. UTEA. Capítulos 1-
10,13. o
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
