1
Primer Autor:
[email protected] atacerom @unal.edu.co,, Estudiante de Ingeniería - Ingeniería Química, Universidad Nacional de C olombia Segundo Autor: maballenr maballen r @unal.edu.co, @unal.edu.co, Estudiante de Ingeniería, Ingeniería Química, Universidad Nacional de Colombia
LABORATORIO DE PROPIEDADES TERMODINÁMICAS Y DE TRANSPORTE INFORME EQUILIBRIO SÓLIDO-LÍQUIDO Tatiana Acero 1, Astrid Ballén 1
1Departamento de Ingeniería Química y ambiental
Presentado a: Johana Orjuela
OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL: Determinar el efecto de la temperatura sobre el equilibrio sólido líquido de d e sistemas multicomponentes. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: Determinar el punto eutéctico de una mezcla de Naftaleno(2) y fenol (1) Realizar el diagrama de enfriamiento para una mezcla de Naftaleno (2) y fenol(1) Comparar el dato obtenido de temperatura eutéctica con el reportado en la bibliografía y el teórico calculado con las ecuaciones derivadas de la primera ley de la termodinámica para el sistema. ●
●
●
RESULTADOS Y MUESTRAS DE CÁLCULO DATOS Se toman datos de propiedades de los dos componentes puros de National Institute Institute of Standards and Technology: Technology: Componente Naftaleno Fenol Temperatura de 354,15 314,15 fusión (K) Entalpía de fusión 19100 11514 (J/mol) Tabla 1: Propiedades de los componentes puros La siguiente tabla presenta las masas medidas de fenol y de naftaleno para cada tubo así como el valor de la fracción de Naftaleno en cada cada una de estas muestras. muestras. tubo
Las temperaturas registradas en intervalos de 10 segundos para cada tubo hasta el punto de aparición de los primeros cristales, se presentan a continuación, seguidas del gráfico que muestra el comportamiento de la temperatura de la muestra con respecto al tiempo, mejor conocidas como curvas de enfriamiento.
moles naftaleno 0,00000
masa fenol 7,33153
Fracción
1
masa naftaleno 0
2
1,99586
0,01557
5,8869
0,19929
3
3,99617
0,03118
4,40248
0,39989
4
5,99965
0,04681
2,93835
0,59983
5
7,99048
0,06234
1,46915
0,79971
6
10,0682
0,07855
0
1
Tabla 2. Masas de Naftaleno y fenol
Tubo 1
tiempo (s) 0
Temper atura (°C) 63
10
tiempo (s)
Tempera tura (°C)
tiempo (s)
190
51
380
Temper atura (°C) 44
62
200
51
390
44
20
61
210
51
400
43
30
61
220
50
410
43
40
59
230
50
420
43
50
57
240
50
430
42
60
55
250
50
440
42
70
53
260
49
450
42
80
52
270
49
460
42
90
52
280
48
470
41
100
52
290
48
480
41
110
52
300
48
490
41
120
52
310
47
500
41
130
52
320
47
510
41
140
52
330
47
520
41
150
52
340
46
530
41
160
51
350
46
540
41
170
51
360
45
550
41
180
51 51
370
45
Tabla 3. Enfriamiento Fenol Puro
0
0% Naftaleno
80 ) K ( 60 a r u t a 40 r e p m e 20 T
0 0
200 Tiempo (s) 400
Figura 1. Curva de enfriamiento Fenol
1
600
2
Primer Autor:
[email protected], Estudiante de Ingeniería - Ingeniería Química, Universidad Nacional de C olombia Segundo Autor: maballenr @unal.edu.co, Estudiante de Ingeniería, Ingeniería Química, Universidad Nacional de Colombia
Tubo 2 tiemp o (s)
tiempo (s)
0
Temper atura (°C) 85
tiempo (s)
290
Temper atura (°C) 64
580
Temper atura (°C) 51
10
84
300
64
590
51
20
83
310
63
600
50
30
82
320
62
610
50
40
81
330
62
620
50
50
80
340
62
630
49
60
79
350
61
640
49
70
78
360
61
650
49
80
77
370
60
660
48
90
76
380
59
670
48
100
76
390
59
680
48
110
75
400
59
690
47
120
74
410
58
700
46
0
84
140
Temper atura (°C) 72
130
73
420
58
710
46
10
83
150
140
73
430
57
720
46
20
82
150
72
440
57
730
46
30
160
72
450
56
740
45
170
71
460
56
750
180
71
470
55
190
70
480
200
69
210
19,929% Naftaleno 100 ) K ( a r u t a r e p m e T
80 60 40 20 0 0
500 1000 Tiempo (s) Figura 2. Curva de enfriamiento 19,929% Naftaleno
Tubo 3
280
Temper atura (°C) 61
71
290
61
160
70
300
60
81
170
69
310
60
40
81
180
69
320
59
44
50
80
190
68
330
59
760
44
60
79
200
67
340
58
55
770
44
70
78
210
66
350
58
490
55
780
43
80
77
220
66
360
57
68
500
55
790
42
90
76
230
65
370
57
220
68
510
54
800
42
100
75
240
64
380
56
230
67
520
54
810
42
110
74
250
63
390
56
240
67
530
54
820
41
120
73
260
62
400
55
250
67
540
53
830
41
130
72
270
61
260
66
550
53
840
41
270
66
560
52
850
40
280
65
570
52
860
39
Tabla 4. Enfriamiento 19,929% Naftaleno
tiempo (s)
Tempera tura (°C)
tiempo (s)
tiempo (s)
Tabla 5. Enfriamiento 39,989% Naftaleno
39,989% Naftaleno
100 ) k ( 80 a r u 60 t a r e 40 p m e T 20
0 0
200
Tiempo (s)
400
600
Figura 3. Curva de enfriamiento 39,989% Naftaleno
3
Primer Autor:
[email protected], Estudiante de Ingeniería - Ingeniería Química, Universidad Nacional de C olombia Segundo Autor: maballenr @unal.edu.co, Estudiante de Ingeniería, Ingeniería Química, Universidad Nacional de Colombia
Tubo 4 tiemp Temper o (s) atura (°C) 0 105
tiempo (s)
tiempo (s)
110
Temper atura (°C) 88
220
Temper atura (°C) 77
10
104
120
86
230
76
20
101
130
85
240
75
30
99
140
84
250
74
40
97
150
83
260
73
50
95
160
82
270
72
60
94
170
81
280
71
70
93
180
80
290
70
80
91
190
79
300
70
90
89
200
79
310
69
100
89
210
78
320
68
79,971% Naftaleno 100 e j e l e d o l u t í T
80 60 40 20 0 0
20
tiempo (s)
Temperatura (°C)
0
95
10
95
20
94
30
90
40
88
50
86
60
85
70
83
80
83
90
81
120 ) 100 K ( a r 80 u t a 60 r e p 40 m e T 20 0 200 Tiempo (s)
300
400
Tabla 8. Enfriamiento Naftaleno
Figura 4. Curva de enfriamiento 59,983% Naftaleno
Tubo 5 tiempo (s)
Temperatura (°C)
0
93
10
85
20
79
30
79
40
78
50
70
60
68
70
66
80
Tubo 6
59,983% Naftaleno
100
60
Figura 5. Curva de enfriamiento 79,971% Naftaleno
Tabla 6. Enfriamiento 59,983% Naftaleno
0
40 Título del eje
100% Naftaleno 100 ) K ( a r u t a r e p m e T
95 90 85 80 0
20
40 60 Tiempo (s)
80
100
Figura 6. Curva de enfriamiento Naftaleno Tabla 7. Enfriamiento 79,971% Naftaleno
También se registró la temperatura de aparición del sólido para cada tubo, lo cual se presenta en la siguiente tabla, seguida por la gráfica que representa el comportamiento de la temperatura con la fracción de Naftaleno presente, esta gráfica se conoce como diagrama de fases.
4
Primer Autor:
[email protected], Estudiante de Ingeniería - Ingeniería Química, Universidad Nacional de C olombia Segundo Autor: maballenr @unal.edu.co, Estudiante de Ingeniería, Ingeniería Química, Universidad Nacional de Colombia Tubo 1 2 3 4 5 6
Temperatura congelación (°T) 41 39 55 68 78 81
Tabla 9. Temperatura congelamiento experimental
tubo
Fracción
temperatura de congelación (K)
1
0
-
2
0,19929
283,62
3
0,39989
310,30
4
0,59983
328,28
5
0,79971
342,35
6
1
354,15
Tabla 10. Temperaturas de congelación naftaleno
Diagrama de fases
100 ) 80 k ( a r 60 u t a r e 40 p m e T 20
0 0
0,2
0,4 0,6 Fraccion de Naftaleno
0,8
1
Figura 7. Diagrama de fases Fenol-Naftaleno
tubo
fracción
temperatura de congelación (K)
1
1,00000
314,15
2
0,80071
299,07
3
0,60011
281,53
4
0,40017
260,11
5
0,20029
230,18
6
0,00000
Tabla 11. Temperaturas de congelación fenol De estas ecuaciones también se puede encontrar el valor de la temperatura eutéctica para cada composición.
MUESTRA DE CÁLCULO
tubo
fraccion
T eutéctica (K)
1
0,00000
314,15
2
0,19929
283,63
3
0,39989
310,31
1 1 ( − ) (32) 2
4
0,59983
328,28
5
0,79971
342,35
1 1 ( − ) (33) 1
6
1,00000
354,15
Cálculo de la temperatura eutéctica teórica Haciendo uso de las ecuaciones (32) y (33) mencionadas en el fundamento teórico:
2 =
−⍙
1 =
−⍙
De estas ecuaciones se despeja la temperatura de congelación y se calcula para cada fracción de Naftaleno en los tubos = ∗
Tabla 12. Temperaturas eutécticas de las muestras
De (32) y (33) despejando 1/T, se tiene
−
1
283,62 = 354,15 ∗
-
19100 19100 − 354,15 ∗ 8,314 ln(0,19929) ∗
Con lo que se obtiene la siguiente una tabla de valores para el Naftaleno y una para el fenol
−
l n
=
1
−
l n
Y = 1 − ln ∗ − 314,15 11514 ln(1 − ) 8,314 1 ∗ = − 354,15 19100
1
8,314
5
Primer Autor:
[email protected], Estudiante de Ingeniería - Ingeniería Química, Universidad Nacional de C olombia Segundo Autor: maballenr @unal.edu.co, Estudiante de Ingeniería, Ingeniería Química, Universidad Nacional de Colombia
Con esto obtenemos el valor de la composición en el punto eutéctico
SUGERENCIAS X2=0,41 X1=0,586 . De manera que la temperatura eutéctica teórica es
Se recomienda seguir tomando datos de temperatura hasta la cristalización completa de la muestra, ya que al solamente tomar datos hasta el punto de congelación no se puede determinar la temperatura eutéctica experimental de las mismas.
Te=310K
COSTOS ANALISIS DE RESULTADOS La toma de datos, permitió realizar la curva de enfriamiento en cada caso, en donde se observa que la relación en términos de enfriamiento y tiempo va disminuyendo de manera proporcional en la mayoría de los casos, para el caso del naftaleno la curva de enfriamiento no presenta el mismo comportamiento con el tiempo variando así la tendencia antes mostrada. También se puede observar que a media que aumenta el porcentaje de naftaleno en la muestra, la curva de enfriamiento disminuye su pendiente, lo cual es lógico ya que el naftaleno como compuesto puro, tiene un punto de fusión mayor al fenol. Al momento de la toma de datos se observó que la temperatura de congelación de la mezcla con naftaleno al 79,9% resultó ser un poco menor a la temperatura del naftaleno puro, lo cual no tiene sentido, ya que el porcentaje de fenol presente no debería permitir este comportamiento. Esto puede deberse al sistema de enfriamiento usado, ya que este se usaba para diferentes tubos y obtenía calor de estos por lo cual no mostraba una gran eficiencia. Además es importante anotar que la aparición del primer cristal es difícil de observar lo cual puede generar errores en la toma de este dato. Con los datos obtenidos durante la experimentación fue posible aplicar las ecuaciones derivadas de la primera ley, en donde se obtienen la temperatura eutéctica para cada caso. En general se espera que esta temperatura aumente a medida del aumento en fracción de naftaleno, sin embargo, se puede ver discrepancias en esto (ver tabla 12), ya que para el tubo 2 y 3 se obtuvieron temperaturas menores a las del fenol puro. Al momento de realizar la comparación, fue difícil encontrar una fuente confiable en donde se reportaran estas temperaturas por lo cual este análisis no se realiza.
CONCLUSIONES El diagrama construido a partir de los datos tomados en el laboratorio no muestra claramente el punto eutéctico debido a diferentes factores, por lo que no se puede decir que se halla determinado el punto eutéctico experimental del sistema binario.
Costo
Fenol Naftaleno Horas Ingeniero (4 horas)
3000 $/kg 4500 $/kg 60 000 $/hora ingeniero
TOTAL
$ 487500
BIBLIOGRAFÍA [1] National Institute of Standards and Technology, «Naphthalene,» [En línea]. Available: http://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C91203&Mask=4. [Último acceso: 24 Septiembre 2015]. [2] National Institute of Standards and Technology, «Phenol,» [En línea]. Available: http://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C108952&Mask=4#ref -24. [Último acceso: 24 Septiembre 2015].
