Informe 8. Presión de Vapor

Primer Autor: [email protected] atacerom @unal.edu.co,, Estudiante de Ingeniería - Ingeniería Química, Universidad Nacional de Colombia Segundo Autor: maballenr maballen r @unal.edu.co, @unal.edu.co, Estudiante de Ingeniería, Ingeniería Química, Universidad Nacional de Colombia

1

LABORATORIO DE PROPIEDADES TERMODINÁMICASY TERMODINÁMICAS Y DE TRANSPORTE PRESION DE VAPOR Tatiana Acero 1, Astrid Ballén 1 1Departamento de Ingeniería Química y ambiental

Presentado a: Johana Orjuela

OBJETIVOS: OBJETIVO GENERAL: Determinar la presión de vapor de una sustancia pura. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: 1.

2. 3.

Realizar el análisis termodinámico del proceso de vaporización. Determinar el calor de vaporización a partir de las variaciones de la presión de vapor. Comparar los datos de p resión de saturación de la sustancia pura medidos experimentalmente con los obtenidos mediante la ecuación de Antoine. Presentar la ecuación de Clapeyron como una forma de determinar el calor latente de vaporización de u na sustancia pura. Aprender a utilizar de manera adecuada un vaporizador de reflujo total.

Altura 1 Altura 2 Temperatura Medicion (cm+,) (cm+,) (ºC+º) 15

5,7

-5,7

72,6

16

4,7

-4,7

73,7

17

3,0

-3

75

18

2,0

-2

75,7

19

1,0

-1

76,5

Tabla 1. Primera toma de Datos para agua

Medicion

Altura 1 Altura 2 Temperatura (cm+,) (cm+,) (ºC+º)

1

22,0

-22,0 -2 2,0

56,0

2

20,7

-20,7 -2 0,7

59,1

3

16,7

-16,7 -1 6,7

59,7

4

15,0

-15,0 -1 5,0

60,6

5

14,0

-14,0 -1 4,0

63,4

6

13,2

-13,2 -1 3,2

64,3

7

12,0

-12,0 -1 2,0

65,5

Altura 1 Altura 2 Temperatura Medicion (cm+,) (cm+,) (ºC+º)

8

11,1

-11,1 -1 1,1

67,9

9

9,1

-9,1

69,8

1

21,8

-21,8

56,0

10

8,0

-8,0

70,7 70 ,7

2

21,4

-21,4

56,6

11

7,0

-7,0

72,6 72 ,6

3

21,2

-21,2

56,9

12

6,1

-6,1

73,9 73 ,9

4

21,0

-21,0

58,7

13

4,8

-4,8

74,5 74 ,5

5

19,3

-19,3

59,0

14

4,0

-4,0

79,5 79 ,5

6

18,0

-18,0

59,9

15

3,1

-3,1

80,7 80 ,7

7

16,7

-16,7

61,0

16

2,1

-2,1

81,6 81 ,6

8

15,2

-15,2

63,0

17

1,4

-1,4

85,4 85 ,4

9

13,4

-13,4

64,7

18

1,0

-1,0

87,0 87 ,0

10

12,4

-12,4

66,3

11

11,7

-11,7

68,0

12

11,0

-11,0

69,3

13

9,5

-9,5

70,7

14

7,0

-7,0

71,5

4.

5.

RESULTADOS Y MUESTRAS DE CÁLCULO Siguiendo el procedimiento planteado se realizaron dos tomas de datos para Agua, la primera se realizó de manera rápida, mientras que en la segunda se esperó la estabilización de temperatura y presión durante más tiempo, a partir de los datos tomados se construyeron las siguientes tablas:

Tabla 2. Duplicado para Agua A continuación se realizaron dos tomas de datos para Etanol de la misma manera que para el agua, es decir, una se realizó de manera más rápida y a la otra se le dio más tiempo de espera a la estabilización, con estas tomas de datos se construyeron las tablas 3 y 4:

Primer Autor: [email protected], Estudiante de Ingeniería - Ingeniería Química, Universidad Nacional de Colombia Segundo Autor: maballenr @unal.edu.co, Estudiante de Ingeniería, Ingeniería Química, Universidad Nacional de Colombia

2

Pv = Po −△ h 28

Medicion


Donde,

1

21,8

-21,8

40,2

Pv= presión de vapor en un punto (mmHg)

2

20,5

-20,5

40,4

P=Presión atmosférica Bogotá (560mmHg)

3

18,0

-18,0

40,6

△ h = Altura reportada en el manómetro (mmHg).

4

16,6

-16,6

41,2

Para la primera medición, entonces se tiene:

5

15,5

-15,5

42,2

6

14,0

-14,0

43,0

7

13,0

-13,0

43,9

Pv = 560mmHg − 436,0

8

12,0

-12,0

44,8

Pv = 124mmHg

9

11,2

-11,2

46,0

10

9,6

-9,6

47,1

Este cálculo se repitió para cada uno de los valores tomados, con lo cual se generó una tabla con datos de temperatura y presión de vapor experimental y por ecuación de Antoine (29) para el agua:

11

8,0

-8,0

47,9

12

7,0

-7,0

48,1

Constantes para ecuación de Antoine para Agua (log Pv B C) /(T ) Pv(mmHg) T(ºC)

13

6,0

-6,0

49,5

A

8,07131

14

4,9

-4,9

50,3

15

4,0

-4,0

51,1

B

1730,630

16

3,2

-3,2

51,8

C

233,426

17

2,2

-2,2

52,5

18

1,5

-1,5

53,2

19

1,0

-1,0

53,8

Tabla 3. Primera toma de datos de Presion y temperatura para el Etanol

Medicion


1

21,8

-21,8

39,8

2

21,4

-21,4

41,0

3

18,8

-18,8

47,0

4

12,5

-12,5

56,6

5

9,7

-9,7

60,3

6

7,5

-7,5

62,9

7

6,5

-6,5

64,2

8

5,2

-5,2

65,4

9

4,0

-4,0

66,6

10

3,0

-3,0

67,6

11

2,0

-2,0

68,5

12

1,0

-1,0

69,6

Pv = 560mmHg − (21.8 − −21,8)cm∗

10 1

A

Tabla 5. Constantes ecuación de Antoine, tomado de Perry’s Chemical Engineers’ Handbook

1ra Toma

Duplicado

Pv Pv Tempera experimental (Antoi tura (ºC) (mmHg) ne) 123,5 56 124 33575 127,1 56,6 132 02862 128,9 56,9 136 20303 140,2 58,7 140 97939 142,2 59 174 7513 148,3 59,9 200 49983 156,0 61 226 73969 170,9 63 256 97387 184,6 64,7 292 21066 198,2 66,3 312 758

Pv Pv Tempera experimental (Antoi tura (ºC) (mmHg) ne) 123,5 56 120 33575 142,9 59,1 146 39454 146,9 59,7 226 81242 153,2 60,6 260 26517 174,1 63,4 280 23401 181,3 64,3 296 35193 191,3 65,5 320 44925 212,7 67,9 338 79154 231,1 69,8 378 62208 240,3 70,7 400 293

Tabla 4. Duplicado de toma de datos para el etanol Con los datos tomados y a partir de la ecuación 28 del preinforme, es posible obtener la presión de vapor en cada punto para cada temperatura:

Pv Pv Pv Pv Tempera experimental (Antoi Tempera experimental (Antoi tura (ºC) (mmHg) ne) tura (ºC) (mmHg) ne)


68

326

69,3

340

70,7

370

71,5

420

72,6

446

73,7

466

75

500

75,7

520

76,5

540

213,7 14742 226,1 98734 240,3 293 248,7 3463 260,6 97526 273,1 43854 288,4 97683 297,0 62979 307,1 14006

72,6

420

73,9

438

74,5

464

79,5

480

80,7

498

81,6

518

85,4

532

87

540

260,6 97526 275,4 5997 282,5 08228 347,4 02665 364,7 20562 378,1 81211 439,7 20574 468,0 38274

Tabla 6. Presiones experimentales y por ecuación de Antoine para Agua A partir de esta tabla se genera una gráfica de presión de vapor vs temperaturas:

Presion de Vapor Agua 600

) g H500 m m ( r 400 o p a 300 V e d 200 n o i s 100 e r P

0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

Temperatura (ºC) Primera toma

Duplicado

Antoine

Gráfico 1. Presion de vapor vs temperatura para Agua Ahora se repiten los cálculos para los valores tomados de etanol, teniendo en cuenta esta vez las constantes para dicha sustancia:

Constantes para ecuación de Antoine para Etanol (log Pv B /(T C) ) Pv(mmHg) T(ºC) A

8,11220

B

1592,864

C

226,184

A

Tabla 7. Constantes ecuación de Antoine para Etanol, tomado de Perry’s Chemical Engineers’ Handbook

3

1ra Toma

Duplicado

Pv Pv Tempera experimental Antoi tura (ºC) (mmHg) ne 135,7 40,2 124 13061 137,1 40,4 150 22184 138,5 40,6 200 43792 142,8 41,2 228 84431 150,3 42,2 250 77036 156,6 43 280 10208 163,8 43,9 300 84746 171,4 44,8 320 45471 181,9 46 336 87335 192,1 47,1 368 3071 199,8 47,9 400 06399 201,7 48,1 420 6556 215,9 49,5 440 42632 224,4 50,3 462 17385 233,1 51,1 480 72934 241,0 51,8 496 70236 249,1 52,5 516 93311 257,5 53,2 530 47326 264,8 53,8 540 95699

Pv Pv Tempera experimental Antoi tura (ºC) (mmHg) ne 132,9 39,8 124 31914 141,4 41 132 24824 191,1 47 184 89135 301,5 56,6 310 8245 356,5 60,3 366 78178 400,0 62,9 410 93407 423,4 64,2 430 761 446,0 65,4 456 70689 469,6 66,6 480 70649 490,1 67,6 500 30592 509,1 68,5 520 7949 533,3 69,6 540 01668

Tabla 8. Presiones experimentales y por ecuación de Antoine para Etanol


Δh − = −8065,8 R

Presión de Vapor Etanol

Δh = −8065,8K ∗ −8,314

600 ) g 500 H m m400 ( r o p a 300 V e d n 200 o i s e r 100 P

Δh = 67,059

 

Calor Latente de Vaporización Agua (kJ/mol)

35

45

55

65

75

Temperatura (ºC) Primera Toma

Duplicado

Antoine

Gráfico 2. Presion de vapor vs temperatura para Etanol

1ra Toma

67,059

Duplicado

41,439

Ecuación de Antoine

42,511

Tabla 9. Datos de calor latente de vaporización para cada ensayo y por ecuación de Antoine para Agua Se realiza el mismo procedimiento para el Etanol y se obtiene el gráfico que se muestra a continuación:

Ahora, para obtener el calor latente de vaporización se grafica LnPv vs 1/T, para realizar una regresión lineal de esta, cuya pendiente  corresponderá a −  , en este mismo gráfico la ecuación lineal generada a partir de la ecuación de Antoine para poder tener un punto de comparación, para el caso del agua se obtiene el siguiente gráfico:

LnPv vs 1/T Etanol 7 6,5

Ln Pv vs 1/T Agua v P n l

7 1ra Toma y = -8065,8x + 29,419 R² = 0,9717

6,5

6

Duplicado: y = -5039,4x + 20,993 R² = 1

0,003

0,0031

0,0032

0,0033

1/T

5

1ra Toma

Antoine: y = -5113,2x + 20,352 R² = 1

4,5 0,002750,00280,002850,00290,002950,0030,003050,0031

1/T duplicado

Duplicado

Antoine

Gráfico 4. Regresión lineal LnPv vs 1/T para el cálculo del calor latente de vaporización del Etanol. El cálculo se realiza del mismo modo que para el agua, de manera que se tiene:

antoine

Gráfico 3. Regresión lineal LnPv vs 1/T para el cálculo del calor latente de vaporización del agua. Con estos valores de pendiente se calcula el valor del calor latente de vaporización para cada caso: Para la primera toma

1ra Toma: y = -8941,4x + 33,768 R² = 0,8909

5,5

4,5 0,0029

Duplicado: y = -4984,2x + 20,343 R² = 0,8334

1ra Toma

Antoine: y = -5342,6x + 21,902 R² = 0,999

6

5

5,5

  ∗ 

Este cálculo se repite para el duplicado y para la ecuación lineal obtenida por los valores dados por el cálculo con la ecuación de Antoine:

0

v P n L

4


El signo obtenido para el calor de vaporización de ambas sustancias es positivo en los cuatro casos, lo que d emuestra que la vaporización es un proceso endotérmico tal como lo indica la teoría.

Calor Latente de Vaporización Etanol (kJ/mol) 1ra Toma

5

74,339

Duplicado

44,897

COSTOS Concepto

Ecuación de Antoine

44,418

Etanol

0,1L

$2.043,18

$204,318

Tabla 10. Datos de calor latente de vaporización para cada ensayo y por ecuación de Antoine para Agua

Agua

6mL

$2.000,00

$200,00

Finalmente se calculan los porcentajes de error de los datos experimentales, los cuales se muestran en la siguiente tabla

Hora ingeniero Hora laboratorista

4h 4h

$80.000,00 $65.000.00

$640.000,00 $260.000,00

AlquilerEquipoutilizado.

4h

Agua Ensayo

Cant

Valor Unidad

Valor Total

Etanol %Error

Ensayo

%Error Electricidad

1

-57,7

1

-67,4

2

2,5

2

1,1

Tabla 11. Porcentajes de error de los datos experimentales

ANÁLISIS DE RESULTADOS Como se mencionó anteriormente la primera toma de datos para cada sustancia se realizó de forma rápida ya que no se tenía conocimiento del tiempo que tomaba en estabilizar los valores de temperatura y presión, y a su vez hubo un malentendido al inicio de la práctica de que los valores debían tomarse rápidamente y no esperar dicha estabilización, por lo que en ambos casos se puede ver que la primera toma de datos se encuentra más alejada de los datos obtenidos teóricamente por la ecuación de Antoine. En el caso de la segunda toma de datos con etanol se puede ver que presenta un comportamiento muy parecido al generado con la ecuación de Antoine, lo cual se debe a que al ser la última toma de datos realizada ya había experiencia en la toma de datos por parte de las experimentadoras y se había aprendido el tiempo necesario para que la temperatura y la presión se estabilizaran. En el caso del calor latente de vaporización, el duplicado con agua al ser linealizado dio un valor que solo se aleja un 2,5% del calculado con los datos de la ecuación de Antoine a pesar de que la gráfica de presión vs temperatura si presenta una diferencia notable con el comportamiento de la ecuación de Antoine. Generalmente se realiza un duplicado para poder obtener un valor promedio con mayor confiabilidad de los datos obtenidos de manera experimental, sin embargo como ambas tomas de datos están tan alejadas entre sí al haber sido realizada erróneamente la primera, no es conveniente tomar un promedio y es mejor realizar los cálculos de manera separada. Los valores obtenidos de error de 2,5 y 1,1 por ciento para Agua y etanol respectivamente en la segunda toma de datos son valores bajos, comparados con los valores de 57,7 y 67,4 por ciento para Agua y Etanol respectivamente en la primera toma, que son valores muy altos, con esto queda demostrado lo esencial que es esperar la estabilización del sistema para poder tomar los datos.

TOTAL

4h

$220.000,00 $55.000,00 $379,56

$1.518,24 1’121.922,56

Tabla 12. Costos de la realización de la práctica. Fuentes: Fedebiocombustibles, quiminet, Codensa. CONCLUSIONES Se comprobó experimentalmente que el proceso de vaporización de una sustancia es un proceso endotérmico, es decir, requiere que se suministre energía al sistema. Se obtuvieron valores experimentales para el calor de vaporización del agua de 67,059kJ/mol y 41,439kJ/mol respectivamente para la primera y segunda toma de datos, y de 74,330kJ/mol y 44,897kJ/mol para el Etanol. El comportamiento de la gráfica obtenida a partir de la segunda de datos es mucho más cercano al comportamiento de la gráfica obtenida con la ecuación de Antoine que la de la obtenida para la primera toma de datos, en especial para el etanol. Los errores obtenidos para los calores de vaporización de las dos sustancias son 57,7 y 2,5% para agua y 67,4 y 1,1% para etanol, lo que demuestra que la primera toma de datos se realizó de manera errónea.

SUGERENCIAS Es indispensable esperar un tiempo prolongado la estabilización de la presión y la temperatura ya que si no se hace así los datos no representarán el objetivo de la práctica y se obtendrán errores muy grandes. Si la sustancia empieza a formar burbujas muy grandes es recomendable disminuir la potencia del dispositivo que permite el calentamiento Es recomendable realizar tantos ensayos como el tiempo permita, ya que en el caso del presente experimento, si no se hubiese realizado la segunda toma de datos no se habría identificado que se requería esperar un mayor tiempo para la estabilización


I. BIBLIOGRAFÍA [1] M. F. Doherty, Z. T. Fidkowski, M. F. Malone y R. Taylor, «Distillation,» de Perry's Chemical Engineer's Handbook , McGraw Hill. [2] «Tarifas,» 25 Octubre 2015. [En línea]. https://www.codensa.com.co/hogar/tarifas.

Available:

[3] Fedebiocombustibles, «Fedebiocombustibles,» [En línea]. Available: http://www.fedebiocombustibles.com/. [Último acceso: 1 11 2015]. [4] «Quiminet,» [En línea]. Available: http://www.quiminet.com/productos/agua-destilada151261518/precios.htm. [Último acceso: 1 11 2015].

6

Informe 8. Presión de Vapor

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