TEMA 6. LEYES DE EQUILIBRIO

1. Leyes de equilibrio Tema 6 TEMA 6. LEYES DE EQUILIBRIO INDICE 1. INTRODUCCIÓN 2. RELACIONES DE EQUILIBRIO ENTRE FASES NO MISCIBLES. 2.1. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LOS DATOS DE EQUILIBRIO. 2.2. PREDICCIÓN TERMODINÁMICA DEL EQUILIBRIO LÍQUIDO-VAPOR. 3. DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO 3.1. MEZCLAS REALES. 4. PROBLEMAS PROPUESTOS.

2. Leyes de equilibrio Tema 6 Se dice que un sistema está en equilibrio cuando su estado es tal que no puede experimentar ningún cambio espontáneo. Cuando un sistema no está en equilibrio, tiende espontáneamente a alcanzarlo. Las diferencias entre la condición real del sistema y la condición de equilibrio constituyen las denominadas fuerzas impulsoras o potenciales de los distintos fenómenos físicos y químicos, transcurriendo éstos con velocidades proporcionales a las mismas e inversamente proporcionales a las resistencias que a dichos fenómenos opone el sistema.

3. Leyes de equilibrio Tema 6 Q T1 T2 T1 > T2 T uniforme NA CA1 CA2 CA1 > CA2 CA uniforme Cl2 Agua Cl2 Agua Cloroformo Agua CCl2 uniforme Cloroformo Cloroformo CCl2 uniforme CCl2 en agua  CCl2 en cloroformo Evolución de estados de no equilibrio a equilibrio

4. Leyes de equilibrio Tema 6 REGLA DE LAS FASES DE GIBBS Fases + Libertades = Componentes + 2 • Habitualmente, estas variables son: • presión (P) • temperatura (T) • composición de cada una de las fases (xi e yi). • Para un sistema bifásico: Libertades = Componentes

5. Leyes de equilibrio Tema 6 DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE DATOS DE EQUILIBRIO • Calentador tipo bayoneta, para calefacción de la camisa de vapor. • Calentador tipo bayoneta del vaporizador. • Llave de tres vías, para la toma de muestras de la fase vapor. • Vaporizador. • Muescas triangulares para el burbujeo del vapor. • Tubo central del contactor, abierto en ambos extremos con dos propósitos: promover la circulación y proveer una zona calma relativamente libre de burbujas por donde es posible extraer la muestra de la fase líquida. • Nivel de líquido en el contactor. • Estrechamiento en forma de venturi; tiene por objeto aumentar la velocidad del vapor con el fin de que éste choque con el extremo de la vaina del termómetro. • Línea de retorno del condensado. • Alimentación de la mezcla en estudio. • Condensador tipo dedo frío para condensar la fase vapor que corresponde a la mezcla en estudio. • Alimentación de la camisa de vapor. • Refrigerante de la camisa de vapor. • Vaina para el termómetro de control de temperatura en la camisa de vapor. • Vaina para el termómetro de medición de la temperatura de equilibrio. • Orificios para la entrada de vapor al contactor. • Llave de aguja para la toma de muestra de la fase líquida. • Nivel de líquido en la camisa de vapor. • Camisa de vapor.

6. Leyes de equilibrio Tema 6 Predicción termodinámica a) Cálculo de la composición del vapor y del líquido en equilibrio a una presión y temperatura conocidas. Ley Dalton Ley Raoult

7. Leyes de equilibrio Tema 6 Suponer T Calcular P10 y P20 Calcular y1 e y2 y1 + y2 = 1 FIN SI NO b) Cálculo de la temperatura de burbuja (ebullición) y de la composición de un vapor en equilibrio con un líquido de composición conocida a una presión P.

8. Leyes de equilibrio Tema 6 Suponer T Calcular P10 y P20 Calcular x1 y x2 x1 + x2 = 1 FIN SI NO c) Cálculo de la temperatura de rocío (condensación) y de la composición de un líquido en equilibrio con un vapor de composición conocida a una presión P.

9. Leyes de equilibrio Tema 6 Suponer T Calcular P10 y P20 Calcular  y P: =P FIN SI NO d) Cálculo de la presión y de la temperatura de equilibrio de un sistema líquido-vapor de composición conocida.

10. Leyes de equilibrio Tema 6 Diagrama de equilibrio T-x-y a TB x c y T1 Curva del vapor Temperatura TA Curva del líquido b d e 0% A 100% A 100% B 0% B Concentración

11. Leyes de equilibrio Tema 6 Fracción molar en el vapor, y Fracción molar en el líquido, x Diagrama de equilibrio y-x

12. Leyes de equilibrio Tema 6 Diagrama de equilibrio de mezclas reales Azeótropo de máximo punto de ebullición

13. Leyes de equilibrio Tema 6 Diagrama de equilibrio de mezclas reales Azeótropo de mínimo punto de ebullición

14. A B C Leyes de equilibrio Tema 6 Benceno 6,90565 1211,033 220,790 Tolueno 6,95334 1343,943 219,377 PROBLEMA 4.1. La ecuación de Antoine correlaciona la presión de vapor de los líquidos puros con la temperatura según: con P10 en (mmHg) y T en (ºC) Teniendo en cuenta que las constantes de dicha ecuación para el benceno y el tolueno son: y que esta mezcla binaria de hidrocarburos tiene un comportamiento ideal, calcular y representar la curva de equilibrio de este sistema, para una presión total de una atmósfera.

15. Leyes de equilibrio Tema 6 PROBLEMA 4.1.

16. Leyes de equilibrio Tema 6 PROBLEMA 4.1.

17. Leyes de equilibrio Tema 6 PROBLEMA 4.1.

18. Leyes de equilibrio Tema 6 PROBLEMA 4.1.

19. Leyes de equilibrio Tema 6 PROBLEMA 4.1.

20. Leyes de equilibrio Tema 6 PROBLEMA 4.1.

21. Leyes de equilibrio Tema 6 PROBLEMA 4.2. Una mezcla líquida contiene 50% de benceno y 50% de tolueno en peso. a) Calcule la presión total y las fracción es molares de cada sustancia en la fase vapor que se encuentra en equilibrio con dicha mezcla líquida a una temperatura de 60ºC. b) Demuestre que la temperatura de burbuja de la mezcla líquida cuando se encuentra a una presión total de P=0,715 atm, es de 80ºC. c) Prepare un programa que calcule la temperatura de burbuja y la composición de la fase vapor en equilibrio con una mezcla líquida de composición x1=0.541 a 760 mm Hg.

22. Leyes de equilibrio Tema 6 PROBLEMA 4.2.

23. Leyes de equilibrio Tema 6 a) Presión total y fracciones molares en fase vapor DATOS:

24. Leyes de equilibrio Tema 6 b) Temperatura de burbuja para P=0.715 atm

25. Leyes de equilibrio Tema 6 Suponer T Calcular P10 y P20 Calcular y1 e y2 y1 + y2 = 1 FIN SI NO c) Programa para calcular Temperatura de burbuja e Y

26. Leyes de equilibrio Tema 6 c) Programa para calcular Temperatura de burbuja e Y

27. T [ºC] A x B y C Leyes de equilibrio Tema 6 100 0,000 0,000 Metanol 7,87863 1473,110 230,000 96,4 0,020 0,134 Agua 7,96681 1668,210 228,000 93,5 0,040 0,230 91,2 0,060 0,304 89,3 0,080 0,365 87,7 0,100 0,418 84,4 0,150 0,517 81,7 0,200 0,579 78,0 0,300 0,665 75,3 0,400 0,729 73,1 0,500 0,779 71,2 0,600 0,825 69,3 0,700 0,870 67,6 0,800 0,915 66,0 0,900 0,958 65,0 0,950 0,979 64,5 1,000 1,000 PROBLEMA 4.3. Al final del problema se adjuntan los datos de equilibrio líquido-vapor para la mezcla binaria metanol-agua a una presión de una atmósfera. a) Construya el diagrama T-x-y para este sistema. b) Si la temperatura de equilibrio es 70ºC y la presión del sistema 1 atm, ¿cuáles son las composiciones del líquido y del vapor? c) Una mezcla equimolar se alimenta a una instalación experimental para la determinación de datos de equilibrio líquido-vapor y se le permite que alcance una temperatura de 80ºC a una presión de 1 atm. Prediga termodinámicamente la composición de las fases y el porcentaje de la mezcla inicial que se ha vaporizado, teniendo en cuenta que las constantes de la ecuación de Antoine para el metanol y para el agua son: