UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA

Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías

Departamento de Ingeniería Química

IQ211 – Prácticas de Operaciones Unitarias I NRC – 50071

Profesor:

Ing. Víctor Gutiérrez Rocha

Reporte de Práctica No. 7 “Líneas de Dühring”

Nombres del equipo:

Gerardo Alejandro Alférez Olvera, 208624399

Andrea Arreola Vargas, 209472398

Analaura Barrera López, 209598952

César Castillo Sepúlveda, 212352328

Cuitlahuac González Plascencia, 212352344

Emily Stephanie Krucker Velásquez, 212352271

Esteban Jessé Medina Castellanos, 209698299

Owen Ríos Caballero, 211219594

Claudia Irene Rodríguez Guardado, 211378617

Luis Pablo Ruiz Monroy, 208653836

Yael Izamal Valdez Navarro, 212351909

Fecha de realización 15/09/2015

Fecha de entrega 23/10/2015

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ContenidoI. Nombre de la Práctica................................................................................................................2

II. Objetivos....................................................................................................................................2

III. Introducción...........................................................................................................................2

IV. Teoría.....................................................................................................................................3

V. Descripción y diagrama del equipo............................................................................................4

VI. Procedimiento experimental..................................................................................................4

VII. Cálculos y tabla de concentración de datos...........................................................................0

VIII. Gráficas..................................................................................................................................0

IX. Discusión de resultados..........................................................................................................1

X. Conclusiones..............................................................................................................................2

XI. Bibliografía.............................................................................................................................2

XII. Apéndices...............................................................................................................................2

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I. Objetivos

Realizar la comprobación experimental de las líneas de Dühring. Comprobar el efecto que tiene una variación en la presión del sistema y concentración de

soluto en el aumento de la temperatura de ebullición.

II. Introducción

Actualmente, gran parte de las industrias que operan a nivel mundial llevan a cabo procesos de evaporación, previos a la obtención de los productos finales. Durante la evaporación se elimina agua de una solución liquida y se obtiene una solución de mayor concentración; así se logra productos más estables y de mayor vida útil, además, esta técnica permite reducir los costos de transporte y almacenamiento del producto terminado.

De acuerdo con las propiedades coligativas de las disoluciones diluidas de un soluto no volátil, la presión de vapor de la disolución es menor que la del disolvente puro a la misma temperatura, y, por tanto, hay un aumento en el punto de ebullición respecto al que tendría el agua pura. Por lo tanto, para una presión de trabajo dada, y una solución acuosa, no sólo sería preciso saber la temperatura de ebullición, (saturación), del agua a esa presión, sino que habría que calcular la elevación del punto de ebullición de la disolución. En el caso de disoluciones concentradas, que no se comportan idealmente, la predicción del punto de ebullición se puede realizar mediante una ley empírica conocida con el nombre de Regla de Dühring, según la cual, el punto de ebullición de un líquido o de una disolución es una función lineal del punto de ebullición de una sustancia de referencia, normalmente el agua, referidos ambos a la misma presión. Para distintas concentraciones se obtienen distintas líneas rectas, no necesariamente paralelas. El trazado de estas rectas se puede realizar fácilmente si se dispone de dos temperaturas de ebullición de la disolución a dos presiones distintas. Para predecir ciertas temperaturas de ebullición, se utilizan ecuaciones planteada en literatura, pero solo predicen soluciones ideales, y no tiene validez para la mayoría de procesos industriales. Por ejemplo en evaporación, se desea aumentar el contenido de sólidos de un determinado licor hasta valores donde una solución nunca podría ser considerada diluida. De esta forma, se hace necesario el uso de datos experimentales de la elevación de la temperatura de ebullición en función de la concentración de sólidos y la presión.

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III. TeoríaDIAGRAMA DE DÜHRING

El diagrama de Dühring es la representación gráfica del temperatura de ebullición del disolvente en la disolución (T) frente a la del disolvente puro (T 0), a distintas presiones, para un intervalo de concentraciones de la disolución de interés práctico . Esta representación gráfica está estrechamente ligada a la propiedad coligativa del aumento ebulloscópica .

Regla empírica de Dühring De estas representaciones T vs T 0, para cada concentración se deduce la regla empírica de Dühring que establece que el punto de ebullición de una disolución (T) es una función lineal de T 0 a una concentración dada, siempre que la disolución tenga carácter concentrado, (ec. 1). No obstante, la regla no es exacta cuando se trata de grandes intervalos de presión, a pesar de ello se encuentra extensamente aplicada en los cálculos a nivel industrial. T = a + b · T 0

Para disoluciones diluidas ideales es mejor partir de la ley de Raoult .

Construcción Para la construcción del diagrama de Dühring se necesitan los valores del punto de ebullición tanto de la disolución como del disolvente puro, a distintas presiones para cada concentración. De hecho, basta conocer dos valores de la temperatura de ebullición de ambos componentes, a diferentes presiones para cada concentración. Entonces, se representa el punto de ebullición de la disolución (eje y) frente a la del disolvente puro (eje x), en la misma presión y empleando las mismas unidades de temperatura. Para cada una de las disoluciones que presentan diferente concentración, se obtiene una recta. Para una concentración dada, se puede estimar sobre la gráfica del aumento ebulloscópica trazando una vertical sobre el eje de las abscisas en el punto T 0

correspondiente a la presión de trabajo. El corte de esta vertical con la recta de concentración dada permite leer sobre el eje de ordenadas el valor de T, siendo ΔTb = T - T 0.

Determinación experimental Se requiere medir en un matraz la temperatura de ebullición de disoluciones con diferente concentración variando la presión del sistema que debe ser medida. El valor de la presión de trabajo permite conocer la correspondiente T 0 a partir de datos de presión de vapor -temperatura del disolvente.

Aplicaciones Se utiliza para estimar la presión en el espacio libre de un líquido de una determinada concentración envasado cuando éste se encuentra a una temperatura T. Dibujando una paralela al eje de abscisas en el punto T, el corte con la recta de su concentración permite leer en el eje de

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ordenadas un punto T0 que se corresponderá con una determinada presión de vapor del disolvente y que será, la presión de vapor del líquido o presión del espacio libre.

Otro caso en el que es necesario conocer la relación existente entre la concentración de solutos y el punto de ebullición del disolvente es para el de un evaporador. La velocidad de transmisión de calor en este depende, entre otros factores, de la diferencia entre la temperatura de condensación del vapor de calefacción y la temperatura de ebullición de la disolución a concentrar. De acuerdo con el aumento ebulloscópica, cuando más concentrada es la disolución , mayor será su temperatura de ebullición . A medida que su concentración aumenta en el aparato, disminuye por tanto la velocidad de transmisión de calor. Esta bajada ha de tenerse en cuenta en el diseño de un evaporador. Por lo tanto, se deben conocer los diagramas de Dühring de la disolución a concentrar.

IV. Descripción y diagrama del equipo.

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V. Procedimiento experimental

Materiales

Hidróxido de sodio sólido Probeta de 1000 mL Matraz Erlenmeyer Recipiente de barro Agua de garrafón Equipo para la medición de líneas de Duhring Vaso de precipitados

Procedimiento

Método 1. Preparación de las soluciones:

1. Lavar el matraz y la probeta. 2. Llenar la probeta con agua de garrafón.3. Pesar el vaso de precipitado vacío.4. Pesar la masa necesaria para conseguir la concentración deseada:

Masa=500 g∗Porcentajerequerido100

500 g son la base de solución en masa. Se preparan 4 soluciones con diferentes concentraciones: 40%, 30%, 20% y 10% en masa de Hidróxido de sodio (NaOH).

5. Verter los mililitros de agua necesarios para formar la solución con la concentración requerida en el matraz Erlenmeyer:

Volumendeagua=500g−Masa

Como la densidad del agua es 1 g/cm se puede restar directamente la masa calculada en el paso 4 a la base de la solución total.

6. Agregar la cantidad pesada de Hidróxido de sodio. 7. Virar el matraz Erlenmeyer hasta obtener una solución homogénea.

Utilizar el recipiente de barro para enfriar la solución mientras se le agregué NaOH y se vire la mezcla.

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Método 2. Determinación de la temperatura del líquido y del vapor a diferentes caídas de presión:

Antes iniciar verificar que el equipo esté funcionando adecuadamente.

1. Colocar el matraz Erlenmeyer. 2. Encender la bomba para generar vacío. 3. Medir la temperatura del agua y del vapor.

Se realizan 5 corridas diferentes a distintas caídas de presión (vacío de 500, 400, 300, 200, 100 y 0 milímetros de mercurio) y concentraciones diferentes de NaOH: 0%, 10%, 20%, 30% y 40%.

Prepara la solución Colocar el matraz Erlenmeyer en el

equipo “Líneas de Duhring” y Encender la bomba

Regular el ∆P

Medición de T de vapor y T de líquido

¿Se han medido las temperaturas

a todas las ∆P propuestas?

¿Es la corrida No. 5?

Práctica terminada

Si

Si

No

No

VI. Cálculos y tabla de concentración de datos

Sistema: NaOH-H2O P atm (mmHg)= 634 Temperaturas iniciales:

Temp Vap 22°CTemp Líq 22°C

Vacío P vap T sat °C Temperatura 0% 10% 20% 30% 40%

500mm Hg134 57.5 Temp Líq 55 59 63 77 80

Temp Vap 46 53 54 51 54

400mm Hg234 70 Temp Líq 68 71 72 85 91

Temp Vap 64 62 64 64 65

300mm Hg334 78 Temp Líq 78 80 85 94 101

Temp Vap 73 71 67 73 72

200mm Hg434 85 Temp Líq 85 88 92 101 108.5

Temp Vap 81 80 81 79 80

100mm Hg534 91 Temp Líq 92 93 98 108 114

Temp Vap 89 87 89 90 86

0mm Hg634 95 Temp Líq 95 100 103 113 119

Temp Vap 90 91 92 94 90 (Yunus A. Cengel, 2011)

VII. Gráficas

40 50 60 70 80 90 10040

50

60

70

80

90

100

110

120

130

0%

10%

20%

30%

40%

Temperatura de ebullición del agua °C

Tem

pera

tura

de

ebul

lició

n de

la so

lució

n °C

40 50 60 70 80 90 100 110 120 1300

100

200

300

400

500

600

700

0%

10%

20%

30%

40%

Temperatura de ebullición de la solución °C

PRes

ión

vapo

r

1

40 50 60 70 80 90 100 110 120 13040

50

60

70

80

90

100

0%10%20%30%40%

Temperatura del líquido °C

Tem

pera

tura

del

vap

or °C

VIII. Discusión de resultados

Primeramente, podemos observar en nuestra tabla de concentración de datos, que las temperaturas de saturación del agua a las presiones absolutas que trabajamos en las diferentes corridas, tomadas de la bibliografía mencionada, son cercanas a las leídas durante la experimentación para la solución pura, agua en este caso, lo que nos da una medida de la exactitud y veracidad de los resultados obtenidos.

En los datos obtenidos, se manifiesta que a diferentes concentraciones de nuestro soluto, mientras este aumenta, también lo hace la temperatura de ebullición de la solución, y además tenemos que, a diferentes presiones absolutas, mientras esta aumenta, igualmente lo hace la temperatura de ebullición, lo que se demuestra en nuestros gráficos, obteniendo un perfil casi lineal al graficar la temperatura de ebullición de la solución pura contra la temperatura de ebullición de la solución, y un perfil parabólico al graficar esta última contra la presión vapor. Todo esto lo tenemos justificado en la teoría, en base a que la transferencia de calor en una mezcla se dificulta debido a la interacción entre las diferentes moléculas, estructuras y proporciones de los componentes de dicha mezcla.

Finalmente, al observar las gráficas, se puede notar que los resultados, aunque no son ideales, se acercan mucho a un estándar correcto, y si estos fueran linealizados podríamos utilizarlos para, interpolándolos, obtener diferentes datos en un punto requerido del comportamiento de la solución.

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IX. Conclusiones

X. BibliografíaMcCabe W., Smith J. (1982). Operaciones básicas de ingeniería química. Editor Reverte, 564 páginas.Ibarz, A. (2005). Operaciones unitarias en la ingeniería de alimentos. Ediciones Mundi- Prensa. Madrid, España.

Geankoplis, C. (1998). Procesos de transporte y operaciones unitarias. CECSA, Mexico D.F.

XI. Apéndices

Tabla 1. Propiedades de agua saturada

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