práctica 1 de laboratorio

5/24/2018 Pr ctica 1 de Laboratorio

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Prctica 1 de Laboratorio de Fisicoqumica

- DESTILACIN AZEOTRPICA

RESUMEN.

En ste trabajo, se presenta el comportamiento de la curva de temperatura - composicin pa

lquido y vapor en equilibrio de la mezcla binaria HCl H2O y la obtencin del punto de ebullici

utilizando la Ley de Raoult. Siendo sta del tipo 3 de las soluciones binarias de lquidos volti

exhibiendo una desviacin negativa a dicha ley con un mnimo en la curva de presin de vapor to

contra composicin y un mximo en la temperatura de ebullicin. Y su aplicacin en la potencialid

de nuevos esquemas de separacin a nivel industrial para procesos de destilacin. Se obtu

midiendo los volmenes de destilados y residuos del proceso y manejando el cido clorhdrico, pa

as luego obtener las concentraciones de los productos obtenidos a la presin atmosfrica constan

1. INTRODUCCIN.

En la industria qumica la destilacin es uno de los procesos ms utilizados para la separacin

componentes de una mezcla, donde se aprovechan los diferentes puntos de ebullicin de

compuestos en cuestin, mediante el suministro energa calorfica. Obteniendo as dos o ms fas

que coexisten y que tienen diferencia en temperatura, presin y composicin.

Por ello se habla de azetropos que son una mezcla lquida de dos o ms compuestos qumicos q

hierven a temperatura constante y que se comportan como si estuviesen formadas por un s

componente.

La mayor aplicacin en la industria es al momento de disear nuevos esquemas de separacin

ofrecer la posibilidad del anlisis de todo un conjunto de nuevos comportamientos para las torres

destilacin. Por otro lado el cido clorhdrico es un decapante-desoxidante de la indust

siderometalrgica, tambin utilizado en la minera, en la industria petrolera, papelera, de

construccin y qumica en general.

El cloruro de hidrgeno (HCl) hierve a -84 C, mientras que el azetropo lo hace a may

temperatura, por lo tanto se trata de un azetropo de temperatura mxima y con desviacin negat

segn Raoult. Por ello la gran importancia de obtener el punto de azeotropa de la mezcla bina

HCl-Agua. Para ello se determina el punto de burbuja mediante la destilacin simple de varmezclas de HCl agua.

Tomando como referencia lo anterior, el presente trabajo tiene como objetivo obtener la curva

temperatura- composicin para lquido y vapor en equilibrio de la mezcla binaria HCl H

utilizando la Ley de Raoult.


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1.1 FUNDAMENTO

1.1.1 LA NATURALEZA DEL EQUILIBRIOSe reconoce al equilibrio como una condicin esttica donde, con el tiempo, no ocurre cambio alguen las propiedades macroscpicas del sistema, lo cual implica un balance de todos los potencia

que pueden ocasionar un cambio.

Se considera al equilibrio vapor/liquido (EVL) como el estado de coexistencia de las fases vapo

lquido. El anlisis se limita a estudiar los sistemas constituidos de dos especies qumicas. El esta

en equilibrio se determina por completo cuando se fijan dos de sus variables independien

cualesquiera.

1.1.2 AZETROPO

Un azetropo (o mezcla azeotrpica) es una mezcla liquida de dos o ms componentes que posun nico punto de ebullicin constante y fijo, al pasar al estado vapor (gaseoso) se comporta com

un compuesto puro, o sea como si fuese un solo componente.

Un azetropo, puede hervir a una temperatura superior, intermedia o inferior a la de

constituyentes de la mezcla, permaneciendo el lquido con la misma composicin inicial, al igual q

el vapor, por lo que no es posible separarlos por destilacin simple. El azetropo que hierve a u

temperatura mxima se llama azetropo de mxima ebullicin (negativos) y el que lo hace a u

temperatura mnima se llama azetropo de ebullicin mnima (positivos), los sistemas azeotrpic

de ebullicin mnima son los ms frecuentes.

1.1.3 LEY DE RAOULT MODIFICADASe aplica para presiones bajas a moderadas, una ecuacin mucho ms efectiva para EVL se obtie

cuando se abandona la segunda suposicin de Raoult, y se toma en cuenta las desviaciones de

idealidad de las soluciones en fase liquida. Ley de Raoult modificada se obtiene cuando i,

coeficiente de actividad, se inserta en la ley de Raoult:

Dos consideraciones de la ley de Raoult:

I. La fase vapor es un gas ideal (solo a baja presiones).

II. Las fase liquida es una solucin ideal (las especies constituyentes sean qumicame

semejantes).

En esta ocasin ocuparemos la ley de Raoult modificada en donde para el clculo de los coeficient

de actividad ocuparemos la ecuacin de correlacin de Van Laar.


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2. MTODO.2.1 Destilacin.

Se instal el equipo de destilacin. Se mezclaron 100 ml de agua y 40 ml de HCl al matraz q

posteriormente sera utilizado para dicho proceso.

Se destil la mezcla binaria hasta unos minutos hasta llegar al equilibrio de una temperat

constante. Luego se recolectaron 5 ml del primer destilado y se anot su correspondie

temperatura con ayuda de un termmetro. En el momento que dej de hervir es decir, que ya ha

igualado su punto de ebullicin la composicin azeotrpica; se retir de la plancha elctri

obteniendo as 5 ml del residuo.

2.2 Adicin de Cloruro de Hidrgeno y recolectacin de destilado-residuos.

Posteriormente se agregaron 5 ml ms de HCl concentrado, al matraz de destilacin, con el fin aumentar la concentracin de ste, y as sucesivamente hasta obtener varios puntos para pod

graficar la concentracin contra temperatura, y poder observar el comportamiento lquido vapor

la mezcla binaria azeotrpica, repitiendo los pasos anteriores y recogiendo muestras de destilado

residuo, con ayuda de pipetas graduadas de 5 ml; donde estos puntos de refieren a los puntos

roco (fase vapor) y puntos de burbuja (fase lquida) respectivamente.

Despus se agregaron 4 porciones de HCl concentrado de 7 ml cada una y se tom cada vez

muestras de destilado y 4 muestras de residuo y se anotaron las 4 temperaturas a las cuales ocur

la destilacin.

Finalmente se agregaron 20 ml de HCl concentrado y se tomaron 4 muestras ms de destilado yde residuo a intervalos regulares de tiempo sin agregar ms cido, anotando las 4 temperatu

correspondientes.

2.3 Determinacin de composiciones.

Posteriormente para determinar la composicin o concentracin de los destilados y residuos

obtuvo mediante un mtodo de anlisis qumico cuantitativo llamado titulacin en este caso cido

base, tomando 2 ml de muestra o alcuota de cada uno y titulando con NaOH 0.4 N utilizando azul

bromotimol como indicador. Al realizar el procedimiento, se obtuvieron ciertos ml gastados de NaO

hasta que nuestra muestra vir o cambi de coloracin. Teniendo como datos la normalidad

titulante y los ml gastados de ste, se procede a determinar la concentracin de la muestra

cuestin mediante la frmula

(1)


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2.4 Deteminacin de las nuevas fracciones

La determinacin de las fracciones molares del componente voltil y el azetropo fueron obtenid

utilizando densidades del HCl correspondidas a las temperaturas observadas durante la destilacin

recoleccin de destilados y residuos. Se consultaron tablas de densidades a ciertas temperaturas,

obstante se desarroll un ajuste polinmico de 2do grado a los datos conocidos del cido a 20% cel fin de extrapolar las temperaturas desconocidas; esto se llev a cabo porque dicho proce

aunque es isobrico, vara con la temperatura.

3. RESULTADOS

ANEXA TABLA DE DATOS DEL DESTILADO (X1)

DESTILADO (x1)

TEM(C)

ml deDesti(V2)

ml deNaOH(V1)

N deldesti(N2)

molesde

cido

vol deacido

vol deagua

molesde

agua

fraccinmolar(x1)

108 2 52.1 10.42 0.0208 0.6784 1.3216 0.0734 0.221108 2 38.9 7.78 0.0156 0.5065 1.4935 0.0829 0.158107 2 31.1 6.22 0.0124 0.4050 1.5950 0.0886 0.123106 2 26.7 5.34 0.0107 0.3477 1.6523 0.0917 0.104

105.5 2 20.1 4.02 0.0080 0.2617 1.7383 0.0965 0.077

105 2 16.2 3.24 0.0065 0.2109 1.7891 0.0993 0.061104 2 12.4 2.48 0.0050 0.1615 1.8385 0.1021 0.046103 2 7.1 1.42 0.0028 0.0925 1.9075 0.1059 0.026102 2 3.2 0.64 0.0013 0.0417 1.9583 0.1087 0.012100 0.000

Psat enbar (acido)

Psat bar(agua)

Psat en atm(acido)

Psat atm(agua)

1 2

9.604 1.13 9.48034794 1.11905057 0.0794 0.9417

9.604 1.13 9.48034794 1.11905057 0.1078 0.87649.550 1.12 9.4278229 1.10261029 0.1247 0.8713

9.497 1.10 9.37530336 1.08631589 0.1209 0.8931

9.471 1.09 9.3490459 1.07822334 0.1357 0.8938

9.444 1.08 9.32279013 1.0701672 0.1428 0.9014

9.391 1.07 9.27028406 1.05416408 0.1730 0.9080

9.338 1.05 9.21778596 1.03830635 0.2740 0.9110

9.284 1.04 9.1652967 1.02259384 0.5559 0.9181

9.178 1.00 9.06034807 0.99160374 0.9955


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Para el calculo de las fraccion molar del destilado (x1) se empleo la siguiente formula:

X1=

(2)

Las presiones saturadas, son de relevancia para nuestros calculos y aunque existen divers

ecuaciones que nos permiten calcularla, tal como la ecuacion de Riedel, ecuacion de Fros

Kalkwarf Thodos, nosotros emplearemos la ecuacion de Antoine, debido a su accesibilidad a s

constantes y por lo comn que es.

(3)

Las constantes que se emplearan para el trabajo con Antoine son las siguientes:

CONSTANTE DE ANTOINEHCl H2O

A 4.29 5.11B 745.78 16.87.53

C 258.88 230.17

Con los valores de las presiones saturadas de nuestras dos especies, procedemos a convertir

unidades para su facil estudio, sabiendo la relacion que existe entre los barometros y las atmosfera

1atm=1.01325bar

El calcul del volumen es determinado gracias al producto de los moles de la especie y su mamolar entre su densidad es decir:

V=

(4)

HCl H2O

Densidad ( 1.12 1Masa Molar (M.m) 36.46 18.01


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ANEXA TABLA DE DATOS DEL RESIDUO (Y1)

RESIDUO (y1)ml de

residuo (V2)ml de NaoH

(V1)N del

residuo (N2)moles

de acidovolumende acido

volumende agua

moles deagua

fraccionmolar (y1

2 41.2 8.24 0.0165 0.5365 1.4635 0.0813 0.1692 40.1 8.02 0.0160 0.5222 1.4778 0.0821 0.1642 36.4 7.28 0.0146 0.4740 1.5260 0.0847 0.1472 30.3 6.06 0.0121 0.3945 1.6055 0.0891 0.1202 25.40 5.08 0.0102 0.3307 1.6693 0.0927 0.0992 21.5 4.3 0.0086 0.2800 1.7200 0.0955 0.0832 19.7 3.94 0.0079 0.2565 1.7435 0.0968 0.0752 17.6 3.52 0.0070 0.2292 1.7708 0.0983 0.0672 15.9 3.18 0.0064 0.2070 1.7930 0.0996 0.060

ln (1) ln(2) Ge/RT Ge/x1x2RT 1/Ge/x1x2RT

-2.5336 -0.0601 -0.60716356 -3.52466842 -0.28371

-2.2278 -0.1320 -0.46310291 -3.48112859 -0.28726-2.0821 -0.1377 -0.37721216 -3.49288581 -0.28630

-2.1131 -0.1131 -0.32161594 -3.44346707 -0.29040

-1.9977 -0.1122 -0.25721497 -3.62361628 -0.27597

-1.9460 -0.1038 -0.21657621 -3.76733476 -0.26544

-1.7545 -0.0965 -0.17330457 -3.92189191 -0.25498

-1.2946 -0.0932 -0.12457104 -4.89828194 -0.20415

-0.5872 -0.0855 -0.0913202 -7.9413509 -0.12592

-0.0045 -0.00448451

Para cacular el coeficiente de actividad (en el apartado del destilado haremos uso de la ecuacion de Rao

modificado:

(5)


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Con todos los datos ya obtenidos, ya somos capaz de poder utilizar el modelo de Van Laar, que p

su flexibilidad y facil manejo nos permite modelar dentro de la fase liquida vapor en equilib

partiendo de la propiedad de Gibbs Duhem.

(6)

Al calcular las composiciones del destilado y del residuo a sus temperaturas correspondient

procederemos a interpretar dichos calculos en un grafico temperatura vs concentracion que mues

el comportamiento de nuestro azeotropo a las distintas temperaturas y la variacion de

concentracion.

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101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

0.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250

TEMPERATURA

Fraccion X1,Y1

AZEOTROPO HCl-AGUA

DESTILADO (

RESIDUO (y1


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El grafico que describe la relacion entre RTx1x2/G vs Temperatura, que se emplea plincipalme

para la obtencion de las constantes de A y de B.

4. DISCUCIONES Y CONCLUSIN

Al realizar la recoleccin de destilados y residuos se logr determinar el azetropo en la mez

binaria cido clorhdrico agua para as obtener el punto de ebullicin mximo, ya que es mayo

los puntos de ebullicin de cada uno de los componentes que conforman la mezcla; y por lo ta

una desviacin negativa a la ley de Raoult presentando un mnimo en la curva de presin de vap

total graficada contra la composicin.

Sin embargo nuestros calculos se basan en los fundamentos y la ley de Raoult pero debido a

distinta naturaleza de la mezcla binaria, el equipo opta por tomar la ley de Raoult modifica

acercandonos mas a lo que estabamos presenciando.

5. REFERENCIAS- Castellan-Gilbert W.; Fisicoqumica 2da Edicin 1998; Pginas 326-328.

- Van Ness-Hendrick C.; Introduccin a la Termodinmica en Ingeniera Qumica 7ma Edici

Pginas: 391-401.

- Perry-Robert H.; Manual del Ingeniero

Qumico; Volumen 1, Seccin 4,

Pginas: 15-17.

y = -0.5614x - 0.201

R = 0.4788

-0.35000

-0.30000

-0.25000

-0.20000

-0.15000

-0.10000

-0.05000

0.000000.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300

Rx1x2T/GE

práctica 1 de laboratorio

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