Procesos de separacin por contacto en equilibrio: Concentraciones Equilibrio gas-lquido Equilibrio slido-lquido Relaciones equilibrioconcentracin

Regla de las fases y equilibrio . Para predecir la concentracin de un soluto en dos fases en equilibrio, se requieren datos de equilibrio experimentales. Adems, si las dos fases no estn en equilibrio, la velocidad de transferencia de masa es proporcional a la fuerza impulsora, que es la desviacin con respecto al equilibrio. En todos los casos de equilibrio hay dos fases presentes, tales como gaslquido o lquido-lquido. Las variables importantes que afectan al equilibrio de un soluto son temperatura, presin y concentracin. El equilibrio entre dos fases en cualquier caso, est restringido por la regla de las fases: F=C-P+2

donde P es el nmero de fases en equilibrio, C es el nmero de componentes totales en las dos fases (cuando no se verifican reacciones qumicas), y F es el numero de variantes o grados de libertad del sistema. Por ejemplo, en el sistema gas-lquido de COZ-aireagua, hay dos fases y tres componentes (considerando al aire como un componente inerte). Entonces, por medio de la ecuacin. F=C-P+2=3-2+2=3 Esto significa que hay tres grados de libertad. Si la presin total y la temperatura estn fijas, slo queda una variable que puede ser cambiada a voluntad. Si la composicin de fraccin molar xA del COZ (4) en la fase lquida es constante, la composicin de la fraccin molar yA o la presin pA en la fase gaseosa, quedan determinadas automticamente. La regla de las fases no indica la presin parcial pA en equilibrio con el valor de seleccionado x,. El valor depA se debe obtener por mtodos experimentales. Claro est que las dos fases pueden ser gaslquido, lquido-slido, etc. Por ejemplo, la distribucin de equilibrio del cido actico entre una fase de agua y una de ter isoproplico se puede determinar experimentalmente para diversas condiciones.

Equilibrio gas-lquido 1. Datos de equilibrio gas-lquido. Para ilustrar la obtencin de datos de equilibrio experimentales de un sistema gas-lquido, consideraremos el sistema Sol-aire-agua. Una cierta cantidad de S02, aire y agua, se introduce en un recipiente cerrado y se agita varias veces a una temperatura dada hasta lograr el equilibrio. Se analizan entonces muestras del gas y del lquido para obtener la presin parcial pA en atm del SO* (A) en el gas y la fraccin mO1 XA en el lquido. La figura muestra una grfica de los datos del Apndice A.3 de la presin parcial pA del SO1 en el vapor en equilibrio con la fraccin mol xA del SO2 en el lquido, a 293 K (20 C). i. Ley de Henry. Con frecuencia la relacin de equilibrio entre pA en la fase gaseosa y XA se puede expresar por medio de la ecuacin de la ley de Henry, que es una recta a concentraciones bajas:PA = HXA

donde Hes la constante de la ley de Henry en atm/fraccin mol para el sistema dado. los dos lados de la ecuacin entre la presin total P en atm. YA = HXA Si se dividen donde H es la constante de la ley de Henry en fraccin mol de gas&accin mol de lquido y es igual a H/P. Ntese que H depende de la presin total, mientras que H no. En la figura 10.2-l los valores siguen la ley de Henry hasta llegar a una concentracin XA de aproximadamente 0.005, donde H= 29.6 atm/fraccinmol. En general y hasta llegara una presin total de unos 5 x lo5 Pa (5 atm), el valor de Hes independiente de P. En el apndice A.3 se incluyen datos de algunos gases comunes con el agua.

EJEMPLO 10.2-l. Concentracin de oxgeno disuelto en agua Cul ser la concentracin de oxgeno disuelto en agua a 298 K cuando la solucin est en equilibrio con aire a 1 atm de presin total? La constante de la iey de Henry es 4.38 x 104 atm/fraccin mol. Solucin: La presin parcialpA de oxgeno (A) en aire es 0.21 atm. Usando la ecuacin. 0.21 = HxA = 4.38 x 104xA Resolviendo, XA = 4.80 x lOe6 fraccin mol. Esto significa que 4.80 x lOe6 mol de 02 estn disueltas en 1.0 mol de agua ms oxgeno, o 0.000853 partes de 02/100 partes de agua