INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MINATITLÁN.INGENIERÍA AMBIENTAL4TO SEMESTREFISICOQUÍMICA IPROFA: ING. PATRICIA DEL CARMÉN RODRÍGUEZ INGLÉS.TEMA:2.2 EQUILIBRIO LÍQUIDO – LÍQUIDO.TEMA 1.- CONCEPTOS DE EQUILIBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO. REPRESENTACIÓN DE DATOS DE EQUILIBRIO.INTEGRANTES DEL EQUIPO:GARCÍA JIMÉNEZ LEIDY SARAIJIMÉNEZ HEREDIA HUGO JESÚSMARTÍNEZ GATICA DANIELA ISABELSANTANDER GÓMEZ DENISSE ANAHÍMINATITLÁN VER., A 11 DE ABRIL DE 2013
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MINATITLÁN.
INGENIERÍA AMBIENTAL
4TO SEMESTRE
FISICOQUÍMICA I
PROFA: ING. PATRICIA DEL CARMÉN RODRÍGUEZ INGLÉS.
TEMA:
2.2 EQUILIBRIO LÍQUIDO – LÍQUIDO.
TEMA 1.- CONCEPTOS DE EQUILIBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO. REPRESENTACIÓN DE DATOS DE EQUILIBRIO.
INTEGRANTES DEL EQUIPO:
GARCÍA JIMÉNEZ LEIDY SARAI
JIMÉNEZ HEREDIA HUGO JESÚS
MARTÍNEZ GATICA DANIELA ISABEL
SANTANDER GÓMEZ DENISSE ANAHÍ
MINATITLÁN VER., A 11 DE ABRIL DE 2013
2.2 EQUILIBRIO LÍQUIDO – LÍQUIDO.
TEMA 1.- CONCEPTOS DE EQUILIBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO. REPRESENTACIÓN DE DATOS DE EQUILIBRIO.
CONCEPTOS:
SISTEMA:
Un sistema o sistema termodinámico se define como una cantidad de materia o una región del espacio elegida para su estudio.
FASE:
En termodinámica y química, se denomina fase (del latín phase: partes o fase) a cada una de las partes macroscópicas de una composición química y propiedades físicas homogéneas que forman un sistema.
DIAGRAMA DE FASES:
Un diagrama de fases es una representación gráfica de las condiciones de equilibrio en función de magnitudes como la concentración de las disoluciones, la temperatura y la presión. Desde un punto de vista matemático, un gráfico G=(v,e) es un modelo discreto compuesto de un conjunto de vértices v y un conjunto de aristas e que unen los vértices; en el caso de los diagramas de fases los vértices representan componentes puros, compuestos, puntos eutécticos, puntos de transición y de saturación múltiple, etc., mientras que las aristas representan curvas de saturación y líneas de reparto.
Los diagramas de fases se utilizan ampliamente porque en ellos es más fácil entender el comportamiento de un sistema en equilibrio. Pero además, estos diagramas también se utilizan para representar procesos y realizar balances de materia. La representación de una mezcla en un diagrama permite determinar fácilmente si ésta se encuentra en equilibrio de fases o no y, en caso de ser afirmativo, cuáles son sus fases en equilibrio, las composiciones de esas fases y las cantidades relativas de cada una de ellas. Sin embargo, los diagramas de fases, o las representaciones gráficas, tienen también varias limitaciones: así, por ejemplo, la representación de sistemas de más de tres componentes son siempre parciales, y por lo tanto es posible tomar decisiones incorrectas porque la información utilizada es incompleta.
COMPONENTE:
Es la clase de materia o sustancia que forma a un Sistema.
Es lo que compone un sistema. El sistema puede estar formado por varios de estos. El número de componentes es el número mínimo de especies moleculares en función de las cuales se puede expresar cuantitativamente la composición de fases.
SOLUBILIDAD:
Solubilidad, de una sustancia en un disolvente, es la cantidad de esa sustancia contenida en cien gramos de disolvente, a una temperatura y presión dadas.
PROCESOS DE SEPARACIÓN BÁSICOS DONDE SE APLICA EL EQUILIBRIO DE FASES.
Destilación
Extracción
Lixiviación
Cristalización
Absorción
Adsorción
Humidificación
Proceso de separación
Extracción liquido – líquido
La extracción líquido-líquido, es también conocida como extracción con solvente.
Definición
Proceso en el que se eliminan uno ó más solutos de un líquido transfiriéndolo (s) a una segunda fase líquida (añadida). Las dos fases líquidas deben ser: parcialmente solubles ó totalmente inmiscibles.
Utiliza el principio de polaridad de un medio, es decir, un componente polar se disuelve en un solvente polar y un componente apolar se disuelve en un solvente apolar, en general, todo compuesto se disuelve en un solvente de polaridad semejante.
Corrientes implicadas:
Alimentación: Disolución cuyos componentes se desea separar.
Disolvente: Líquido utilizado para separar el componente deseado.
Refinado: Corriente de alimentación ya tratada.
Extracto: Disolución con el soluto recuperado.
Figura 1.1 La separación se basa en las distintas solubilidades del soluto en las 2 fases.
Se necesita:
Contacto de las 2 fases líquidas.
Separación de las 2 fases finales.
Recuperación del líquido añadido (Solvente o disolvente.)
Se usa:
Cuando fallan los métodos directos o proporcione un proceso total menos costoso:
Separación de líquidos con puntos de ebullición próximos, volatilidades relativas cercanas a la unidad. Isómeros.
Separación de mezclas que forman azeótropos.
Separación de sustancias sensibles al calor.
En sustitución de destilaciones en alto vacío, evaporaciones, cristalizaciones costosas.
EQUILIBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Si se añaden pequeñas cantidades de tolueno a un recipiente que contiene benceno puro, observamos que, con independencia de la cantidad de tolueno que se ha añadido, la mezcla obtenida permanece como una fase líquida. Los dos líquidos son completamente miscibles.
En contraste con este comportamiento, si se añade agua a nitrobenceno, se forman dos capas líquidas distintas; la capa acuosa contiene sólo un vestigio de nitrobenceno disuelto, mientras que la capa de nitrobenceno contiene sólo un vestigio de agua disuelta. Tales líquidos son inmiscibles. Si se añaden pequeñas cantidades de fenol a agua, al principio el fenol se disuelve para dar una sola fase; sin embargo en algún punto de la adición, el agua se satura y una adición posterior de fenol produce dos capas líquidas, una rica en agua y la otra rica en fenol. Estos líquidos son parcialmente miscibles.
Cuando dos líquidos se mezclan en diferentes proporciones a ciertas condiciones de temperatura y presión se producen dos fases líquidas de diferente concentración que están en equilibrio termodinámico, entonces se tiene el fenómeno de Equilibrio Liquido- Liquido (ELL).
Los criterios de equilibrio para ELL son los mismos que para el EVL, es decir, uniformidad de T y P y de la fugacidad fi, para cada una de las especies químicas a través de ambas fases.
La descripción termodinámica de ELL está en función de T,P y fugacidad (f) para cada especie química en ambas fases. Para el ELL en un sistema de N especies a T y P uniformes, se identifican las fases líquidas por medio de subíndices a y B, y se escriben los criterios de equilibrio como:
Con la introducción de los coeficientes de actividad, esto se convierte en:
… (1)
Si se considera que todas las especies existen como líquidos puros a la temperatura del sistema, se tiene que:
Por lo tanto la ecuación (1) se convierte en:
Ecuación General de ELL.
Que también puede escribirse como:
ậiα = ậiβ
Donde ậi es la actividad de cada especie i.
En la ecuación (1) los coeficientes de actividad derivan de la misma función GE/RT; así, funcionalmente son idénticos, y se distinguen matemáticamente sólo por las fracciones mol a las cuales se aplican. Para un sistema líquido/ líquido que contiene N especies químicas
……(2 a)
…… (2b)
De acuerdo con las ecuaciones (2a) y (2b), se puede escribir N ecuaciones de equilibrio en 2N variables intensivas (T, P y N - 1 fracciones mol independientes para cada fase). La resolución de las ecuaciones de equilibrio para ELL, por lo tanto, requiere una especificación previa de valores numéricos para N de las variables intensivas. Esto está de acuerdo con la regla de las fases de Gibbs, para la cual F = 2 - n + N = 2 - 2 + N = N. El mismo resultado se obtiene para EVL sin restricciones especiales sobre el estado de equilibrio.
En especial, dentro de los estudios del equilibrio entre fases líquidas, las mezclas formadas por un componente polar más un hidrocarburo son de interés creciente, ya que presentan propiedades interesantes como la separación de fases líquido-líquido y la azeotropía, como resultado de su alta no idealidad. Estas dos propiedades representan un gran atractivo desde el punto de vista científico para el desarrollo y prueba de modelos de soluciones, y también desde el punto de vista industrial, ya que numerosas corrientes de proceso se encuentran constituidas por este tipo de mezclas. De aquí la importancia y relevancia del actual trabajo de investigación. Los sistemas líquido-líquido se caracterizan por la amplia variedad de comportamientos que presentan. En equilibrio, la temperatura y presión de ambas fases son iguales, por lo que de acuerdo, con la Regla de Fases de Gibbs, el sistema tiene 3 grados de libertad. De esta forma, para tener definido completamente el equilibrio termodinámico del sistema basta con fijar, adicional a la temperatura y la presión, la concentración de una de las fases.
Las condiciones de equilibrio entre dos fases (a,b) de dos sustancias (1,2) son la igualdad de temperatura, presión y potencial químico. Las ecuaciones resultantes de cada una de las igualdades permiten calcular la concentración de equilibrio de las dos sustancias en cada una de las fases y ello permitirá entonces definir la curva de equilibrio líquido-líquido (curva binodal), la cual representa el límite entre las regiones de miscibilidad parcial líquido-líquido y la de miscibilidad total.
El estudio experimental de la extracción líquida supone el uso de sistemas compuestos de al menos tres sustancias diferentes. Aunque las fases insolubles son predominantemente muy distintas desde el punto de vista químico, en la mayoría de los casos los tres componentes aparecen en cada fase.
REPRESENTACIÓN DE DATOS DE EQUILIBRIO.
Equilibrio líquido-líquido en sistemas binarios
Si se considera la mezcla de dos líquido A y B a presión y temperatura constante, en cantidades nA y nB, el equilibrio de fases se alcanza cuando G disminuya, es decir cuando la energía libre de la mezcla sea menor que la energía libre de los dos componentes puros. La energía libre de mezcla Gmezcla se define como el cambio en la energía libre del sistema al llevar a cabo el proceso de mezclar ambos líquidos, véase la ecuación (1.1)
en la ecuación (1.2) se observa por cada mol de mezcla
En (a) la Gmezcla es negativa en todo el intervalo de concentración, por lo que ambos líquidos son totalmente miscibles a la presión y temperatura implicadas. En (b) Gmezcla>0, por lo que ambos líquidos son inmiscibles, a la presión y temperatura de trabajo. En (c) se representa una situación más compleja. Gmezcla <0, luego ambos líquidos son miscibles. Sin embargo, si la mezcla tiene una concentración entre x1 y x2, Gmezcla es menor si el sistema se separa en dos fases, de concentración x1 y x2 respectivamente. Se habla en este caso de que a la presión y temperatura de trabajo los líquidos son parcialmente miscibles. Los líquidos son miscibles en concentración x menor que x1 y x mayor que x2, pero no en concentración intermedias. El hecho de que dos líquidos sean parcialmente miscibles a una temperatura y presión, y que en otras condiciones sean totalmente miscibles o inmiscibles, se debe a las contribuciones de la entalpía y de la entropía al proceso de mezclado, por ejemplo el efecto que produce la variación de la temperatura, véase las ecuaciones (1.3) y (1.4)
Aunque se considera que Hmezcla y Smezcla varían poco con la temperatura si la variación de ésta no es muy grande, una variación de temperatura puede implicar un cambio de signo en Gmezcla, pudiéndose obtener diagramas de fase líquido-líquido diversos como se observa en la figura 1.2, en los que la presión se mantiene constante, y en los que se observan puntos de temperatura crítica inferior, temperatura inferior de cosolubilidad (LCST), de temperatura crítica superior, temperatura superior de cosolubilidad (UCST), o ambos, respectivamente.
El diagrama de fases temperatura-composición nos dice en qué condiciones de equilibrio existe una o dos fases (a 1 atm). En la Figura 1.3, el punto a está situado en la llamada región homogénea. Esto indica que un sistema agua-fenol al 50%-peso y una temperatura de unos 65 °C es miscible y aparece con una única fase homogénea. Si descendemos T hasta llegar al punto b, observaremos un cambio de fase. Se trata de una transición en la que el sistema se vuelve inmiscible y comienza la formación de una segunda fase, lo cual se evidencia porque la disolución cambia de transparente a turbia. Al seguir disminuyendo T y llegar a un punto como el c, el sistema vuelve a ser transparente pero con dos fases separadas claramente distinguibles. Ambas fases contienen los dos componentes, pero la concentración de fenol en una de ellas es mayor que la concentración media y en la otra fase es menor que la concentración media. Así, por ejemplo, cuando el sistema agua-fenol se halla a 45 °C con una concentración media del 50%-peso, marcada por el punto c, las dos fases separadas tienen las composiciones marcadas por los puntos l1 y l2. La concentración de fenol en estas fases cambia con T y la unión de puntos como l1 y l2 a distintas temperaturas define la curva de coexistencia de fases. Dicha curva muestra un máximo que se conoce como punto crítico (o punto consoluto superior) y a las correspondientes temperatura y composición se las conoce como temperatura y composición críticas. Por encima de la temperatura crítica, Tc, siempre se forma una fase homogénea sea cual sea la composición. Por debajo de Tc existe un rango de concentraciones en que la mezcla forma dos fases. Este rango se conoce como el intervalo de inmiscibilidad y su anchura aumenta al descender la temperatura.
FIGURA 1.3-Diagrama de fases del sistema agua-fenol a 1 atm.
Diagramas de equilibrio ternario.
En el diseño de una operación de extracción líquido-líquido suele considerarse que el refinado y el extracto se encuentran equilibrio. Los datos de equilibrio que deberán manejarse serán como mínimo los correspondientes a un sistema ternario (dos disolventes y un soluto), con dos de los componentes inmiscibles o parcialmente inmiscibles entre sí.
Una de las formas más habituales de recoger los datos de equilibrio en sistemas ternarios son los diagramas triangulares. En la Figura 1.2 se muestra un diagrama triangular equilátero. Los vértices del triángulo representan compuestos puros, un punto sobre un lado correspondería a una mezcla binaria y un punto en el interior del triángulo representaría una mezcla ternaria. La composición de una mezcla puede determinarse por lectura directa en el diagrama, tal como muestra la Figura 1.2. La concentración de los componentes en el diagrama se muestra como fracción molar o fracción másica.
Figura 1.2 Diagrama de equilibrio ternario: diagrama triangular equilátero.
DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO
Triángulo equilátero.
Triángulo rectángulo.
Concentración libre de solvente, coordenadas Janecke.
Triangulo equilátero
En los sistemas de interés para la extracción líquido-líquido los dos disolventes implicados son inmiscibles o parcialmente inmiscibles entre sí. Es decir, su mezcla en las proporciones adecuadas puede dar lugar a la formación de dos fases. Además, la presencia de un soluto modifica la solubilidad de un disolvente en otro. Para representar este comportamiento, y poder conocer si a una determinada mezcla le corresponden una o dos fases, los diagramas triangulares líquido-líquido presentan la denominada curva binodal o de solubilidad (Figura 1.3). Una mezcla representada por un punto situado por encima de la curva binodal estará constituida por una sola fase. Por el contrario, a una mezcla situada por debajo de la curva binodal le corresponden dos fases. Las dos fases en equilibrio se encuentran ligadas por una recta de reparto. La recta de reparto pasa por el punto mezcla y sus extremos sobre la curva binodal indican la concentración de las dos fases en equilibrio (Figura 1.3).
Figura 1.3. Tipo 1.Diagrama de equilibrio ternario para un sistema líquido-líquido.
Figura 1.4. Tipo 2. 2 pares de líquidos parcialmente miscibles
Figura 1.5. Tipo 3. 3 pares de líquidos parcialmente miscibles.
Triangulo rectángulo
Evita la acumulación de datos, permite expandir escalas. Y emplean coordenadas rectangulares.
Figura 1.6. Triangulo rectángulo.
Donde Wt son las fracciones en peso de los componentes, S es el disolvente, A él soluto y el C el componente portador.
Diagrama de Concentración Libre de Solvente. JANECKE
Donde las coordenadas representan la fracción en peso de disolvente presente en la mezcla soluto mas portador S/(A+C) y las abscisas representan la fracción en peso de soluto presente en la mezcla soluto mas portador A/(A+C) en tanto en el caso del extracto, X, como del refinado, Y. se emplea sobre todo para sistemas del tipo 1.
Figura 1.7. Diagrama de concentración libre de solventes.
IMPORTANCIA DEL EQUILIBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO EN LA INGENIERÍA AMBIENTAL
HOMOGENIZACIÓN DE CAUDALES.
La homogenización de caudales se realiza en los tratamientos de aguas residuales para tener caudales de tratamiento iguales y concentraciones de contaminantes mucho mas homogéneas. Esta operación produce una mayor efectividad en los tratamientos posteriores.
La homogenización de caudales puede realizarse en todo el caudal de agua que llegue a la planta de depuración (disposición en línea), o bien solo se homogeneíza el caudal que excede a la media diaria, añadiéndolo a la depuración cuando el caudal de agua residual que llega es menor que el de la media (disposición en derivación). En este caso el gasto de bombeo es mínimo pero las concentraciones de contaminantes no son tan uniformes.
En aguas residuales de ciertos tipos de industrias es indispensable la homogeneización; puesto que los vertidos son puntuales y las aguas residuales homogenizadas serán de más fácil tratamiento que por separado.
La ubicación de los homogeneizadores en una planta depende del tipo de planta que se tenga pero, de una forma general, podemos decir que se encuentran entre el desarenado y el tratamiento primario. En algunos casos puede ser interesante situarlos entre el tratamiento primario y el secundario.
CUESTIONARIO:
1.- ¿Qué es el ELL?
Cuando dos líquidos se mezclan en diferentes proporciones a ciertas condiciones de temperatura y presión se producen dos fases líquidas de diferente concentración que están en equilibrio termodinámico, entonces se tiene el fenómeno de Equilibrio Liquido- Liquido (ELL).
2.- ¿Cuáles son los criterios de equilibrio que se deben de considerar en el ELL?
Son los mismos que para el EVL, es decir, uniformidad de T y P y de la fugacidad fi, para cada una de las especies químicas a través de ambas fases.
3.- ¿Qué se necesita para determinar que ocuparemos el proceso extracción de liquido – liquido?
R= se necesita primero determinar los siguientes factores:
Contacto de las 2 fases líquidas.
Separación de las 2 fases finales.
Recuperación del líquido añadido (Solvente o disolvente.)
4.- ¿Cuál sería una forma sencilla de saber qué tipo de diagrama equilátero debemos de ocupar?
R= una manera sencilla de determinarlo sería por los pares de líquidos que obtuvimos.
5. ¿Qué nos indica el diagrama de fases temperatura – composición?
R= El diagrama de fases temperatura-composición nos dice en qué condiciones de equilibrio existe una o dos fases (a 1 atm).
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