Equilibrio Liquido vapor conceptos basicos

curso basico de fisicoquimica

1. 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.
 
Leyes
de equilibrio

2. Leyes
de equilibrio
cambio.al.aresistenci
impulsoras.fuerzas
equilibrio.al.tendencia.de.velocidad 
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. Evolución de estados de no equilibrio a equilibrio
Leyes
de equilibrio
T
1

>
T
2
T
uniforme
T
1


T
2
Q
C
A1

>
C
A2
C
A1


C
A2
C
A

uniforme
N
A
Agua
Cloroformo
Agua
Cloroformo
Cl
2
Agua
Cloroformo
C
Cl2

uniforme
C
Cl2

uniforme
Cl
2
C
Cl2

en
agua

C
Cl2

en
cloroformo

4. Leyes
de equilibrio
Fases + Libertades = Componentes + 2
Libertades = Componentes
REGLA DE LAS FASES DE GIBBS
Habitualmente,
estas variables son:
•presión
(P)
•temperatura
(T)
•composición
de cada una de las fases (x
i

e y
i
).

Para
un sistema bifásico:

5. Leyes
de equilibrio
1. Calentador
tipo bayoneta, para calefacción de la camisa de vapor.
2. Calentador
tipo bayoneta del vaporizador.
3. Llave
de tres vías, para la toma de muestras de la fase vapor.
4. Vaporizador.

5. Muescas
triangulares para el burbujeo del vapor.
6. 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.
7. Nivel
de líquido en el contactor.
8. 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.
9. Línea
de retorno del condensado.
10. Alimentación
de la mezcla en estudio.
11. Condensador
tipo dedo frío para condensar la fase vapor que corresponde a
la
mezcla en estudio.
12. Alimentación
de la camisa de vapor.
13. Refrigerante
de la camisa de vapor.
14. Vaina
para el termómetro de control de temperatura en la camisa de vapor.
15. Vaina
para el termómetro de medición de la temperatura de equilibrio.
16. Orificios
para la entrada de vapor al contactor.
17. Llave
de aguja para la toma de muestra de la fase líquida.
18. Nivel
de líquido en la camisa de vapor.
19. Camisa
de vapor.
DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE DATOS DE EQUILIBRIO

6. Leyes
de equilibrio
Predicción
termodinámica
a) Cálculo
de la composición del vapor y del líquido en
equilibrio
a una presión y temperatura conocidas.
PyP
11

1
0
11 xPP
)x(PxPxPxPPPP
1
0
21
0
12
0
21
0
121 1
0
2
0
1
0
2
1
PP
PP
x



P
xP
y
1
0
1
1
Ley
Dalton
Ley
Raoult

7. Leyes
de equilibrio
Suponer
T
Calcular
P
1
0

y
P
2
0
Calcular
y
1

e y
2
P
xP
y
1
0
1
1

y
1

+ y
2


= 1
SI
FIN
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. Tema
6
Leyes
de equilibrio
Suponer
T
Calcular
P
1
0

y
P
2
0
Calcular
x
1

y x
2
x
1

+ x
2


= 1
SI
FIN
NO
0
2
0
1
0
2
1
PP
PP
x



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. Tema
6
Leyes
de equilibrio
Suponer
T
Calcular
P
1
0

y
P
2
0
=P
SI
FIN
NO
1
1
0
1
y
xP

2
2
0
2
y
xP
PCalcular


y P
:
d)
Cálculo de la presión y de la temperatura de equilibrio de un sistema líquido-
vapor
de composición conocida.

10. Tema
6
Leyes
de equilibrio
Diagrama
de equilibrio T-x-y
a
b
c C
u
r
v
a

d
e
l

v
a
p
o
r
Curva del líquido
d e
T
A
T
B
Concentración
0%
A
100%
A
x y
100%
B
0%
B
T
1
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a

11. Tema
6
Leyes
de equilibrio
Diagrama
de equilibrio y-x
Fracción molar en el líquido, x
F
r
a
c
c
i
ó
n
m
o
l
a
r

e
n

e
l
v
a
p
o
r
,

y

12. Tema
6
Leyes
de equilibrio
Diagrama
de equilibrio de mezclas reales
T
B
Concentración
x
a
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
T
B
Concentración
x
a
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
y
a
Fracción molar
x
a
F
r
a
c
c
i
ó
n

m
o
l
a
r
y
a
Fracción molar
x
a
F
r
a
c
c
i
ó
n

m
o
l
a
r
Azeótropo
de máximo punto de ebullición

13. Tema
6
Leyes
de equilibrio
Diagrama
de equilibrio de mezclas reales
Azeótropo
de mínimo punto de ebullición
T
B
Concentración
x
a
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
T
B
Concentración
x
a
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
y
a
Fracción molar
x
a
F
r
a
c
c
i
ó
n

m
o
l
a
r
y
a
Fracción molar
x
a
F
r
a
c
c
i
ó
n

m
o
l
a
r

14. Tema
6
Leyes
de equilibrio
PROBLEMA
4.1.
La
ecuación de Antoine correlaciona la presión de vapor de los líquidos puros con la
temperatura
según:
con
P
1
0

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.
  A B C
Benceno 6,90565 1211,033 220,790
Tolueno 6,95334 1343,943 219,377
CT
B
APlog


0
1

15. Tema
6
Leyes
de equilibrio
PROBLEMA
4.1.
79220
0331211
905656
0
.T
.
.Plog
benceno


79220
0331211
90565688082760
.T
.
..log


Cº .Tbenceno
eb
180

16. Tema
6
Leyes
de equilibrio
PROBLEMA
4.1.
377219
9431343
953346
0
.T
.
.Plog
tolueno


377219
9431343
95334688082760
.T
.
..log


Cº .Ttolueno
eb
6110

17. Tema
6
Leyes
de equilibrio
PROBLEMA
4.1.
377219
9431343
953346
0
.T
.
.Plog
tolueno


79220
0331211
905656
0
.T
.
.Plog
benceno


T P
0
B P
0
T
80,1 760 292,2
85 881,7 345,1
90 1021 406,7
95 1176,8 476,9
100 1350,5 556,3
105 1543,2 645,9
110 1756,4 746,6
110,6 1783,4 760

18. Tema
6
Leyes
de equilibrio
PROBLEMA
4.1.
00
0
TB
T
B
PP
PP
x



P
xP
y
BB
B
0

T P
0
B P
0
T X Y
80,1 760 292,2 1 1
85 881,7 345,1 0,773 0,897
90 1021 406,7 0,575 0,772
95 1176,8 476,9 0,404 0,626
100 1350,5 556,3 0,256 0,455
105 1543,2 645,9 0,127 0,258
110 1756,4 746,6 0,013 0,03
110,6 1783,4 760 0 0

19. Tema
6
Leyes
de equilibrio
PROBLEMA
4.1.
75
80
85
90
95
100
105
110
115
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
X,Y
T

20. Tema
6
Leyes
de equilibrio
PROBLEMA
4.1.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
X
Y

21. Tema
6
Leyes
de equilibrio
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
x
1
=0.541
a 760 mm Hg.

22. Tema
6
Leyes
de equilibrio
PROBLEMA
4.2.
5410
92
50
78
50
78
50
.x
B 


78)benceno(P
M
92)tolueno(P
M

23. Tema
6
Leyes
de equilibrio
5410.x
B
CºT60
DATOS:
5410
91385391
9138
00
0
.
..
.P
PP
PP
x
TB
T
B 





 mmHg .P 6275
7690
6275
54105391
0
.
.
).)(.(
P
xP
y
BB
B 
2310769011 ..Yy
BT 
a)
Presión total y fracciones molares en fase vapor

24. Tema
6
Leyes
de equilibrio
b)
Temperatura de burbuja para P=0.715 atm
mmHg .P
.
.
.Plog
Ttolueno
2291
37721980
9431343
953346
00



mmHg .P
.
.
.Plog
Bbenceno
7757
7922080
0331211
905656
00



(CORRECTO) .
..
.))(.(
PP
PP
x
TB
T
B
5410
22917757
22917607150
00
0








25. Tema
6
Leyes
de equilibrio
c)
Programa para calcular Temperatura de burbuja e Y
Suponer
T
Calcular
P
1
0

y
P
2
0
Calcular
y
1

e y
2
P
xP
y
1
0
1
1

y
1

+ y
2


= 1
SI
FIN
NO

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

27. Tema
6
Leyes
de equilibrio
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:
  A B C
Metanol7,87863 1473,110 230,000
Agua 7,96681 1668,210 228,000
T [ºC] x y
100 0,000 0,000
96,4 0,020 0,134
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