Unidad 5 (Capítulo 10 SVNA):Equilibrios líquido-vapor (ELV)

y líquido-líquido (ELL) Naturaleza del equilibrio de fases. Regla de las fases

y Teorema de Duhem. Comportamiento cualitativo del ELV (tipo I). Diagramas Pxy, Txy y envolventes de fases. Puntos críticos.

Azeotropía. Equilibrio líquido-líquido. Comportamiento de fases de tipo II.

Ley de Raoult - cálculo de puntos de burbuja y rocío. Cálculo de vaporización instantánea.

Ley de Henry. Ley de Raoult modificada.

Introducción

• Compuestos puros: diagramas de fases

150 200 250 300 3501E-3

0.01

0.1

1

10

100

1000

Diagrama de fasesde CO2 puro

Sólido

Líquido

FluidoSupercrítico

GasVapor

P

resi

ón (

bar)

Temperatura (K)

Procesos con cambios de composición(de interés para la Ingeniería Química)

• Composición intermedia mezclado

• Composición fuera de rango disponible

”desmezclar”, separar

Como? Aprovechando el comportamiento de fases de la mezcla/sistema

(Separación de una mezcla en dos o mas productos de distinta composición)

Procesos de Separación

•Filtración

•Decantación

•Cristalización

•Destilación

•Evaporación

…

•Extracción L-L

•Lixiviación

•Absorción

•Stripping

•Cromatografía

…

Agente Externo: Solvente

Ej. De Aplicación: Destilación

Ciencia Tecnología

Comportamientode fases

Procesos deseparación

Qué necesitamos conocer?(Para la toma de decisiones, diseño,

optimización, etc...)

• Condiciones de P, T en que hay miscibilidad completa / separación

• Composición de las fases en equilibrio cuando hay separación

• Límites de estabilidad para un mezcla homogenea de composición conocida

SeparaciónMiscibilidadHomogeneidad

Criticidad

Critical Line (P-T projection)

0

20

40

60

80

100

120

220 270 320 370 420

Temperature [K]

Pre

ssu

re [

Bar

]

Psat2

Psat1

Type IOne stable phase

Possibility of phase split

Equilibrio Líquido-Vapor (ELV)

Vapor

T, P, { y i }

Líquido

T, P, { x i }

Para cada estado o condición (T, P) que corresponda a la región ELV habrá composiciones características de L y V

Diagramas Pxy(a T constante)

ELV binario

Comportamiento de tipo I

Diagramas Txy(a P constante)

ELV binario

Isopletas (envolventes de

fase de z constante)

ELV binario

P

T

Condensación

retrógrada

Diagramay-x

para isobaras

Diagramas Pxy: mayor atracción

Diagramas Pxy: menor atracción

Fuerzas impulsoras

Transf. Calor: ΔT

W p-v: ΔP

Transf. Materia: Δ?-> Potencial químico μi, Fugacidad f i

Regla de las fases(general para sistemas de N componentes)

Π fases en un sistema de N componentes

Grados de libertad = Variables int. – Ecuaciones

F = [2+ Π (N-1)] – [N (Π -1)]

F = 2 + N - Π

(esto explica la representación gráfica del equilibrio de fases para sistemas

binarios, ternarios, etc.)

Teorema de Duhem (para sistemas de composición conocida)

Π fases en un sistema de N componentes, con composición fija (n1, n2... nN)

Grados de libertad = Variables Ext. – EcuacionesF = [2 + Π N ] – [N (Π -1) + N]

F = 2(esto explica porqué la representación de isopletas o envolventes de fases es la misma

para sistemas con cualquier número de comp.)

www.gpec.plapiqui.edu.ar

Ternary mixtures: one more degree of freedom

Preguntas orientadoras para la lectura¿Qué es un punto de saturación de mezcla? ¿Cuántas fases están presentes o pueden

observarse en un punto de saturación?¿Qué información proporciona la presión de rocío de un vapor compuesto por una mezcla

de componentes?¿Qué se necesita conocer para saber a qué temperatura comenzará a evaporarse una mezcla

líquida?Para el ELV de mezclas binarias: ¿Qué tipo de diagramas permiten conocer las

composiciones de ambas fases en equilibrio y cuales no?¿Qué tipos de diagramas permiten conocer las regiones de P y T en las que una mezcla de

composición conocida será estable como una fase homogénea y aquellas regiones en las que se separará en dos fases?

¿Qué entiende por punto crítico de mezcla? ¿Qué similitudes y diferencias encuentra respecto al punto crítico de un compuesto puro?

¿Sobre qué tipos de diagramas puede analizarse el fenómeno de condensación retrógrada? Dibuje un ejemplo en cada caso.

¿Qué relación existe entre la línea crítica líquido-vapor de un sistema binario y las isopletas correspondientes a sus mezclas de distintas composiciones?

Respecto a la utilización de cada una: ¿Cuál es la diferencia fundamental entre la Regla de las Fases de Gibbs y el Teorema de Duhem? ¿Cuáles son las variables consideradas para la deducción en cada caso?