Equilibrio Líquido – Vapor del Metanol a Distintas Temperaturas PDF

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practica computacional de la evaluacion del equilibrio liquido-vapor del metanol...

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Equilibrio Líquido – Vapor del Metanol a Distintas Temperaturas

Objetivo: Obtener la densidad del líquido y del vapor en función de la temperatura para el metanol. El metanol en condiciones normales (25°C y 1 atm) es un líquido incoloro, volátil, tóxico e inflamable, de escasa viscosidad, miscible en agua y con la mayoría de solventes orgánicos. Su fórmula molecular es CH3OH. Sus propiedades físicas principales son: Peso Molecular:

32.04 g/mol

Densidad:

791.8 kg/m3

Punto de fusión:

-97.6°C (176 K)

Punto de ebullición:

64.6°C (337.8 K)

La producción industrial del metanol se basa en la conversión catalítica de gases de síntesis presurizados (Hidrógeno, monóxido y dióxido de carbono) en presencia de catalizadores metálicos. La presente práctica es una simulación computacional que utiliza el programa GROMACS para realizar la dinámica molecular con la cual se busca reproducir los resultados experimentales del equilibrio liquido – vapor del metanol a diferentes temperaturas, usando un ensamble canónico en el cual, el número de partículas (N), el volumen (V) y la temperatura (T) del sistema se mantienen constantes. La simulación se llevo a cabo para 500 moléculas rígidas de metanol y se realizaron 3 corridas a tres distintas temperaturas: 325, 400 y 450 K, respectivamente. Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 1. Cabe mencionar que los valores calculados de la densidad se obtienen promediando los resultados en las respectivas regiones del líquido y el vapor mostradas en las gráficas 1, 2 y 3. Tabla 1. Resumen de los resultados de la simulación. Temperatura (K) N. de Configuraciones Densidad (kg/m3) Componentes de la presión (x105 Pa) Presión de vapor (x105 Pa) Tensión superficial (x10-4 N/m) Densidad Experimental (kg/m3) % Error relativo de L % Error relativo de V

T

325

400

450

L V PXX PYY

80000 744.846 0.772859 -21.2335  6.1 -22.4021  6.1

200000 652.361 8.77307 -4.01488  0.84 -4.74409  1.8

50000 500.563 24.9882 12.3349  4.8 16.6135  4.8

PZZ PZZ 

-2.27403  2.7 2.27403  2.7 195.437

8.78202  0.9 8.78202  0.9 131.615

20.5923  5.3 20.5923  5.3 61.1810

L,exp V,ex p

730.0 0 2.03% 

650.0 7.5 0.363% 16.9%

575.0 30 13.0% 16.7%

Gráfica 1. Perfil de densidad líquido – vapor del metanol a 325 K.

Gráfica. 2. Perfil de densidad liquido – vapor del metanol a 400 K.

Gráfica. 3. Perfil de densidad liquido – vapor del metanol a 450 K.

Cuando se alcanza un equilibrio dinámico entre un líquido y su vapor, la presión que el vapor ejerce sobre el líquido es constante y es llamada presión de vapor. Para ésta práctica, la presión de vapor del metanol está dada por el valor de la componente z de la presión, tal como se indica en la tabla1. La tensión superficial o atracción cohesiva, intermolecular ocasiona que un líquido reduzca al mínimo su área superficial [1]. Para propósitos de la simulación, la tensión superficial ( ) se obtiene empleando la siguiente ecuación:  = 0.5 LZ (PZZ – 0.5(PXX + PYY)) donde LZ = 20.0 nm. Los valores de la tensión superficial así obtenidos se resumen en la tabla 1. Los valores experimentales de la densidad del metanol en fase liquida y en fase vapor se muestran en la tabla 1 (los datos se obtienen de la figura 2, ref. [2]); así como también el error relativo respecto al valor experimental calculado usando fórmula: % Error relativo = |(xexp - xcal)*100/xexp|

Conclusiones Se observa que los resultados obtenidos para la densidad del líquido y del vapor mediante la simulación se encuentran cercanos a los valores experimentales. Sin embargo, no son del todo satisfactorios, pues el error relativo en el caso del vapor es de alrededor del 17%. Lo cual se espera mejore si se consideran tiempos de integración más largos. Así mismo, se observa que la presión de vapor calculada aumenta con la temperatura, como se puede esperar, pues al aumentar la temperatura de un líquido la energía de las moléculas aumenta, permitiéndoles escapar con mayor facilidad de sus vecinas. La tensión superficial depende de la naturaleza del líquido, del medio que le rodea y de la temperatura. En general, la tensión superficial disminuye con la temperatura, ya que las fuerzas de cohesión disminuyen al aumentar la agitación térmica. Y como se observa de los resultados en la tabla 1, esta tendencia se cumple para el metanol. Por otro lado, en las respectivas películas se observó, que el fluido no era homogéneo, pues durante la simulación, a cada una de las temperaturas indicadas, las moléculas no se dispersaban y por ende, no se movían uniformemente por todo el volumen del sistema.

Referencias [1] Brown, T. L.; LeMay, H. E.; Bursten, B. E. Química. La Ciencia Central. Quinta edición, Prentice-Hall Hispanoamericana, México, D.F., 2001, pp 420-421. [2] van Leeuwen, M. E.; Smit, B. J. Phys. Chem. vol 99, pag. 1831 (1995)...