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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXRACTIVAS

LABORATORIO DE TERMODINÁMICA DEL EQUILIBRIO DE FASES

PRACTICA #__4__

“ESTUDIO DEL EQUILIBRIO EN MEZCLAS AZEOTROPICAS”

GRUPO:2IV34

EQUIPO:2

INTEGRANTES:

PROFESOR: CEVEDA MAYA ENRIQUE FECHA: 08 DE NOVIEMBRE DE 2019. CALIFICACIÓN: ___________________ NOTA DEL PROF: ______________________________________________________

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Laboratorio de Termodinámica Del Equilibrio de Fases Departamento de formación básica Academia de integración básica

RESUMEN: Se estudio el comportamiento de dos sistemas inmiscibles en equilibrio no ideal liquido vapor en la mezcla azeotrópica de metanol y cloroformo Se tomaron diferentes cantidades de metanol y cloroformo las cuales se sometieron a calentamiento para poder conocer su comportamiento en el equilibrio liquido-vapor Usando un refractómetro se midió el índice de refracción tanto del liquido como del condensado para posteriormente graficar la curva de calibración asi como llevar a cabo la obtención de los parámetros de las ecuaciones de Margules y Van Laar Se obtuvieron los datos del azeótropo de la mezcla en donde el comportamiento de la grafica mostro que se obedeció a la Ley de Roult con una desviación positiva debido a las interacciones presentes

OBJETIVOS: 1.- Observar el comportamiento de dos sistemas binarios 2.- Construir los diagramas de temperatura y composicion del liquido y del vapor 3.- Determinar si las mezclas obedecen a la Ley de Raoult o presentan desviacion positiva o negativa 4.- Verificar las ecuaciones de Margules y Van Laar para la determinacion de los coeficientes de actividad de los componentes de una mezcla binaria 5.- Ajustar los datos experimentales utilizando dos modelos de solucion y compararlos con los datos experimentales

INTRODUCCIÓN: Azeótropo Un azeótropo (o mezcla azeotrópica) es una mezcla líquida de dos o más componentes que posee un único punto de ebullición constante y fijo, y que al pasar al estado de vapor (gaseoso) se comporta como un compuesto puro, o sea 1

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como si fuese un solo componente. Por tal motivo no es posible separarlos por destilación. Azeótropos positivos y negativos Cada azeótropo tiene una temperatura de ebullición característica, el cual puede ser menor o mayor que las temperaturas de ebullición de cualquiera de sus componentes. Los azeotrópos constituidos por 2 componentes son llamados azeótropos binarios, por tres azeótropos ternarios, etc. Ejemplos conocidos son mezclas de un 95.63 % etanol + agua a presión atmosférica (1 atm, o 101.3 kPa). Etanol y agua hierven a 78.4 °C y 100 °C respectivamente, mientras que el azeótropo lo hace a 78.2 °C. De hecho, 78.2 °C es la mínima temperatura a la que una mezcla de etanol + agua puede hervir, a presión atmosférica.2 Se trata entonces de un azeótropo de temperatura mínima, también conocido como azeótropo positivo debido a cómo el comportamiento de esta mezcla se desvía de la ley de Raoult. Un ejemplo de mezcla azeotrópica negativa es el ácido clorhídrico, a una concentración de 20.2 % de cloruro de hidrógeno en agua. El cloruro de hidrógeno hierve a −84 °C, mientras que el azeótropo lo hace a 110 °C, la cual es mayor, por lo tantose trata de un azeótropo de temperatura máxima o negativo debido nuevamente, a su desviación respecto de la ley de Raoult. Destilación de Mezclas Azeotrópicas Si dos solventes forman un azeótropo positivo, la destilación de una mezcla de estos compuestos con cualquier composición, producirá un destilado con una composición más cercana a la del azeótropo.

METODOLOGÍA Y DESARROLLOEXPERIMENTAL: II. Me t odol ogí aydesar r ol l oexper i ment al En esta práctica se utilizaron como materiales un hervidor, termómetro, parrilla de calentamiento con agitación magnética, soporte universal. Refrigerante, reóstato, pinzas de nuez, pipeta, tubos de ensaye, refractómetro, pinzas de tres dedos, y como líquidos: metanol y cloroformo. Para llevar a cabo la experimentación se calcularon los volúmenes de cada componente con respecto a su composición molar y a la base de cálculo de 30ml, obtenidos estos volúmenes se procedió a hacer la mezcla para obtener la solución. De dicha solución se tomaron 2 ml y se midió el índice de refracción, el resto de volumen se puso en el hervidor y se le suministró calor hasta que comenzara a ebuir, se registró la temperatura cuando 2

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se mantuvo constante, después se tomó una muestra del condensado y se determinó el índice de refracción (vapor). Posteriormente para calcular “y” se graficó la relación entre composición (eje x) y el índice de refracción (eje y), se determinó que el comportamiento se apegaba más a una ecuación cuadrática de segundo orden: anvap2+bnvap+c=y Tabla 1: Datos experimentales x1 Cloroformo 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

x2 Metanol 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

v1 0 5.42 9.95 13.75 17.09 19.95 22.46 24.47 26.6477 28.41 30

v2

n o A liq

T

n o A vap Y

30 24.57 20.04 16.20 12.90 10.04 7.53 5.32 3.35 1.58 0

1.329 1.350 1.370 1.387 1.392 1.4110 1.4289 1.429 1.4382 1.4432 1.4438

56 54 50 48 47 45 48 47 53 54 55

1.3301 1.3720 1.3971 1.405 1.425 1.427 1.4453 1.4450 1.4448 1.4448

0 0.2163 0.4138 0.4879 0.7010 0.7243 0.7462 0.7480 0.8617 0.9268 1

2. 1Mat er i al esyequi po Tabla 2: reactivos Nombre

Fórmula

Metanol CH3O PM= 32 g/mol No. CAS 67-56-1

Función

Propiedades físicas

Precauciones

Reactivo

Líquido incoloro Inhalación: Irrita mucosas  Punto de las y Ebullición (ºC): nasales oculares. Produce 64.5 vértigo,  Punto de Fusión asfixia, tos, dolor de (ºC): -97.8  Solubilidad: cabeza, náuseas, Soluble en agua, vómito, acetona, etanol, transtornos oculares, benceno, 3

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Cloroformo PESO MOLECULAR: 119.39 g /mol. CAS: 67-66-3

FORMULA: CHCl3

Reactivo

cloroformo y éter convulsiones e inconsciencia. Piel:Se absorbe por la piel presentando efectos iguales a la inhalación. Produce resequedad, enrojecimiento y dolor. Ojos: Irritación, dolor, lagrimeo, sensación de quemadura y visión borrosa El cloroformo es un Es no inflamable, líquido incoloro con olor pero productos dulce característico, muy de su oxidación, volátil. como el fosgeno, muy  Punto de fusión: son -63.5 oC peligrosos. Es  Punto de peligroso por ebullición: 61.26 inhalación e oC (760 mm de ingestión. Hg)  Densidad: 1.498 g/ml ( a 15 oC); 1.484 (a 20 oC)

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2. 2Di agr amadebl oques 2. pr

ción

tar el

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ad, to

8. de ra del

2. 3Me t odol ogí a  Instalación del equipo: en este caso no fue necesario armar el equipo ya que ya lo estaba. 5

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 Preparación de muestras: con los volúmenes calculados para cada componente respecto a su composición se realizó el mezclado para obtener la solución (cloroformo-metanol), esto para cada composición diferente de los componentes.  Determinación de la T de la solución: la mayor parte del volumen de la solución obtenida para cada caso se puso en el hervidor, se encendió la parrilla, se conectó la bomba centrifuga y se colocó el termómetro, se esperó a que la solución alcanzara su punto de ebullición y hasta que la temperatura se mantuvo constante se registró este dato en la tabla de datos experimentales.  Determinación de los índices de refracción: se tomaron 2 ml de la mezcla pura y se determinó su índice de refracción con el refractómetro, así mismo se tomó una parte de volumen del condensado que se obtuvo en el paso anterior. Para utilizar el refractómetro en ambos casos, se colocó la muestra en el prisma de refracción o porta-muestra, seguidamente se subió la lámpara y se modificó el color con el ajuste del prisma de Amici hasta un negro y con el corrector de dispersión se llevó hasta la mitad, cuando esto estaba ajustado se bajaba la lámpara y con el interruptor de lectura se procedía a tomar la lectura.

2. 4Di señodeexper i ment os Sustancia Peso molecular (PM) Densidad (ρ) Cloroformo(1) 119.39 g/mol 1.483 g/ ml (a 20 ˚C) Metanol(2) 32 g/mol 0.7918 g/cm3 (a 20˚C) Las sustancias analizadas en esta experimentación se presentan en la siguiente tabla, todas ellas fueron evaluadas a la presión de la bomba centrifuga, el sistema no tuvo contacto con la presión atmosférica. Además de un volumen total de 30 ml para cada solución. Tabla 3: sustancias analizadas

2. 5secuenci adecál c ul os Base de cálculo: 30 ml

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

Para calcular el volumen 1 con respecto a las composiciones diferentes de cloroformo-metanol:

x 1 PM 1 V T ρ1 v 1= x1 PM 1 x 2 PM 2 + ρ1 ρ2 

Para calcular el volumen 2 con respecto a las composiciones diferentes de cloroformo-metanol:

x 2 PM 2 V T ρ2 v 2= x2 PM 2 x 1 PM 1 + ρ1 ρ2 

Para calcular y: Utilizando la ecuación cuadrática: y=a x 2 +bx + c , se encuentran los valores de a, b y c usando la regresión lineal y ajustado los valores para la ecuación cuadrática Finalmente se obtiene: 2 y=a nvap + bn vap + c

TABLA DE RESULTADOS EXPERIMENTALES: x1

x2

V1

V2

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3

0.0 5.42 9.95 13.75 17.09 19.95 22.46 24.67

30 24.57 20.04 16.20 12.90 10.04 7.53 5.32

η o Aliq

T

1.329 1.35 1.37 1.381 1.392 1.411 1.4133 1.428

56 54 50 48 47 45 48 47

η o A vap 1.3301 1.372 1.3971 1.405 1.425 1.427 1.4289 1.429

Y ideal 0.2163 0.4138 0.4879 0.701 0.7273 0.7462 0.748 7

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0.8 0.9 1.0

0.2 0.1 0.0

26.64 28.41 30

3.35 1.58 0

1.437 1.4460 1.4445

53 54 55

1.4382 1.4432 1.4458

0.8617 0.9268 ideal

CÁLCULOSEXPERIMENTALES: Curva de calibración 1.2

1

f(x) = 0.93 x² + 0.07 x + 0.01

X1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

ƞliquido

1. Con los datos obtenidos construimos la Curva de calibración:

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2. Tomando la ecuación de la calibración determinamos la composición del condensado (Y):

Y =45.7678 X 2−118.867 X+ 77.1493

Y =45.7678(1.3301)2 −118.867 (1.3301 )+ 77.1493=0.015139 Y =45.7678(1.372)2 −118.867 (1.372 )+ 77.1493= 0.21635 Y =45.7678(1.3971)2 −118.867 (1.3971 )+ 77.1493=0.413853 Y =45.7678(1.405)2−118.867 (1.405)+ 77.1493 =0.487946

2

Y =45.7678(1.425) −118.867 (1.425)+ 77.1493 =0.701064 Y =45.7678(1.427)2−118.867 (1.427 )+ 77.1493=0.724389 Y =45.7678(1.4289)2−118.867 (1.4289)+ 77.1493 =0.746888 Y =45.7678(1.429)2−118.867 (1.429)+ 77.1493 =0.748081 Y =45.7678(1.4382)2 −118.867 (1.4382 )+ 77.1493=0.861779 Y =45.7678(1.4432)2 −118.867 (1.4432 )+ 77.1493=0.92682 Y =45.7678(1.4458)2−118.867 (1.4458)+ 77.1493 =1.000 3. G r a fi c a m o s

T vs ƞliquido, ƞvapor 332

Temperatura (K)

330 328 326 324 322 320 318 316 314 312 1.32

9 1.34

1.36

1.38

1.4

ƞliquido, ƞvapor

1.42

1.44

1.46

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la composición en la fase vapor (ƞvap ) y la fase liquida temperaturas de burbuja experimentales:

(ƞliq )

4. Graficamos la composición en la fase liquida

(ƞliq ) con las

vs la fase vapor (ƞvap ) :

Composición líquido vs Composición vapor 1.46 1.44

ƞvapor

1.42 1.4 1.38 1.36 1.34 1.32 1.3 1.28 1.26 1.32

1.34

1.36

1.38

1.4

1.42

1.44

1.46

ƞliquido

5. Calcular las presiones de saturación para cada componente, aplicando la ecuación de Antoine a la temperatura seleccionada. ( T experimental ¿ A Cloroformo (1) Metanol (2) sat

log P1 = A 1−

B1 T experimental +C 1

6.95465 8.0724

B

C 226.232 238.87

1170.966 1574.99 T [=] °C P [=] mmHg

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B2

sat

log P2 = A 2−

T experimental +C 2

Para el componente 1:

log P1 sat = A 1−

B1 T experimental +C 1

log P1 sat =6.95465−

1170.966 56 ° C+226.232

P1 sat =639.295 mmHg

log P1 sat =6.95465−

1170.966 54 °C+226.232

sat P1 =597.16 mmHg

log P1 sat =6.95465−

1170.966 50 ° C+226.232

P1 sat =519.497 mmHg

1170.966 48 °C +226.232 sat P1 =483.801mmHg

log P1 sat =6.95465−

1170.966 47 °C +226.232 P1 sat =466.702mmHg

log P1 sat =6.95465−

1170.966 45 °C +226.232 sat P1 =433.948 mmHg

log P1 sat =6.95465−

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1170.966 48 °C +226.232 sat P1 =483.801mmHg

sat log P1 =6.95465−

1170.966 47 °C +226.232 sat P1 =466.702mmHg

log P1 sat =6.95465−

1170.966 53 ° C+226.232 sat P1 =576.934 mmHg

sat log P1 =6.95465−

sat log P1 =6.95465−

1170.966 54 °C+226.232

sat P1 =597.16 mmHg

1170.966 55 ° C+226.232 sat P1 =617.944 mmHg

log P1 sat =6.95465−

Para el componente 2:

log P2 sat = A 2−

B2 T ¿ +C 2

log P2 sat =8.0724−

1574.99 56 °C +238.87

sat

P2 =538.39 mmHg

log P2 sat =8.0724−

1574.99 54 ° C+238.87

sat P2 =495.0185 mmHg

sat log P2 =8.0724−

1574.99 50 °C +238.87 12

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P2 sat =417.0182mmHg

log P2 sat =8.0724−

1574.99 48 ° C+238.87

sat P2 =382.0701 mmHg

sat log P2 =8.0724−

1574.99 47 ° C+238.87

P2 sat =365.5423 mmHg sat log P2 =8.0724−

1574.99 45 ° C+238.87

sat

P2 =334.2880 mmHg sat log P2 =8.0724−

1574.99 48 ° C+238.87

sat

P2 =382.0701 mmHg sat log P2 =8.0724−

1574.99 47 ° C+238.87

sat P2 =365.5423 mmHg

sat log P2 =8.0724−

1574.99 53 °C +238.87

sat

P2 =474.46621mmHg sat log P2 =8.0724−

1574.99 54 ° C+238.87

sat P2 =495.0185 mmHg

log P2 sat =8.0724−

1574.99 55 °C +238.87 13

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P2 sat =516.3228 mmHg

6. Calcular los coeficientes de actividad experimentales para cada componente mediante la ecuación de Raoult Modificada:

Y 1 P = X 1 γ 1 P1

γ 1=

sat

Y1P X 1 P1

sat

;

Y 2 P=X 2 γ 2 P2 ;

γ 2=

sat

Y2P X 2 P2 sat

P=585 mmHg

γ 1=

( 0.2163) 585mmHg =0 (0.0 ) ( 639.245 mmHg )

γ 1=

( 0.2163) 585 mmHg =2.11895 (0.1 )( 597.16 mmHg )

γ 1=

( 0.4138) 585 mmHg =2.32988 (0.2 )( 519.497 mmHg )

γ 1=

( 0.4879) 585 mmHg =1.96652 (0.3 ) ( 483.801 mmHg )

γ 1=

(0.701) 585 mmHg =2.19672 (0.4 ) ( 466.702 mmHg )

γ 1=

( 0.7243) 585 mmHg =1.95284 (0.5 ) ( 433.948 mmHg )

γ 1=

( 0.7462) 585 mmHg =1.50381 (0.6 ) ( 483.801 mmHg )

γ 1=

(0.748) 585 mmHg =1.5038 (0.7 ) ( 483.801 mmHg )

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γ 1=

( 0.8617) 585 mmHg =2.11895 (0.8 ) ( 466.702 mmHg )

γ 1=

( 0.9268) 585 mmHg =2.11895 (0.9 ) (576.934 mmHg )

γ 1=

( 1) 585 mmHg =1.00881 (1.0 )( 597.16 mmHg )

γ 2=

( 1.0 ) 585 mmHg =1.08657 (1.0 ) (538.390 mmHg )

γ 2=

( 0.7837) 585 mmHg =1.02906 (0.9 ) ( 495.019 mmHg )

γ 2=

( 0.5862) 585 mmHg =1.02791 (0.8 ) ( 417.018 mmHg )

γ 2=

( 0.5121) 585 mmHg =1.12013 (0.7 ) ( 382.07 mmHg)

γ 2=

(0.299) 585 mmHg =0.797514 (0.6 ) ( 365.542mmHg )

γ 2=

( 0.2757) 585 mmHg =0.964943 (0.5 ) ( 3...