Informe 4. Equilibrio Sólido-líquido Eutéctico

1 Primer Autor: [email protected], Estudiante de Ingeniería - Ingeniería Química, Universidad Nacional de Colombia Segundo Autor: [email protected], Estudiante de Ingeniería, Ingeniería Química, Universidad Nacional de Colombia

LABORATORIO DE PROPIEDADES TERMODINÁMICAS Y DE TRANSPORTE INFORME EQUILIBRIO SÓLIDO-LÍQUIDO Tatiana Acero1, Astrid Ballén1 de Ingeniería Química y ambiental Presentado a: Johana Orjuela

1Departamento



OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL: Determinar el efecto de la temperatura sobre el equilibrio sólido líquido de sistemas multicomponentes. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: ● Determinar el punto eutéctico de una mezcla de Naftaleno(2) y fenol (1) ● Realizar el diagrama de enfriamiento para una mezcla de Naftaleno (2) y fenol(1) ● Comparar el dato obtenido de temperatura eutéctica con el reportado en la bibliografía y el teórico calculado con las ecuaciones derivadas de la primera ley de la termodinámica para el sistema. RESULTADOS Y MUESTRAS DE CÁLCULO DATOS Se toman datos de propiedades de los dos componentes puros de National Institute of Standards and Technology: Componente Naftaleno Fenol Temperatura de 354,15 314,15 fusión (K) Entalpía de fusión 19100 11514 (J/mol) Tabla 1: Propiedades de los componentes puros La siguiente tabla presenta las masas medidas de fenol y de naftaleno para cada tubo así como el valor de la fracción de Naftaleno en cada una de estas muestras.

1

masa naftaleno 0

moles naftaleno 0,00000

masa fenol 7,33153

Fracción

2

1,99586

3

3,99617

0,01557

5,8869

0,19929

0,03118

4,40248

0,39989

4

5,99965

0,04681

2,93835

0,59983

5

7,99048

0,06234

1,46915

0,79971

6

10,0682

0,07855

0

1

Tabla 2. Masas de Naftaleno y fenol

Tubo 1

tiempo (s) 0

Temper atura (°C) 63

190

51

380

Temper atura (°C) 44

10

62

200

51

390

44

20

61

210

51

400

43

30

61

220

50

410

43

40

59

230

50

420

43

50

57

240

50

430

42

60

55

250

50

440

42

70

53

260

49

450

42

80

52

270

49

460

42

90

52

280

48

470

41

100

52

290

48

480

41

110

52

300

48

490

41

120

52

310

47

500

41

130

52

320

47

510

41

140

52

330

47

520

41

150

52

340

46

530

41

160

51

350

46

540

41

170

51

360

45

550

41

180

51

370

45

tiempo (s)

Tempera tura (°C)

tiempo (s)

Tabla 3. Enfriamiento Fenol Puro

0

0% Naftaleno 80

Temperatura (K)

tubo

Las temperaturas registradas en intervalos de 10 segundos para cada tubo hasta el punto de aparición de los primeros cristales, se presentan a continuación, seguidas del gráfico que muestra el comportamiento de la temperatura de la muestra con respecto al tiempo, mejor conocidas como curvas de enfriamiento.

60 40 20 0 0

200 Tiempo (s) 400

Figura 1. Curva de enfriamiento Fenol

1

600

2 Primer Autor: [email protected], Estudiante de Ingeniería - Ingeniería Química, Universidad Nacional de Colombia Segundo Autor: [email protected], Estudiante de Ingeniería, Ingeniería Química, Universidad Nacional de Colombia

Tubo 2 tiempo (s)

0

Temper atura (°C) 85

tiempo (s)

290

Temper atura (°C) 64

580

Temper atura (°C) 51

10

84

300

64

590

51

20

83

310

63

600

50

30

82

320

62

610

50

40

81

330

62

620

50

50

80

340

62

630

49

60

79

350

61

640

49

70

78

360

61

650

49

80

77

370

60

660

48

90

76

380

59

670

48

100

76

390

59

680

48

110

75

400

59

690

47

120

74

410

58

700

46

0

84

140

Temper atura (°C) 72

130

73

420

58

710

46

10

83

150

140

73

430

57

720

46

20

82

150

72

440

57

730

46

30

160

72

450

56

740

45

170

71

460

56

750

44

180

71

470

55

760

44

190

70

480

55

770

44

200

69

490

55

780

210

68

500

55

220

68

510

230

67

240

67

250

19,929% Naftaleno 100

Temperatura (K)

tiemp o (s)

80 60 40 20 0 0

500 1000 Tiempo (s) Figura 2. Curva de enfriamiento 19,929% Naftaleno 

Tubo 3

280

Temper atura (°C) 61

71

290

61

160

70

300

60

81

170

69

310

60

40

81

180

69

320

59

50

80

190

68

330

59

60

79

200

67

340

58

70

78

210

66

350

58

43

80

77

220

66

360

57

790

42

90

76

230

65

370

57

54

800

42

100

75

240

64

380

56

520

54

810

42

110

74

250

63

390

56

530

54

820

41

120

73

260

62

400

55

67

540

53

830

41

130

72

270

61

260

66

550

53

840

41

270

66

560

52

850

40

280

65

570

52

860

39

Tabla 4. Enfriamiento 19,929% Naftaleno

tiempo (s)

Tempera tura (°C)

tiempo (s)

tiempo (s)

Tabla 5. Enfriamiento 39,989% Naftaleno

39,989% Naftaleno

100

Temperatura (k)



80

60 40 20 0 0

200

Tiempo (s)

400

600

Figura 3. Curva de enfriamiento 39,989% Naftaleno

3 Primer Autor: [email protected], Estudiante de Ingeniería - Ingeniería Química, Universidad Nacional de Colombia Segundo Autor: [email protected], Estudiante de Ingeniería, Ingeniería Química, Universidad Nacional de Colombia

Tubo 4 tiemp Temper o (s) atura (°C) 0 105

tiempo (s)

tiempo (s)

110

Temper atura (°C) 88

220

Temper atura (°C) 77

100 80

10

104

120

86

230

76

20

101

130

85

240

75

30

99

140

84

250

74

40

97

150

83

260

73

50

95

160

82

270

72

60

94

170

81

280

71

70

93

180

80

290

70

80

91

190

79

300

70

90

89

200

79

310

69

100

89

210

78

320

68

79,971% Naftaleno Título del eje



60 40 20 0 0

20



tiempo (s)

Temperatura (°C)

0

95

10

95

20

94

30

90

40

88

50

86

60

85

70

83

80

83

90

81

Temperatura (K)

120 100 80 60 40 20 0 200 Tiempo (s)

300

80

Tubo 6

59,983% Naftaleno

100

60

Figura 5. Curva de enfriamiento 79,971% Naftaleno

Tabla 6. Enfriamiento 59,983% Naftaleno

0

40 Título del eje

400

Tabla 8. Enfriamiento Naftaleno Figura 4. Curva de enfriamiento 59,983% Naftaleno Tubo 5 tiempo (s)

100% Naftaleno

Temperatura (°C)

0

93

10

85

20

79

30

79

40

78

50

70

60

68

70

66

100

Temperatura (K)



95 90 85 80 0

20

40 60 Tiempo (s)

80

100

Figura 6. Curva de enfriamiento Naftaleno Tabla 7. Enfriamiento 79,971% Naftaleno También se registró la temperatura de aparición del sólido para cada tubo, lo cual se presenta en la siguiente tabla, seguida por la gráfica que representa el comportamiento de la temperatura con la fracción de Naftaleno presente, esta gráfica se conoce como diagrama de fases.

4 Primer Autor: [email protected], Estudiante de Ingeniería - Ingeniería Química, Universidad Nacional de Colombia Segundo Autor: [email protected], Estudiante de Ingeniería, Ingeniería Química, Universidad Nacional de Colombia

Tubo 1 2 3 4 5 6

Temperatura congelación (°T) 41 39 55 68 78 81

Tabla 9. Temperatura congelamiento experimental

tubo

Fracción

temperatura de congelación (K)

1

0

-

2

0,19929

283,62

3

0,39989

310,30

4

0,59983

328,28

5

0,79971

342,35

6

1

354,15

Tabla 10. Temperaturas de congelación naftaleno

Diagrama de fases

Temperatura (k)

100 80

tubo

fracción

temperatura de congelación (K)

1

1,00000

314,15

2

0,80071

299,07

60

3

0,60011

281,53

40

4

0,40017

260,11

5

0,20029

6

0,00000

20

230,18 -

0 0

0,2

0,4 0,6 Fraccion de Naftaleno

0,8

1

Figura 7. Diagrama de fases Fenol-Naftaleno

Tabla 11. Temperaturas de congelación fenol De estas ecuaciones también se puede encontrar el valor de la temperatura eutéctica para cada composición.

MUESTRA DE CÁLCULO  Cálculo de la temperatura eutéctica teórica Haciendo uso de las ecuaciones (32) y (33) mencionadas en el fundamento teórico: 𝑓𝑢𝑠

−⍙𝐻2 𝑙𝑛𝑥2 = 𝑅 𝑙𝑛𝑥1 =

𝑓𝑢𝑠 −⍙𝐻1

𝑅

1 1 ( − ) (32) 𝑇 𝑇𝑓𝑢𝑠2 1 1 ( − ) (33) 𝑇 𝑇𝑓𝑢𝑠1

= 354,15𝐾 ∗

19100 19100

fraccion

T eutéctica (K)

1

0,00000

314,15

2

0,19929

283,63

3

0,39989

310,31

4

0,59983

328,28

5

0,79971

342,35

6

1,00000

354,15

Tabla 12. Temperaturas eutécticas de las muestras

De estas ecuaciones se despeja la temperatura de congelación y se calcula para cada fracción de Naftaleno en los tubos 𝛥𝐻𝑓𝑢𝑠2 𝑇𝐶 = 𝑇𝑓𝑢𝑠2 ∗ 𝛥𝐻𝑓𝑢𝑠2 − 𝑇𝑓𝑢𝑠2 𝑅𝑙𝑛𝑋2 283,62

tubo

𝐽 𝑚𝑜𝑙

𝐽 𝐽 − 354,15𝐾 ∗ 8,314 ln(0,19929) 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙 ∗ 𝐾

Con lo que se obtiene la siguiente una tabla de valores para el Naftaleno y una para el fenol

De (32) y (33) despejando 1/T, se tiene 1 𝑅 ln 𝑋1 1 𝑅 ln 𝑋2 − = − 𝑇𝑓𝑢𝑠1 𝛥𝐻𝑓𝑢𝑠1 𝑇𝑓𝑢𝑠2 𝛥𝐻𝑓𝑢𝑠2 Y 𝑋2 = 1 − 𝑋1 𝐽

8,314 ln 𝑋1 1 𝑚𝑜𝑙 ∗ 𝐾 − 𝐽 314,15𝐾 11514 𝐽

𝑚𝑜𝑙

8,314 ln(1 − 𝑋1 ) 1 𝑚𝑜𝑙 ∗ 𝐾 = − 𝐽 354,15𝐾 19100 𝑚𝑜𝑙

5 Primer Autor: [email protected], Estudiante de Ingeniería - Ingeniería Química, Universidad Nacional de Colombia Segundo Autor: [email protected], Estudiante de Ingeniería, Ingeniería Química, Universidad Nacional de Colombia

Con esto obtenemos el valor de la composición en el punto eutéctico SUGERENCIAS X2=0,41 X1=0,586 . De manera que la temperatura eutéctica teórica es

Se recomienda seguir tomando datos de temperatura hasta la cristalización completa de la muestra, ya que al solamente tomar datos hasta el punto de congelación no se puede determinar la temperatura eutéctica experimental de las mismas.

Te=310K COSTOS ANALISIS DE RESULTADOS La toma de datos, permitió realizar la curva de enfriamiento en cada caso, en donde se observa que la relación en términos de enfriamiento y tiempo va disminuyendo de manera proporcional en la mayoría de los casos, para el caso del naftaleno la curva de enfriamiento no presenta el mismo comportamiento con el tiempo variando así la tendencia antes mostrada. También se puede observar que a media que aumenta el porcentaje de naftaleno en la muestra, la curva de enfriamiento disminuye su pendiente, lo cual es lógico ya que el naftaleno como compuesto puro, tiene un punto de fusión mayor al fenol. Al momento de la toma de datos se observó que la temperatura de congelación de la mezcla con naftaleno al 79,9% resultó ser un poco menor a la temperatura del naftaleno puro, lo cual no tiene sentido, ya que el porcentaje de fenol presente no debería permitir este comportamiento. Esto puede deberse al sistema de enfriamiento usado, ya que este se usaba para diferentes tubos y obtenía calor de estos por lo cual no mostraba una gran eficiencia. Además es importante anotar que la aparición del primer cristal es difícil de observar lo cual puede generar errores en la toma de este dato. Con los datos obtenidos durante la experimentación fue posible aplicar las ecuaciones derivadas de la primera ley, en donde se obtienen la temperatura eutéctica para cada caso. En general se espera que esta temperatura aumente a medida del aumento en fracción de naftaleno, sin embargo, se puede ver discrepancias en esto (ver tabla 12), ya que para el tubo 2 y 3 se obtuvieron temperaturas menores a las del fenol puro. Al momento de realizar la comparación, fue difícil encontrar una fuente confiable en donde se reportaran estas temperaturas por lo cual este análisis no se realiza.

CONCLUSIONES El diagrama construido a partir de los datos tomados en el laboratorio no muestra claramente el punto eutéctico debido a diferentes factores, por lo que no se puede decir que se halla determinado el punto eutéctico experimental del sistema binario.

Fenol Naftaleno Horas Ingeniero (4 horas) TOTAL

Costo 3000 $/kg 4500 $/kg 60 000 $/hora ingeniero $ 487500

BIBLIOGRAFÍA [1] National Institute of Standards and Technology, «Naphthalene,» [En línea]. Available: http://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C91203&Mask=4. [Último acceso: 24 Septiembre 2015]. [2] National Institute of Standards and Technology, «Phenol,» [En línea]. Available: http://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C108952&Mask=4#ref -24. [Último acceso: 24 Septiembre 2015].