Transferencia de masa en la interfase

Transcripción

1 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE DURANGO Transferencia de masa en la interfase Dr. Carlos Francisco Cruz Fierro Revisión dic-11

2 6.1 EQUILIBRIO QUÍMICO 2

3 Sistema en Equilibrio Un sistema está en equilibrio si tiene: equilibro mecánico Suma de fuerzas y momentos igual a cero equilibrio térmico Temperatura uniforme, no hay transferencia de calor equilibrio químico La composición no varía, no hay reacción química neta equilibrio de fase No hay transferencia de masa entre una fase y otra 3

4 Criterio de Equilibrio Para un sistema cerrado con temperatura y presión constantes, el sistema evoluciona en la dirección en que disminuya la energía libre de Gibbs dg, 0 TP (proceso espontáneo) donde: G H TS H U PV 4

5 Criterio de Equilibrio Por lo tanto, para un sistema en equilibrio, el cambio en la energía libre de Gibbs debe ser cero dg, TP 0 condición de equilibrio Para un sistema multifase, esto implica que el potencial químico de cada componente tenga el mismo valor en cada una de las fases (I) (II) (III) i i i 5

6 Equilibrio Líquido-Gas Para un sistema con una fase líquida y una fase gaseosa, la condición de equilibrio se expresa como: x f ˆ i i i i i y P (fase líquida) (fase gaseosa) 10-dic-11 i coeficiente de actividad de la sustancia i en la solución LÍQUIDO xi fracción mol de i en el líquido fi fugacidad de la sustancia i pura ˆ i coeficiente de fugacidad de la sustancia i en la mezcla gaseosa GAS yi fracción mol de i en el gas P presión total 6

7 Equilibrio Líquido-Gas Simplificaciones Asumir que la fugacidad del líquido puro es igual a su presión de vapor: f i P vap, i Asumir comportamiento de gas ideal: ˆ i 1 La condición de equilibrio se vuelve: x P y P i i vap, i i (fase líquida) (fase gaseosa) 7

8 Equilibrio Líquido-Gas Coeficiente de Actividad El coeficiente de actividad se relaciona con la energía libre de Gibbs en exceso Existen varios modelos empíricos Margules Van Laar Wilson g RT E i f NRTL UNIQUAC UNIFAC 8

9 Equilibrio Líquido-Gas Simplificación a la Ley de Raoult Para soluciones ideales, el coeficiente de actividad se vuelve 1 y se obtiene la conocida Ley de Raoult: x P y P i vap, i i (fase líquida) (fase gaseosa) Esta ecuación no es adecuada para la mayoría de los casos pero ha sido ampliamente usada, especialmente cuando los componentes son químicamente similares 9

10 Equilibrio de Fase Un Componente Comenzar con un recipiente vacío 10

11 Equilibrio de Fase Un Componente Comenzar con un recipiente vacío Agregar una cierta cantidad de un líquido 11

12 Equilibrio de Fase Un Componente Comenzar con un recipiente vacío Agregar una cierta cantidad de un líquido El líquido se vaporiza 12

13 Equilibrio de Fase Un Componente Comenzar con un recipiente vacío Agregar una cierta cantidad de un líquido El líquido se vaporiza La presión en equilibrio se llama presión de vapor P P vap 13

14 Equilibrio de Fase Un Componente Si el recipiente ya contenía un gas no soluble en el líquido 14

15 Equilibrio de Fase Un Componente Si el recipiente ya contenía un gas no soluble en el líquido Parte del líquido se vaporiza 15

16 Equilibrio de Fase Un Componente Si el recipiente ya contenía un gas no soluble en el líquido Parte del líquido se vaporiza En el equilibrio, la presión parcial de A es igual a su presión de vapor P A P vap 16

17 Solvente Acarreador Situación Real Un líquido (solvente) y un gas (acarreador) Siempre siempre hay algunas moléculas de solvente que se pasan a la fase gas y algunas moléculas de acarreador que se disuelven en el líquido El análisis de este sistema es más complejo 17

18 Solvente Acarreador Situación Ideal El análisis se simplifica al asumir que el solvente no se evapora y que el acarreador no se disuelve. 18

19 Sistema de Tres Componentes Caso 1: Fase gas es una mezcla de soluto en acarreador y la fase líquida no contiene soluto 19

20 Sistema de Tres Componentes Caso 1: Fase gas es una mezcla de soluto en acarreador y la fase líquida no contiene soluto Sistema no está en equilibrio 20

21 Sistema de Tres Componentes Caso 1: Fase gas es una mezcla de soluto en acarreador y la fase líquida no contiene soluto Sistema no está en equilibrio Transferencia de masa del gas al líquido (ABSORCIÓN) 21

22 Sistema de Tres Componentes Caso 1: Fase gas es una mezcla de soluto en acarreador y la fase líquida no contiene soluto Sistema no está en equilibrio Transferencia de masa del gas al líquido (ABSORCIÓN) El proceso continúa hasta alcanzar el equilibrio 22

23 Sistema de Tres Componentes Caso 2: Fase líquida es una solución de soluto en solvente y la fase gas no contiene nada de soluto 23

24 Sistema de Tres Componentes Caso 2: Fase líquida es una solución de soluto en solvente y la fase gas no contiene nada de soluto Sistema no está en equilibrio 24

25 Sistema de Tres Componentes Caso 2: Fase líquida es una solución de soluto en solvente y la fase gas no contiene nada de soluto Sistema no está en equilibrio Transferencia de masa del líquido al gas (DESORCIÓN) 25

26 Sistema de Tres Componentes Caso 2: Fase líquida es una solución de soluto en solvente y la fase gas no contiene nada de soluto Sistema no está en equilibrio Transferencia de masa del líquido al gas (DESORCIÓN) El proceso continúa hasta alcanzar el equilibrio 26

27 COMPARANDO Absorción - Desorción 27

28 COMPARANDO Absorción - Desorción 28

29 COMPARANDO Absorción - Desorción ABSORCIÓN DESORCIÓN NO EQUILIBRIO EQUILIBRIO NO EQUILIBRIO 29

30 Equilibrio con Diferentes Cantidades de Soluto 10-dic-11 Cada caso corresponde a una combinación diferente de concentración en el líquido y presión parcial en el gas que se encuentran en equilibrio 30

31 Línea de Equilibrio 31

32 6.2 SOLUBILIDAD DE GASES EN LÍQUIDOS 32

33 Ley de Henry La Ley de Henry establece que la concentración de un gas disuelto en el líquido es proporcional a la presión parcial de ese componente en la fase gaseosa: P H C P H x dos formas A A A A Las unidades de la constante de Henry dependen de si se usa fracción mol o concentración para el líquido En general los gases son poco solubles pero pueden ser muy solubles si hay reacción química 33

34 Ejemplos de Constantes de Henry COMPONENTE H (atm) H (atm L/mol) He N H O Ar CO