DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA CATEDRA DE INTEGRACION III

Transcripción

1 DEPRTMENTO DE INGENIERI QUIMIC Undad 2: Presón de vapor CTEDR DE INTEGRCION III Problema Nº 1: a) Tomando los datos necesaros de una tabla físca, representar una curva que relacone la presón de vapor del ácdo acétco (C 2 H ) en mm de Hg con la temperatura en grados centígrados. Representar la curva para un ntervalo de temperaturas de 20 a 140 C, utlzando las presones de vapor en ordenadas y las temperaturas en abscsas, ambas en escalas unformes. Solucón: Presones de vapor del ácdo acétco. Perry 7ª. Ed. Pág. 2-61, Tabla 2-8. t [ºC] Pv [mmhg] 17, , , , Comparacón con Hysys J.T.P. Dr. Néstor Hugo Rodríguez 1

2 b) El etlenglcol (OHCH 2 -CH 2 OH) tene un punto de ebullcón normal de 197 C. la temperatura de 120 C ejerce una presón de vapor de 39 mm Hg. partr de estos datos construr una línea de Dührng para el etlenglcol, empleando el agua como sustanca de referenca. partr de esta línea calcular la presón de vapor a 160 C y el punto de ebullcón normal a la presón de 100 mm Hg. Solucón: Punto de ebullcón del etlenglcol 197 C Presón 760 mm Hg Punto de ebullcón del agua 100 C Presón de vapor del etlenglcol a 120 C 39 mm Hg Temp. del agua cuya presón de vapor es 39 mm Hg 33,63 C (de Tabla 1) Los pares de valores para construr la línea de Dührng son y J.T.P. Dr. Néstor Hugo Rodríguez 2

3 Para determnar la presón de vapor del etlenglcol a 160 C, entrando por el eje de las abscsas con el valor 160 C, se leerá en el eje de las coordenadas la temperatura del agua a la cual ambos líqudos tenen la msma presón de vapor. Este valor es 68,1 C (154,6 ºF). De Tabla 1, Presón de vapor del agua a 68,1es 214,5 mm Hg. Presón de vapor del etlenglcol a 160 C (tabla) 215 mm Hg Para determnar el punto de ebullcón normal a 100 mm Hg, ahora se debe buscar en la Tabla 1 la temperatura que le corresponde al agua para esa presón de vapor. sí, para 100 mm Hg le corresponde 51,6 ºC ( 124,9 ºF). Entrando al grafco por el eje de las coordenadas, para 51,6 C le corresponde una temperatura de 140,9 C. De tabla de Perry el punto de ebullcón del etlenglcol a 100 mm Hg de presón es 141,8 ºC. J.T.P. Dr. Néstor Hugo Rodríguez 3

4 c) El bromuro de etlo (C 2 H 5 Br) ejerce una presón de vapor de 165 mm Hg a 0 C y tene un punto de ebullcón normal de 38,4 C. calcular su presón de vapor a 60 C. Solucón: Gráfca de Cox: se deben ubcar los puntos 0 C- 165 mm Hg y 38.4 C- 760 mm Hg. Se traza la recta que une a estos dos puntos hasta la nterseccón con la abscsa 60 C. En la ordenada se lee la temperatura de 121,2 ºC que corresponde a una presón de vapor de 1560 mm Hg. J.T.P. Dr. Néstor Hugo Rodríguez 4

5 Lo que da aproxmadamente 1560 mmhg. Dürhng: esa temperatura (121,2 ºC) el agua herve a una presón de 1555 mmhg. J.T.P. Dr. Néstor Hugo Rodríguez 5

6 De la tabla da 1532 mmhg. d) El nonano (C 9 H 20 ) tene un punto de ebullcón normal de 150,6 C. partr de la Fg. 1 calcular su punto de ebullcón a la presón de 100 mm Hg. Solucón: En la gráfca de Cox debe ubcase el punto C-760 mm Hg y trazar una recta paralela al homólogo decano (C10 H22) hasta cortar la ordenada 100 mm Hg. La temperatura que corresponda a esta ordenada es el valor buscado: 90 C J.T.P. Dr. Néstor Hugo Rodríguez 6

7 Problema Nº 2: Utlzando el dagrama de Cox determnar el punto de ebullcón a 2000 mm de Hg de las sguentes sustancas. Utlícense los datos de presón de vapor que se dan a contnuacón para establecer la línea sobre el dagrama de Cox. Solucón: cetato de etlo Formato de etlo zufre Temp., C P, mm Hg Temp., C P, mm Hg Temp., C P, mm Hg 0 24,2 0 72, ,6 760 Resp. 103 C Resp. 85 C Resp. 525 C J.T.P. Dr. Néstor Hugo Rodríguez 7

8 J.T.P. Dr. Néstor Hugo Rodríguez 8

9 J.T.P. Dr. Néstor Hugo Rodríguez 9

10 Problema Nº 3: Utlzando los datos de la Fg. 1 estmar la temperatura necesara para la destlacón del hexadecano (C 16 H 34 ) a una presón de 750 mm Hg en presenca de agua líquda. Calcúlese el peso de vapor desprenddo por lbra de hexadecano destlado. Ejemplo, sea una composcón de hexadecano del 90 % en moles. Solucón: La presón parcal de cada componente es: P x Pv Sendo la presón total: P Nc 1 P NC 1 x Pv [ ] x Pv + ( 1 x) Pv 0, 9 Pv + 0, Pv 750 mmhg Hay que hallar la T que resuelva la ecuacón. 177,1 ºC las presones de vapor dan: 7210 mmhg para el agua y 32 mmhg para el hexadecano y sus presones parcales: 721 y 29 mmhg respectvamente cuya suma da 750 mmhg. J.T.P. Dr. Néstor Hugo Rodríguez 10

11 UNIQUQ Rguroso (coef nt bnara no nulos) Problema Nº 4: Un gas combustble do el sguente análss en volumen Componente % P. ebullcón, C Etano 2,0-88 Propano 40,0-44 Isobutano 7,0-10 n-butano 47,0 0 Pentanos 4,0 +30 (medo) 100,0 % Se pretende lcuar este gas para su venta en clndros. a) Calcúlese la presón de vapor del líqudo a 20 C y la composcón del vapor desprenddo. (Las presones de vapor pueden calcularse de la Fg. 1 y los puntos de ebullcón normal.) Solucón: J.T.P. Dr. Néstor Hugo Rodríguez 11

12 Componente Etano Propano I - Butano Butano Pentano Presón de vapor 3, , , , , T T T T T [ mmhg] 7,6959 7,8409 8,2578 8, ,251 Componente mmhg Fraccón molar x*pv y Etano 30622,8 0,02 612,5 0,1627 Propano 5649,5 0, ,8 0,6005 I-Butano 2117,5 0,07 148,2 0,0394 Butano 1540,6 0,47 724,1 0,1924 Pentano 469,9 0,04 18,8 0,0050 1, ,32 1,0000 b) Calcúlese la presón de vapor del líqudo a 20 C s se extrajese todo el etano. Componente mmhg Fraccón molar x*pv Propano 5649,5 0, ,9 I-Butano 2117,5 0, ,3 Butano 1540,6 0, ,8 Pentano 469,9 0,041 19,2 1, ,17 J.T.P. Dr. Néstor Hugo Rodríguez 12

13 Problema Nº 5: Una dsolucón acuosa de N0 3 Na que contene 10 mol-g de soluto por 1000 gramos de agua, herve a una temperatura de 108,7 C bajo una presón de 760 mm Hg. Supuesto que la presón de vapor relatva de la dsolucón es ndependente de la temperatura, calcúlese la presón de vapor de la dsolucón a 30 C y la elevacón del punto de ebullcón producda a esta presón. Resp. 23,53 mm Hg, 5,16 C. Solucón: P k Ps Ps(108,7 ºC) 1027 mmhg (correlacón tabla de Perry) , Ps(30 ºC) 33,3 ºC (nterpolacón lneal tabla Perry) [ mmhg ] k 1027 [ mmhg] k ( 30 ) k Ps( 30) 0, , 3 [ mmhg] 24, [ mmhg] P 6 La temperatura de vapor del agua pura a esa presón da, por correlacón lneal de la tabla del Perry, 24,8 ºC. La elevacón del punto e ebullcón es: EPE 30 24, 8 5, 2 ºC [ ] J.T.P. Dr. Néstor Hugo Rodríguez 13

14 Problema Nº 6: La sguente tabla da las presones de vapor de hexano puro y heptano puro. Temperatura, C Hexano Heptano a) Supuesta válda la ley de Raoult, utlícense los datos anterores para calcular a cada una de las temperaturas anterores el porcentaje molar x de hexano en el líqudo y el porcentaje molar y del hexano en el vapor, a una presón total de 760 mm Hg. Solucón: P Nc 1 P NC 1 x Pv Para una mezcla bnara: P x Pv + xb PvB x Pv + ( 1 x ) PvB P x Pv + ( 1 x ) PvB x Pv + PvB x PvB P x ( Pv PvB ) + PvB P + PvB x Pv PvB una temperatura de 85 ºC las presones de vapor son 1225 mmhg y 498 mmhg respectvamente por lo que la composcón de hexano es: P + PvB x 0, 3604 Pv T Pv T ( ) ( ) B x B 1 x 1 0, , 6396 Reptendo para todos los puntos: Temp Hexano Heptano Presón total Hexano Heptano ºC Pv [mmhg] x Lqudo Pv [mmhg] x Lqudo [mmhg] y Vapor y Vapor , ,00 0, ,00 1,0000 0, , ,00 0, ,00 0,9834 0, , ,00 0, ,00 0,8777 0, , ,00 0, ,00 0,7348 0, , ,00 0, ,00 0,5809 0, , ,00 0, ,00 0,3892 0, , ,00 0, ,00 0,1955 0, , , ,00 1, ,00 0,0000 1,0000 J.T.P. Dr. Néstor Hugo Rodríguez 14

15 b) Representar los resultados obtendos en la parte (a), empleando las composcones del líqudo y del vapor en abscsas y la temperatura en ordenadas. c) Representar y en ordenadas frente a x en abscsas. J.T.P. Dr. Néstor Hugo Rodríguez 15

16 Problema Nº 7: Una dsolucón de metanol en agua que contene 0,158 de fraccón molar de alcohol herve a 84.1 C (760 mm Hg de presón). El vapor que resulta tene una fraccón molar de metanol de 0,553. Cómo se compara la composcón real del vapor con la composcón calculada de la ley de Raoult? Solucón: La constante de equlbro para cada componente de una mezcla se defne como: y k x J.T.P. Dr. Néstor Hugo Rodríguez 16

17 Sendo x la fraccón molar del componente en la fase lquda mentras que y es la de la fase vapor para el msmo componente. En un equlbro lqudo-vapor deal se puede aplcar la ley de Raoult: k Pv P Para los datos actuales la constante de equlbro es: k x y 0,553 0,158 Metanol Metanol Metanol La presón de vapor del metanol a esa temperatura (84,1ºC) es 1578 mmhg (ntone) por lo que la constante de equlbro aplcando Raoult es: k Pv Metanol Metanol sí pues la constante de equlbro real es superor a la correspondente a un equlbro deal. Vamos a aplcar un modelo de actvdad. Para ellos usaremos Van Laar cuyos coefcentes de nteraccón bnaros son: P 3,5 2,08 Metanol gua Coefcentes Modelo Van Laar 0,8041 0,5619 lnγ lnγ x 21 1 x 12 1 x x x 2 x Para solucones no deales se aplca la ecuacón: k Pv γ P Los coefcentes de actvdad resultan: lnγ lnγ Metanol gua 0,5619 0,8041 0,8041 0, ,5619 0,8041 0,158 0,5619 0,8041 0, ,5619 ( 1 0,158) ( 1 0,158) ( 1 0,158) 2 2 lnγ lnγ Metanol gua 1,6482 1,0255 J.T.P. Dr. Néstor Hugo Rodríguez 17

18 k γ Pv Metanol P 1, ,422 Valor más cercano al real. Veamos los resultados que nos arroja un smulador de procesos. l comparar el resultado con el Hysys usando un modelo de actvdad (Van Laar) se apreca que estma una temperatura de ebullcón de 83,7 ºC y una constante de equlbro de 3,376 para el metanol y una fraccón molar de vapor de 0,5333. En cambo para el metanol puro estma una presón de vapor de 1547 mmhg y una constante de equlbro de 2,035. J.T.P. Dr. Néstor Hugo Rodríguez 18

19 Extraídos los datos de tablas (fuente Manual del Ingenero Químco Perry): J.T.P. Dr. Néstor Hugo Rodríguez 19

20 Símbolos del capítulo: Letras Latnas P T Pv x k Ps EPE k y j Descrpcón Presón Temperatura absoluta Presón de vapor Fraccón molar (fase lquda) Constante de henry Presón de saturacón Elevacón del punto de ebullcón Contante de equlbro Fraccón molar (fase vapor) Coefcentes de nteraccón bnara Subíndces Descrpcón Componente genérco Letras gregas γ Descrpcón Coefcente de actvdad J.T.P. Dr. Néstor Hugo Rodríguez 20