Líneas de Dühring

1. OBJETIVOS

1. Graficar la temperatura de ebullición de la solución de hidróxido de sodio-agua a diferentes concentraciones, contra la temperatura de ebullición del agua.

2. Graficar la temperatura de ebullición del agua a diferentes presiones.

3. Comparar la primera gráfica con las que se encuentran el la literatura y obtener un valor sobre la eficiencia del sistema.

2.- TEORÍA

En algunos procesos de producción es necesario aplicar una etapa de evaporación con la finalidad de concentrar el soluto para una posterior cristalización, o simplemente para recuperar un solvente costoso. Cuando un soluto no volátil es disuelto en un determinado solvente, la temperatura de ebullición de la solución resultante es siempre mayor que la temperatura de ebullición del solvente puro; dicho incremento puede obtenerse a partir de la condición de equilibrio entre la disolución y su vapor, admitiendo que sólo el disolvente es volátil. Una explicación de este fenómeno puede darse a partir de la Ley de Raoult, la cual establece que en soluciones ideales; la presión de vapor de un componente en una solución, está dada por el producto de su fracción molar por su temperatura de vapor, a la temperatura de la solución. Para una solución acuosa binaria se expresa como:

Ptotal = x1 Pº1 + x2 Pº2 (8.1) Donde: x1 y x2 son las fracción del soluto y del H2O, respectivamente. Pº1 y Pº2 son sus presiones de vapor a la temperatura de ebullición. En el caso de que el soluto no sea volátil, la relación anterior se simplifica:

Ptotal = x2 Pº2 (8.2) En este caso, la fracción de la reducción de la presión de vapor sobre la solución por el efecto del soluto se puede expresar como:

(Pºagua — Ptotal) / Pºagua = 1 — xagua = xsoluto (8.3) De aquí se obtienen, para el caso de soluciones que obedecen la ley de

Raoult, las líneas de presión de vapor-temperatura para diferentes

expresión, el incremento del punto de ebullición de la solución debido al efecto del soluto con la concentración de dicho soluto:

T solución — T ºagua = k xsoluto (8.4)

donde k es una constante de proporcionalidad. Si se despeja de aquí la T solución y

se maneja xsoluto como una constante y T ºagua como variable, se obtiene la ecuación

de una línea recta.

De manera simplificada se puede decir que la solución entrará en ebullición cuando la presión parcial del solvente sea igual a la presión del sistema. Para que esto ocurra es necesaria que la solución sea llevada a una temperatura superior a la temperatura de ebullición del solvente puro.

Los casos de elevación del punto de ebullición son particularmente importantes en el estudio de sistemas de evaporadores, donde normalmente el solvente es agua. La velocidad de transmisión de calor de un evaporador depende, entre otros factores: de la diferencia entre la temperatura de condensación del vapor de calefacción y la temperatura de ebullición de la disolución a concentrar.

En las evaporaciones se trabaja con soluciones concentradas en la mayoría de los casos, en las que los valores de: calor específico, calor latente de vaporización y punto de ebullición, no son iguales que los del líquido puro a las temperaturas consideradas. Además pueden existir otros fenómenos térmicos (por ejemplo el calor de cristalización) que hay que tomar en cuenta. No existe método conocido para calcular la elevación del punto de ebullición en las soluciones concentradas. Sin embargo, puede utilizarse una ley empírica conocida como

Regla de Dühring. Según esta regla, si se construye una gráfica del punto de

ebullición de la solución en función del agua pura a la misma presión, se obtiene una línea recta para cada concentración de la solución y para todas las presiones. Siendo todas ellas rectas, dentro de límites de precisión de los datos que se poseen, no teniendo por que ser paralelas.

La ventaja del gráfico de Dühring es que, como las líneas que se construyen son rectas, no es necesario conocer más que los puntos de ebullición de la solución dada a dos presiones diferentes, con lo que se puede trazar la recta que pasa por ellos, dando los puntos de ebullición de la solución a cualquier presión.

En general, las líneas de Dühring tienen una inclinación mayor hacía las soluciones más concentradas, por lo que en éstas, la elevación del punto de ebullición aumenta más rápidamente con el aumento de presión que en las soluciones diluidas.

3. APARATO

El aparato consta de tres partes fundamentales:

1.- Un matraz de tres bocas: que se encuentra sobre una parrilla eléctrica de calentamiento por convección, en una de las boquillas laterales se coloca un termómetro para la temperatura de la solución del sistema, en la otra boquilla

lateral se coloca un vacúometro para medir la presión interior, en la boquilla central se insertan un termómetro para tomar la temperatura del vapor y un refrigerante a contracorriente.

2.- Matraz de mercurio: en el cual se introduce un tubo de vidrio y la le adjunta una escala para medir la presión manométrica de vacío a la que esta el sistema, en mm de Hg, la cual se regula mediante una válvula en la descarga del mismo.

3.- Bomba de vacío: la cual es la que realiza la generación de vacío en el interior del sistema y se protege mediante un matraz Kitazato como trampa de agua que dañaría las partes internas si entra por el cabezal de la bomba y se mezcla con el aceite de transmisión.

DIAGRAMA del APARATO

Fig. 8-1 Dibujo esquemático del equipo empleado para determinar las líneas de Dühring.

4. OPERACIÓN y PROCEDIMIENTO

Disponga del material necesario para la práctica. Verifique el estado inicial del equipo, que no presenta fugas ni otro tipo de fallas, como manchas en las zonas de lectura, que dificulte la visión durante la práctica.

1.- Prepare cuidadosamente las soluciones de NaOH, u otro solvente, a las concentraciones en peso del: 5%, 10%, 15%..., hasta un máximo de acuerdo al soluto. Agite perfectamente hasta obtener una solución homogénea.

2.- Tome la lectura de la presión atmosférica en el lugar de trabajo. Establezca las presiones de vacío a utilizar, y con ellas, calcule la presión absoluta:

Pabs = Patm - Pvacío (8.5) Posteriormente, obtenga de tablas de vapor, las temperaturas de ebullición del agua a las presiones calculadas.

3.- Active el sistema de vacío y coloque agua destilada en el matraz de tres bocas. Inicie el calentamiento, cuando se estabilice la ebullición a cada presión de vacío prefijada, anote la temperatura del líquido y la del vapor.

Repita éste paso para cada una de las presiones de vacío hasta la presión atmosférica.

4.- De la misma manera que el paso anterior, determine las temperaturas del vapor y de la solución durante la ebullición para soluciones de diferentes concentraciones de soluto, limpiando con agua destilada el equipo entre cada corrida.

5.- Una vez realizadas las mediciones para todas las soluciones elaboradas, limpie el equipo, y disponga de las soluciones residuales bajo indicaciones del personal del laboratorio.

5. TABLA DE CONCENTRACIÓN DE DATOS

SISTEMA: _____________________ P

= ________

6. TRABAJO POSTERIOR. Graficar

1.- Temperatura de ebullición de cada solución contra la temperatura de ebullición del vapor, (solvente).

2.- Presión vapor contra la temperatura de ebullición de las soluciones.

PRÁCTICA 9: EVAPORACIÓN.

1. OBJETIVOS

 Determinación de los coeficientes de transmisión de calor en un evaporador de película descendente, identificando la influencia de los siguientes factores: la variación de la presión vapor al intercambiador de calor, gasto de alimentación, concentración del alimento y presión interna en el aparato sobre los varios coeficientes de transmisión de calor del evaporador.

 Hacer el balance global del componente menos volátil y el balance de energía del sistema.

2. TEORÍA

El proceso de evaporación consiste en la eliminación de un líquido de una solución, suspensión o emulsión por tratamientos térmicos; en recipientes calentados con vapor de agua u otro mecanismo de energía, a través de una superficie y con el propósito de concentrar dicha solución. En la mayoría de los casos, el producto evaporado es agua.

La causa de la evaporación se encuentra en la teoría cinética molecular de la

materia. Las moléculas que integran un líquido tienden a escapar de él por efecto de su energía cinética, que lo consiguen sólo aquellas que disponen de la energía suficiente para vencer la atracción de las otras moléculas de líquido. Al perder estas moléculas, la sustancia pierde energía, es decir, se enfría, de modo que para mantener su temperatura y proseguir la evaporación es preciso aportar calor.

Los evaporadores operan totalmente a expensas de una transmisión calorífica, y, en gran parte, los distintos aparatos se han desarrollado como un arte, ya que debido al gran número de factores que intervienen, es muy difícil predecir el comportamiento de la transmisión calorífica; se pueden producir, reacciones de precitación, de aglomeración o de polimerización, y un tratamiento inadecuado puede producir un deterioro parcial o total de distintos componentes químicos involucrados en el líquido y de esta forma modificar indeclinablemente las propiedades del mismo. Algunas propiedades que afectan son:

1. Concentración en el líquido. Por lo general, la solución a evaporar es diluida, por lo que su viscosidad es baja, similar a la del agua, y se opera con coeficientes de transferencia de calor altos. Al avanzar la evaporación, la solución se concentra y su viscosidad puede aumentar notablemente, causando marcada