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N°1 * agosto * 2015

Operaciones Unitarias II

Diagramas de fase

Destilación

Recuerda cada operación unitaria tiene como objetivo el modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia en forma más útil a nuestros fines.


Editorial La creación de la revista científica Operaciones Unitarias II, es un medio de comunicación que busca fortalecer y fomentar la cultura investigativa, es propicia para la difusión y consolidación de procesos de investigación en las diversas redes del conocimiento. Por otro lado, se hablará un poco acerca de los diagramas de fase ya que son la representación gráfica de las fronteras entre diferentes estados de la materia de un sistema así como la destilación que se encarga de separar las distintas sustancias que componen una mezcla líquida mediante vaporización y condensación selectivas.

Bienvenido al primer número de la REVISTA CIENTÍFICA OPERACIONES UNITARIAS II


Índice 1. ¿ Qué es un sistema?........................................4 Tipos de sistemas……………………………………………4 2. ¿ Qué es un diagrama de fases?...........................5 Origen……………………………………………………………..6 Características…………………………………………………6 Importancia……………………………………………………..7 Utilidad…………………………………………………………….7 3. Tipos de diagramas de fases ………………………………………8 Diagrama de fase binario…………………………………8 Diagrama de fase eutéctica………………………………8 4. Diagramas de equilibrio………………………………………………9 Regla de Gibbs………………………………………………….9 Regla de la Palanca…………………………………………10 5. Diagrama Fe-C…………………………………………………………..11 6. ¿ Qué es una fase?...........................................12 7. Métodos de separación de fases……………………………….13 8. ¿ Qué es la dilatación?......................................15 9. Tipos de destilación………………………………………………….16 10. Columnas de destilación…………………………………………17 Tipo Batch………………………………………………………17 Tipo continua ………………………………………………..17 11. Noticias……………………………………………………………………18 Hasta 90% de ahorro de costes para ácido extrapuros……………………………………………………...18


1,¿Qué es un sistema? orción de p a n u s e o ic Un sistema quím cíficos e sp e s e it m li n l co cuerpo materia y/o análisis s io d tu s e e d y que es objeto específicos. s e n fi s o n u lg a con Los limites de un sist ema son muy importantes para de terminar si hay paso de mater ia o energía desde el sistema hacia afuera (entorno o alrededo res) o desde los alrededores hacia el sistema. tipos de sistemas a Sistema Cerrado: L del dentro masa Un sistema aislado: permanece sistema Es aquel qu e la no pu o ed er e intercambiar ni constante, p en er gía ni materia (masa) r con energía puede entra su en to rn o. es te así como lo o salir del sistema.  dice su nombre es aisl ado, por ejemplo: La Por lo que no interactúa con el medio ambiente y no ebullición de agua en cambia de su energía . un recipiente cerrado. : Es aquel to r ie b A a m e t Sis masa y la l a u c l e en trar o n e n e d e u p energía d el nte e m re b li r sali plo: La m je e r o P . a sistem g u a e n un a e d n ió ic ll u eb rto. recipiente abie

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2,¿ Qué es un diagrama de fases? ntación Es una represe estados s te n re e if d entre en función , a ri e t a m la de as para id g le e s le b a ri de va de l io d tu s e l e facilitar e n una d e o d n a u C . o m mis taciones n e s re p re estas fases s la s a d to stados de e a n e d n o sp corre tes se n e r e if d n ió c agrega diagrama r a in m o n e d le sue stado. de cambio de e

Los diagramas de equilibrio pueden tener diferentes Concentraciones de materiales que forma una a leación a distintas temperatur as. Dichas temperaturas van desde la temperatura por enc ima de la cual un material es tá en fase líquida hasta la te mperatura ambiente y en que generalmente los materiales están en estado sólid o.

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O R I G E N

Los diagramas de fase están muy relacionados a la ciencia de los materiales la cual surgió después de la segunda Guerra Mundial, como respuesta a la necesidad de producir materiales con propiedades especializadas. Los primeros intentos de modificar científicamente las propiedades de la materia se remontan a principios del siglo pasado, cuando los conocimientos de cristalografía, estado sólido y física atómica convirtieron el arte de la metalurgia en ciencia. De allí parte la creación de nuevas aleaciones, como el acero, que es el resultado de la aleación de hierro y carbono en diferentes proporciones.

Características Relacionan temperaturas, composiciones químicas y las cantidades de las fases en equilibrio. Pueden tener diferentes concentraciones de materiales que forman una aleación a distintas temperaturas. Los diagramas de equilibrio más sencillos son los de presión-temperatura de una sustancia pura, como puede ser el del agua. 6


Importancia El diagrama de fase es de gran importancia ya que permite conocer los diferentes tipos de estados de un material, los cuales son sistemas que van en función de todas las fases de cambios que representan determinadas condiciones de presión, temperatura y composición.

U T I L I D D

Podemos obtener información a partir de los diagramas de fase como lo es: Conocer que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (Equilibrio). Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de un elemento (Compuesto) en otro. Determinar la temperatura en la cual una aleación enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificación. Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases. 7


3,Tipos de diagramas de fases Diagram

ri o : a n i b e s a de fa

varias n e c e apar o d e los n d a u n ó C i c senta e r más p e r r e s a l ia s, e de sustanc de fase pu articular, el p s los a cambio . Un caso e d ja s po n comple cillo, corre inarios, las b en son la más s s de fase a t n e a cu diagram a tener en ncentración, es co variabl ura y la . rat tempe ente en masa lm n or m a

Diagrama de fase eutéctica: La composición eutéctica presenta el punto de solidificación más bajo de todo el sistema y por lo tanto la temperatura eutéctica es la temperatura más baja a la cual puede existir alguna porción de fase liquida. Si prosigue el enfriamiento a partir de este punto, todo el liquido que quede (que tendrá composición eutéctica) solidifica formando simultáneamente las dos posibles fases solidas, α y β. Se da la circunstancia de que para una determinada composición existe una estabilidad asombrosa en estado líquido y por tanto se "retarda" el proceso de solidificación.

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4,Diagramas de equilibrio Regla de Gibbs Esta regla nos define los grados de libertad que posee el sistema dependiendo del tipo de variables que consideremos. Establece la siguiente relación: F=C-P+2 donde F = número de grados de libertad C = número de componentes P = número de fases presentes 2 = es el número de variables de estado del sistema (temperatura y presión). En los casos experimentales que nosotros trataremos, el efecto de la variación de la presión es despreciable, así establecemos que: P = 1 atm = constante durante todo el experimento. Así pues, la regla de las fases queda establecida para nuestros propósitos empíricos como: F=C-P+1

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lanca a p la e d la g e R determinar el ra pa a nt ie am rr he a Es un diagrama un en se fa da ca de porcentaje en peso determinar el ra pa a us e S . rio na de fases bi y sólida de da ui líq s se fa s la de so porcentaje en pe ón-temperatura entre ci si po m co rio na bi a un sistem a sola fase, la un de es on gi re n E o. líquido y sólid En regiones . 0% 10 es e pl m si se cantidad de la fa deberá calcular la se o, rg ba em n si Bifásicas, es hacer un a ic cn té na U . se fa da cantidad de ca balance de materiales.

ar la regla z li ti u e d e u p e S r región ie u lq a u c n e a de la palanc ma de fases ra g ia d n u e d bifásica de iones g re n E binario. l cálculo de la e a s u e s o n e una fas sto que la e u p a c n la a p regla de la iste un x (e ia v b o s respuesta e sente). re p e s fa a h ic d 100% de

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5, Diagrama Fe-C ilibrio o de u q e e d a m ra En el diag resentan p re e s ) -C e F arbono ( eros al c  a fases hierro-c s lo n e fr u s iones que iendo que las transformac it m d a , a r u t ra tempe carbono con la to) de la n ie m ia fr n e nto (o el calentamie te de modo n e m ta n le y u za m procesos mezcla se reali los e mp o ti n e que n e ti ) n ió c mogeneiza se obtiene de difusión (ho a m a r g ia d o h e. Dic puntos s lo para completars o d n a c fi ti n ente ide experimentalm se producen e u q s la a s ra eratu r métodos críticos —temp o p — s e n io c a nsform las sucesivas tra diversos.

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6, ¿Qué es una fase? Se denomina fase a cada una de las zonas macroscópicas del espacio de una composición química, y sus propiedades físicas homogéneas, que forman un sistema. Los sistemas monofásicos se denominan homogéneos, y los que están formados por varias fases se denominan mezclas o sistemas heterogéneos.

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7,

Métodos de separación de fases

La separación en fases es señal clara de la falta de miscibilidad del sistema. Estas fases se pueden separar por medio de diferentes operaciones unitarias como: • La tamización o tamizar: Es un método físico para separar mezclas en el cual se separan dos sólidos formados por partículas de tamaño diferente. Consiste en hacer pasar una mezcla de partículas de diferentes tamaños por un tamiz o cualquier cosa con la que se pueda colar. Las partículas de menor tamaño pasan por los poros del tamiz o colador atravesándolo y las grandes quedan atrapadas por el mismo. • La levigación: Es un proceso físico, que consiste en separar las partículas dependiendo de su masa y como consecuencia por su granulometría. El término deriva de levigar. Es el principio que se usa en varias preparaciones de la materia prima, como obtener la terra sigillata o bien preparar las arcillas, siendo este uno de los primeros procesos a realizar.

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• En la decantación: Se separa un sólido o líquido más denso de otro fluido (líquido o gas) menos denso y que por lo tanto ocupa la parte superior de la mezcla. • La filtración: Es el proceso unitario de separación de sólidos en suspensión en un líquido mediante un medio poroso, que retiene los sólidos y permite el pasaje del líquido. • La evaporación es un proceso físico que consiste en el paso lento y gradual de un estado líquido hacia un estado gaseoso, tras haber adquirido suficiente energía para vencer la tensión superficial • La destilación: Es la operación de separar las distintas sustancias que componen una mezcla líquida mediante vaporización y condensación selectivas. 14


8, ¿Qué es la destilación? Es el proceso que consiste en calentar un líquido hasta que sus componentes más volátiles pasan a la fase de vapor y, a continuación, enfriar el vapor para recuperar dichos componentes en forma líquida por medio de la condensación. El objetivo principal de la destilación es separar una mezcla de varios componentes aprovechando sus distintas volatilidades, o bien separar los materiales volátiles de los no volátiles. En la evaporación y en el secado, normalmente el objetivo es obtener el componente menos volátil; el componente más volátil, casi siempre agua, se desecha. Sin embargo, la finalidad principal de la destilación es obtener el componente más volátil en forma pura. Por ejemplo, la eliminación del agua de la glicerina evaporando el agua, se llama evaporación, pero la eliminación del agua del alcohol evaporando el alcohol se llama destilación, aunque se usan mecanismos similares en ambos casos.

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9,Tipos de destilación La destilación simple o sencilla es una operación donde los vapores producidos son inmediatamente canalizados hacia un condensador, el cual los enfría (condensación) de modo que el destilado no resulta puro. La destilación fraccionada de alcohol etílico es una variante de la destilación simple que se emplea principalmente cuando es necesario separar líquidos con puntos de ebullición cercanos. La destilación al vacío consiste en generar un vacío parcial por dentro del sistema de destilación para destilar sustancias por debajo de su punto de ebullición normal.

En la destilación por arrastre de vapor de agua se lleva a cabo la vaporización selectiva del componente volátil de una mezcla formada por éste y otros "no volátiles" 16


10, Columna de destilación Existen 2 tipos de columnas de destilación la tipo Batch y la continua. Tipo Batch

Tipo continua

Su alimentación es introducida por lotes, la columna se carga con un lote y es entonces cuando se lleva a cabo el proceso de destilación .Cuando el objetivo es alcanzado se introduce el siguiente lote de alimentación.

Son diferentes ya que la alimentación de estas no es por lotes sino que es constante. Este tipo de columnas se alimentan constantemente de la mezcla, eso quiere decir que tambien tiene una salida de productos sin interrupciones

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11, Noticias o r r o h a de % 0 9 dos i c Hasta á a r pa s e t s o de c os r u p a r t ex Este aparato de propiedades únicas para el subboiling sirve para la elaboración de ácidos extrapuros para el análisis de trazas. El ácido está disponible siempre en estado fresco, por lo cual se puede garantizar su pureza requerida. Los ácidos contaminados pueden ser purificados nuevamente. El calentamiento sin contacto físico del ácido tratado con una lámpara infrarroja genera un equilibrio entre la radiación IR absorbida y el calor de evaporización del líquido. Este estado de equilibrio se alcanza con una temperatura aprox. 10°C inferior al punto de ebullición del ácido correspondiente. Con este procedimiento se evapora el ácido lentamente y se destila cuidadosamente. Mediante la purificación de ácidos más económicos con una pureza inferior se puede ahorrar hasta un 90 % de los costes para ácidos extrapuros. El sistema se amortiza por lo tanto generalmente dentro del primer año de uso. 18


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