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UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO INSTITUTO DE QUÍMICA Departamento Físico Química Termodinâmica Experimental para Engenharia Química Prof. Pedro Alijó Equilíbrio Líquido-Vapor Grupo 1: Gustavo Anciens Thaiane Nolasco Thainá Tussini Viviane Borges Realização do experimento: 08/09/2015 e 22/09/2015 Rio de Janeiro 2015 Sumário INTRODUÇÃO --------------------------------------------------------------------------3 OBJETIVO ------------------------------------------------------------------------------- 4 METODOLOGIA ----------------------------------------------------------------------- 4 MODELAGEM -------------------------------------------------------------------------- 6 RESULTADOS E DISCUSSÃO ---------------------------------------------------10 CONCLUSÃO --------------------------------------------------------------------------16 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ---------------------------------------------16 APÊNDICE I – ROTINA DE CÁLCULOS ---------------------------------------16 Introdução teórica O equilíbrio líquido-vapor é caracterizado quando a taxa das moléculas que atravessam a interface em um sentido (do líquido para o vapor) e no outro (do vapor para o líquido) se igualam, não ocorrendo variações das propriedades macroscópicas de um determinado sistema em função do tempo decorrido. Então, é possível dizer que todos os potenciais que podem afetar a condição de equilíbrio do sistema são igualados. As equações de equilíbrio líquido-vapor para um sistema fechado à temperatura e pressão constantes são dadas pela igualdade dos potenciais químicos para todos os componentes em ambas as fases: (1.1.) O modelo mais simples para prever comportamento de sistemas em equilíbrio líquido-vapor é a lei de Raoult. As principais hipóteses para a redução dos cálculos do equilíbrio líquido-vapor para a Lei de Raoult dizem que a fase vapor é um gás ideal (pressões baixas e moderadas) e a fase líquida é uma solução ideal (componentes quimicamente semelhantes). O diagrama representativo do equilíbrio líquido-vapor geralmente é apresentado como se segue. Figura 1: Diagrama geral do equilíbrio líquido-vapor No diagrama acima a fase vapor encontra-se acima da curva dos pontos de orvalho e a fase líquida abaixo da curva dos pontos de bolha. O ponto de orvalho é determinado quando a primeira gota de líquido se faz presente no sistema. Já o ponto de bolha é determinado quando a primeira bolha de vapor se faz presente. A coexistência líquido-vapor está presente entre as curvas do ponto de orvalho e de bolha. Para uma determinada composição do componente i na fase líquida tem-se uma composição do componente i na fase vapor, e, consequentemente, uma determinada linha de amarração. Objetivo Construir o envelope de fases que representa o equilíbrio liquido-vapor (ELV) do sistema Água/Etanol à pressão constante, fazendo uso da curva de calibração do ELV do mesmo sistema, bem como realizar a modelagem matemática que prevê o envelope usando a abordagem ϕ-ϕ e a equação de estado cúbica de Redlich Kwong. Metodologia Materiais Balança analítica de precisão; Condensador com água de Refluxo; Ebuliômetro; Frascos de capacidade de 20 mL; Manta de aquecimento; Picnômetro de vidro; Pró-pipete; Pipetas graduadas; Provetas. 3.2 Reagentes Etanol comercial Água destilada 3.3 Procedimento Experimental O procedimento consiste em realização de séries de destilações de variadas composições de misturas Água/Etanol em ebuliômetro com sistema de refluxo, em dois dias diferentes. Em cada um dos dias foi realizada uma série de destilações que se iniciaram com a destilação de um dos componentes puros. Os compostos são introduzidos no ebuliômetro com o auxílio da proveta graduada, todo o sistema é fechado, sendo que em uma das saídas do equipamento é acoplado um termômetro que registrará a temperatura do vapor formado. O sistema é aquecido, e então o vapor é direcionado ao sistema de condensação, e posteriormente capturado no outro compartimento do ebuliômetro. Após o sistema apresentar-se completo, o aquecimento, agora constante, e o refluxo são mantidos por mais 30 minutos. Alcançado o tempo determinado, amostras das duas fases (fase líquida e fase vapor – condensado recuperado) são coletadas com o auxílio de pipetas e transferidas para frascos. Em cada ensaio subseqüente, tanto no primeiro quanto no segundo dia, apenas adicionou-se o componente referenciado na tabela ao sistema do ensaio anterior. Após resfriadas, as soluções tiveram suas densidades aferidas através do método do picnômetro. Tabela 1: Descrição das misturas utilizadas. Modelagem RK A lei de Raoult, conforme já foi dito, é o modelo termodinâmico mais simples que descreve sistemas em equilíbrio líquido-vapor. Considera as hipóteses de fase vapor como um gás ideal e fase líquida como uma solução ideal, o que restringe sua aplicabilidade apenas a sistemas a pressões baixas a moderadas, compostos por espécies quimicamente semelhantes. A partir desse modelo é possível calcular a temperatura, pressão e composição das fases líquida e vapor em equilíbrio. A expressão da lei de Raoult é mostrada logo abaixo: yi P = Pisat xi ( i = 1,2, ... , N) (4.1.) Onde, xi = fração molar do componente i na fase líquida; yi = fração molar do componente i na fase vapor; Pisat = pressão de vapor da espécie i pura na temperatura do sistema. A pressão parcial de um componente é dada pelo produto de yi por P, expresso no lado esquerdo da equação (4.1). Os critérios de equilíbrio termodinâmido de um sistema líquido-vapor compreendem a igualdade de temperatura, pressão e fugacidade de todos os componentes nas duas fases. Em uma situação de equilíbrio, vale assim a relação de igualdade de fugacidades dos componentes da mistura nas fases do sistema, conforme mostrado a seguir: (i = 1, 2,..., N) Onde, os expoentes v, l e sat indicam a fugacidade do componente i na mistura, na fase vapor, líquida e líquido/vapor saturado, respectivamente. Em sistemas em equilíbrio a pressões baixas a moderadas, e misturas compostas por espécies quimicamente semelhantes, podem ser adotadas duas hipóteses simplificadores: a fase vapor é um gás ideal e a fase líquida é uma solução ideal. Igualando a fugacidade da fase líquida à da fase vapor, tem-se para a situação de equilíbrio: yi P = Pisat xi ( i = 1,2, ... , N) Existem algumas abordagens empregadas na previsão de equilíbrio líquido-vapor, dentre as quais está a abordagem ϕ-ϕ. Para tal, pode-se expressar a fugacidade em função de um novo parâmetro, o chamado coeficiente de fugacidade (), definido como: Reescrevendo a relação de igualdade de fugacidade em função do coeficiente de fugacidade, tem-se que: Assim, numa abordagem , a equação de isofugacidade pode ser escrita como: Dividindo toda a equação por P, tem-se então: O cálculo que se pretende efetuar é chamado de bolha T, ou seja, deseja-se calcular a temperatura do ponto de bolha da mistura líquida (temperatura de ebulição), dada a sua composição na fase líquida (xi) e a pressão total do sistema (P = P atmosférica), que são conhecidas. Para isso, escolhemos o modelo de equilíbrio em que a fase gasosa é um gás ideal e a fase líquida uma mistura ideal, conforme visto anteriormente. O coeficiente de fugacidade de um componente de uma mistura são funções da sua composição, temperatura e pressão. Para a determinação dos coeficientes de fugacidade serão empregadas as equações a seguir: O parâmetro Zi é o fator de compressibilidade do componente i na mistura, nas fases líquida e vapor. O fator de compressibilidade pode ser determinado para dada T e P por equações de estado de terceiro grau, chamadas por isso de equações de estado cúbicas. Apesar da grande quantidade de equações disponíveis, as equações cúbicas de estado são,ainda, as mais utilizadas para predições de equilíbrio de fases e cálculo de propriedades em aplicações de engenharia como projeto, simulação e otimização de processos. Trata-se de equações de ordem 3 com relação ao volume, que podem ser facilmente estendidas de substâncias puras para sistemas multicomponente, quando associadas a regras de mistura. Nas equações de estado cúbicas são utilizadas as propriedades críticas das substâncias, sendo elas a temperatura crítica (TC), pressão crítica (PC) e o fator acêntrico (ω). Isso as torna genéricas, podendo ser aplicadas para os mais variados tipos de sistemas (polares, apolares, assimétricos e outros). Muitas modificações foram propostas à equação cúbica de estado de Van der Walls (VdW), a primeira grande contribuição à termodinâmica na representação do comportamento PVT de sistemas. Dentre as equações de estado cúbicas, tem-se Redlich e Kwong (RK), Soave-Redlich-Kwong (SRK) e Peng-Robinson (PR). Uma equação cúbica de estado genérica é a fonte da equação de van derWaals e de muitas modificações posteriores disponíveis na literatura, conforme segue: Nesta equação, os parâmetros e dependem apenas da equação de estado empregada. Já o termo atrativo (a(T)) e o termo de covolume (b) dependem da substância, e são determinados pelas expressões que seguem: Onde, Tr = Temperatura reduzida, dada por: Tr = TTc Os demais símbolos que aparecem nas equações podem ser vistos na tabela abaixo: Tabela 2 – Parâmetros característicos de diferentes equações de estado cúbicas No presente trabalho, a equação empregada nos cálculos do ELV será a equação de Redlich e Kwong (RK), em função de Z. Desta forma, a equação cúbica de estado apresenta a seguinte forma: As equações complementares necessárias seguem a abaixo: Além disso, para o cálculo do fator de compressibilidade a partir da pressão, emprega-se a seguinte equação: Finalmente, A partir do conjunto de equações exposto e dos parâmetros para a equação RK (tabela 2), é possível implementar o algoritmo do cálculo bolha T, um processo iterativo, com o auxílio do programa Scilab. Resultados e discussão A partir dos valores de densidade de cada fase, obtidos pelo método do pcinômetro, foram previstos os valores de frações molares referentes à composição de cada amostra recolhida. Para tal, empregou-se a curva de calibração obtida na prática anterior, com um ajuste de terceira ordem. Tal curva é reproduzida no presente relatório, conforme segue: Gráfico 1: Curva de calibração do ELV com ajuste polinomial de terceiro grau y = -57,424x3 + 166,52x2 - 164,18x + 55,071 y se refere a fração molar de etanol e x, a densidade. Os valores de frações molares de etanol em cada fase foram obtidos a partir das densidades experimentais com o uso da equação polinomial de terceiro grau acima. Os valores de frações molares de água puderam ser determinados em seguida por diferença, já que o somatório das frações molares dos dois componentes deve ser igual a um. Os resultados obtidos, bem como as temperaturas de ebulição alcançadas por cada mistura, estão resumidos na tabela abaixo: Amostra Volume água (mL) Volume Etanol (mL) Massa Picnômetro Vazio (g) Massa Picnômetro com Água (g) Massa Picnômetro com Amostra (g) Densidade Fração Molar de Etanol (1) Fração Molar de Água (2) Temperaturas (°C) 1º dia V1 150 0 17,8413 23,1416 23,1022 0,9926 0,0121 0,9879 99 L1 150 0 17,8413 23,1416 23,0768 0,9878 0,0280 0,9720 99 V2 150 30 17,8413 23,1416 22,7797 0,9317 0,2114 0,7886 92 L2 150 30 17,8413 23,1416 23,0879 0,9899 0,0210 0,9790 92 V3 150 60 17,8413 23,1416 22,6095 0,8996 0,3297 0,6703 86 L3 150 60 17,8413 23,1416 23,0635 0,9853 0,0362 0,9638 86 2º dia V1 0 150 18,9687 24,4484 23,4098 0,8105 0,8181 0,1819 78 L1 0 150 18,9687 24,4484 23,4867 0,8245 0,7191 0,2809 78 V2 10 150 18,9687 24,4484 23,5904 0,8434 0,6007 0,3993 80 L2 10 150 18,9687 24,4484 23,7493 0,8724 0,4479 0,5521 80 V3 15 150 18,9687 24,4484 23,7984 0,8814 0,4066 0,5934 81 L3 15 150 18,9687 24,4484 24,1782 0,9507 0,1481 0,8519 81 Tabela 1: Dados experimentais obtidos na prática A partir da determinação das composições das fases em equilíbrio termodinâmico e das temperaturas, foi possível construir o envelope de fases do equilíbrio líquido-vapor do sistema etanol (1) /água (2), conforme segue. Gráfico 2: Envelope de fases experimental Os resultados experimentais foram comparados com dados retirados da literatura. Para tal, utilizaram-se os dados de RIEOER (1949) para o sistema em estudo. Os dados encontrados seguem abaixo: T (°C) x1 y1 99,3 0,0028 0,032 96,9 0,0118 0,113 96 0,0137 0,157 96 0,01104 0,135 95,6 0,0176 0,156 94,8 0,0222 0,186 93,8 0,02106 0,212 93,5 0,0302 0,231 92,9 0,0331 0,248 90,5 0,0519 0,318 90,5 0,053 0,314 89,4 0,0625 0,339 88,4 0,0673 0,37 88,6 0,0115 0,362 87,2 0,0871 0,406 85,4 0,126 0,468 84,5 0,143 0,487 84 0,172 0,505 83,4 0,206 0,53 83 0,21 0,527 82,3 0,255 0,552 82 0,284 0,567 81,4 0,321 0,586 81,5 0,324 0,586 81,2 0,345 0,591 80,9 0,405 0,614 80,5 0,43 0,626 80,2 0,449 0,633 80 0,506 0,661 79,5 0,545 0,673 78,8 0,663 0,733 78,5 0,735 0,776 78,4 0,804 0,815 78,3 0,917 0,906 Tabela 2: Dados da literatura A partir dos dados obtidos, pôde-se gerar o envelope de fases correspondente, conforme segue: Gráfico 3: Envelope de fases para dados da literatura O gráfico a seguir mostra uma comparação entre as curvas obtidas a partir de dados experimentais e de dados da literatura. Gráfico 4: Comparação entre o envelope de fases experimental e o da literatura A observação do gráfico acima revela que há uma grande discrepância entre o envelope experimental e o da literatura, para valores de fração molar de etanol inferiores a 0,4. A diferença pode ser justificada por erros experimentais, tais como desvios nos valores de temperatura aferidos pelo termômetro ou ainda nos valores da massa fornecidos pela balança. Os valores de composição da fase vapor e temperatura de ebulição obtidos por meio da modelagem empregando a abordagem ϕ-ϕ e a equação de estado cúbica de Redlich e Kwong (RK) são apresentados na tabela abaixo: Temperatura (K) y1 Temperatura (K) y1 341.28587 0. 310.31378 0.7799786 329.30004 0.3826821 309.96697 0.7885513 322.46767 0.5417511 309.61803 0.7972819 318.8553 0.6119170 309.26761 0.8061500 316.97117 0.6453199 308.91625 0.8151368 315.97865 0.6622314 308.56444 0.8242249 315.44209 0.6712737 308.2126 0.8333980 315.13448 0.6764838 307.86109 0.8426407 314.93578 0.6798971 307.51024 0.8519391 314.78175 0.6825940 307.16032 0.8612801 314.6381 0.6851647 306.81155 0.8706515 314.48689 0.6879336 306.46416 0.880042 314.31927 0.6910753 306.11831 0.8894410 314.13152 0.694677 305.77415 0.898839 313.92275 0.6987748 305.43181 0.9082270 313.6936 0.7033743 305.0914 0.9175965 313.44554 0.7084627 304.75302 0.9269399 313.18038 0.7140173 304.41674 0.9362501 312.90006 0.7200095 304.08263 0.9455205 312.60652 0.7264074 303.75074 0.9547449 312.3015 0.7331803 303.42111 0.9639180 311.98671 0.7402958 303.09378 0.9730345 311.66365 0.7477228 302.76878 0.9820898 311.33369 0.7554318 302.44612 0.9910796 310.998030.7633948 302.12582 1. 310.65774 0.7715854 Tabela 3: Resultados obtidos a partir da modelagem usando RK A partir dos resultados obtidos, foi possível construir o envelope de fases correspondente ao procedimento de modelagem, mostrado a seguir: Gráfico 5: Envelope de fases segundo a modelagem RK Nota-se que o envelope de fases obtido via modelagem difere tanto daquele referente aos dados da literatura quanto do obtido experimentalmente, não sendo possível ainda observar o azeótropo. Isso indica que pode ter havido alguma falha em relação ao procedimento de modelagem ou ainda que a abordagem ϕ-ϕ usando a equação de RK pode ser inadequada na predição das composições. Conclusão Os dados experimentais obtidos nas práticas oferecem resultados satisfatórios uma vez que o objetivo de montar o envelope a partir desses dados foi atingido. Na comparação do gráfico do envelope de fases experimental com o da literatura também se obteve resultados bem satisfatórios visto que ambos os gráficos ficaram semelhantes para o sistema em questão. Já se referindo aos resultados obtidos pela modelagem RK não foi possível montar um diagrama de fases com o mesmo comportamento que o obtido experimentalmente e na literatura sendo que não foi possível observar o azeótropo. De modo a concluir que a rotina de programação não foi realizada da melhor forma ou ainda que o modelo de RK apresenta certa restrição para o sistema em estudo. Referências Bibliográficas SMITH, J.M; VAN NESS. Introdução a Termodinâmica da Engenharia Química. Editora LTC, 7 ed, 2007. RIEOER R.H.;THOMPSON A.R. IND.ENG.CHEM. 41, 2905, 1949. Apêndice I – Rotina de Cálculos //EQUILÍBRIO LÍQUIDO-VAPOR (Redlich/Kwong - RK) //Componentes: 1 = etanol 2 = água clear;clc exec('func RK.sci'); //DADOS DE ENTRADA R= 83.14472; P= 1.01325; //Parâmetros do modelo RK sigma=1; e=0; omega=0.08664; psi=0.42748; //Propriedades das espécies puras Teb1=351.52; Teb2=373.15; Tc1=513.9; Tc2=647.1; Pc1=61.48; Pc2=220.55; Kij=-0.12; // Agua A2 = 16.8958; B2 = 3795.17; C2 = 230.918; // EtOH A1 = 16.3872; B1 = 3885.70; C1 = 230.170; //Parâmetros a e b b1=omega*(R*Tc1)/Pc1; b2=omega*(R*Tc2)/Pc2; ac1=psi*(R*Tc1)^2/Pc1; ac2=psi*(R*Tc2)^2/Pc2; ac12=sqrt(ac1*ac2)*(1-Kij); //i=1; x=[0.0:1/50:1]; for i=1:51; x1=x(i); x2=1-x1; //Fração de água na fase líquida T=x1*Teb1+x2*Teb2; //Chute inicial (Kelvin) y1=0.2; //Chute inicial y2=1-y1; Teste1=0; // Condição inicial para verificar se o somatório de Kixi é igual a 1 bL=x1*b1+x2*b2 Zll=1.05*(bL*P)/(R*T) Zl=1e-3; //Chute inicial Zv=0.98; Zvv=0.98; //Chute inicial tol=1e-8; // Tolerância //disp(Zll,'chute Zliq') //*****Início do loop //Cálculos para a fração líquida k = 0 while abs(Teste1-1)>tol do k = k + 1 if k == 200 then disp('Não converge o loop externo'); abort end [Zl, betaliq, bliq, a1, a2, a12, qliq, aliq] = Zliq(x1, x2, T, P, Zll); [philiq1,philiq2]=philiq(x1, x2, Zl, betaliq, a1, a2, a12, qliq, aliq); // disp(philiq1,'philiq1'); //Cálculos para a fração vapor [Zv, betavap, bvap, a1, a2, a12, qvap, avap] = Zvap(y1, y2, T, P, Zvv); //disp(Zvap); [phivap1,phivap2]=phivap(y1, y2, Zv, betavap, a1, a2, a12, qvap, avap); K1=philiq1/phivap1; K2=philiq2/phivap2; // disp(philiq1,philiq2,'phiL') // disp(phivap1,phivap2,'phivap') // disp(K1,K2,'ctes. eq.') // pause Teste2=K1*x1+K2*x2; //Teste 2 e Teste 3 determinam se ouve variação com o novo cálculo de y Teste3=1; kk = 0 while abs(Teste2-Teste3)>tol do kk = kk + 1 if kk == 100 then disp('Não converge loop interno') abort end Teste3=Teste2; y1=K1*x1/(K1*x1+K2*x2); y2=1-y1; //Cálculos para da nova fração vapor [Zv, betavap, bvap, a1, a2, a12, qvap, avap] = Zvap(y1, y2, T, P, Zvv); //disp(Zvap); [phivap1,phivap2]=phivap(y1, y2, Zv, betavap, a1, a2, a12, qvap, avap); K1=philiq1/phivap1; K2=philiq2/phivap2; Teste2=K1*x1+K2*x2; end Teste1=Teste2; Tvelho=T; //y1=K1*x1; //y2=1-y1; T=Tvelho-10*(Teste2-1); // disp([Tvelho, T, Teste2]) end y(i)=y1; Tcalc(i)=T; end disp(Tcalc,'Temperatura') disp(y,'y1') disp(x1,'x1') plot(x,Tcalc), plot(y,Tcalc) Functions utilizadas function [Zl, betaliq, bliq, a1, a2, a12, qliq, aliq]=Zliq(x1, x2, T, P, chuteZll) Tr1=T/Tc1; Tr2=T/Tc2; alfa1=(Tr1)^(-0.5); alfa2=(Tr2)^(-0.5); a1=ac1*alfa1; a2=ac2*alfa2; a12 = ac12*sqrt(alfa1*alfa2) Kij=-0.09; aliq=x1^2*a1+2*x1*x2*a12+x2^2*a2; bliq=x1*b1+x2*b2; qliq=aliq/(bliq*R*T); betaliq=(bliq*P)/(R*T); Zll = chuteZll; Zl = Zll + 10*tol; ki=0 while abs(Zl-Zll)>tol do ki == ki + 1 if ki == 100 then disp('Problema de convergencia de Zl') abort end Zll=Zl Zl=betaliq+(Zll+e*betaliq)*(Zll+betaliq*sigma)*((1+betaliq-Zll)/(qliq*betaliq)); end endfunction function [Zv, betavap, bvap, a1, a2, a12, qvap, avap]=Zvap(x1, x2, T, P, chuteZvv) Tr1=T/Tc1; Tr2=T/Tc2; alfa1=(Tr1)^(-0.5); alfa2=(Tr2)^(-0.5); a1=ac1*alfa1; a2=ac2*alfa2; a12=ac12*sqrt(alfa1*alfa2); avap=x1^2*a1+2*x1*x2*a12+x2^2*a2; bvap=x1*b1+x2*b2; qvap=avap/(bvap*R*T); betavap=(bvap*P)/(R*T); Zvv = chuteZvv; Zv = Zvv + 10*tol; ki=0 while abs(Zv-Zvv)>tol do ki == ki + 1 if ki == 100 then disp('Problema de convergencia de Zl') abort end Zvv=Zv Zv= 1+betavap-qvap*betavap*((Zvv-betavap)/((Zvv+e*betavap)*(Zvv+sigma*betavap))) end endfunction function [philiq1, philiq2]=philiq(x1, x2, Zl, betaliq, a1, a2, a12, qliq, aliq) Il=(1/(sigma-e))*log((Zl+sigma*betaliq)/(Zl+e*betaliq)); //Cálculo de phi do líquido qliqmedio1=qliq*[(2*x1*a1+2*x2*a12)/aliq-b1/bliq]; qliqmedio2=qliq*[(2*x2*a2+2*x1*a12)/aliq-b2/bliq]; philiq1=exp((b1/bliq)*(Zl-1)-log(Zl-betaliq)-qliqmedio1*Il); philiq2=exp((b2/bliq)*(Zl-1)-log(Zl-betaliq)-qliqmedio2*Il); endfunction function [phivap1, phivap2]=phivap(y1, y2, Zv, betavap, a1, a2, a12, qvap, avap) Iv=(1/(sigma-e))*log((Zv+sigma*betavap)/(Zv+e*betavap)); //Cálculo de phi do líquido qvapmedio1=qvap*[(2*y1*a1+2*y2*a12)/avap-b1/bvap]; qvapmedio2=qvap*[(2*y2*a2+2*y1*a12)/avap-b2/bvap]; phivap1=exp((b1/bvap)*(Zv-1)-log(Zv-betavap)-qvapmedio1*Iv); phivap2=exp((b2/bvap)*(Zv-1)-log(Zv-betavap)-qvapmedio2*Iv); endfunction
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