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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA III TURMA 02 PRÁTICA 1 - Equilíbrio líquido-líquido para o sistema água- clorofórmio-ácido acético. PRÁTICA 2 - Equilíbrio líquido-líquido para o sistema água- querosene-ácido acético. DAVID ASSIS SILVA DOS SANTOS JONAS DA SILVA RODRIGUES THAMYRES FREIRE DA SILVA VICTÓRIA SHIRLEY CÂMARA FERREIRA VITOR PHABLO DE ARAÚJO DANTAS YURI GALILLEU SILVA COSTA Mossoró/RN 2018 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 6 2 OBJETIVOS .................................................................................................................. 7 2.1 OBJETIVO GERAL ............................................................................................... 7 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................. 7 3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................................ 8 4 MATERIAIS ............................................................................................................... 11 5 METODOLOGIA ........................................................................................................ 11 5.1 DETERMINAÇÃO DOS PONTOS DE SOLUBILIDADE MÚTUA ................. 12 5.2 DETERMINAÇÃO DOS PONTOS DA CURVA BINODAL ............................ 13 5.3 DETERMINAÇÃO DAS TIE-LINES .................................................................. 13 6 RESULTADOS E DISCUSSÕES ............................................................................... 14 7 CONCLUSÃO ............................................................................................................. 20 8 BIBLIOGRAFIA ......................................................................................................... 21 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Esquema ilustrativo do diagrama de fases de um sistema com formação de duas fases líquidas.....................................................................................................................7 Erro! Indicador não definido. Figura 2 - Representação gráfica de sistemas ternários. .Erro! Indicador não definido.8 Figura 3 - Curva de equilíbrio e gráfico ternário com binodal e tie lines. ................ Erro! Indicador não definido.9 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Componentes dos tubos (Experimento 1) ... Erro! Indicador não definido.11 Tabela 2 - Componentes dos tubos (Experimento 2)......................................................12 Erro! Indicador não definido. Tabela 3 - Volumes do experimento 1............................................................................12 Erro! Indicador não definido. Tabela 4 - Composições do experimento 2.....................................................................13 Erro! Indicador não definido.Tabela 5 – Determinação dos pontos de solubilidade mútua (Prática 1) .......................................................... Erro! Indicador não definido.15 Tabela 6 - Curva binodal (Prática 1). .......................... Erro! Indicador não definido.16 Tabela 7 - Pontos da tie lines em m.[%] (Prática 1) ..... Erro! Indicador não definido.16 Tabela 8 – Determinação dos pontos de solubilidade mútua (Prática 2) ....................... 17 .......................................................................................... Erro! Indicador não definido. Tabela 9 - Curva binodal (Prática 2) ........................... Erro! Indicador não definido.18 Tabela 10 – Pontos das tie lines em m[%] (Prática 2) .. Erro! Indicador não definido.18 LISTA DE GRÁFICOS Gráfico 1 – Ternário do sistema água-clorofórmio-ácido acético com tie lines (Prática 1) ...................................................................................... Erro! Indicador não definido.16 Gráfico 2 – Curva de equilíbrio para o ácido acético (Prática 1)....................................17 Erro! Indicador não definido. Gráfico 3 – Ternário do sistema água-querosente-ácido acético com tie lines (Prática 2).........................................................................................................................19 Erro! Indicador não definido. Gráfico 4 – Curva de equilíbrio para o ácido acético ( Prática 2).....................................19 Erro! Indicador não definido. 6 1 INTRODUÇÃO A separação de componentes é baseada na transferência de massa de uma fase para outra. Na separação de componentes ocorre a criação ou o incremento de uma segunda fase. No processo de separação de substancia em equilíbrio liquido-liquido (ELL) ocorre a formação de uma fase leve, chamada de extrato e uma fase pesada denominada refinado. A ELL tem por base a diferença de solubilidade dos líquidos imiscíveis e o objetivo é a concentração do soluto. Necessita de contato entre a solução líquida com o solvente, separação das fases e recuperação do solvente. Para analisar o comportamento de estabilidade entre as fases é construído um diagrama de fase ternário em um triângulo de Gibbs. As práticas 1 clorofórmio-água-ácido acético com o sistema em ELL e a prática 2 querosene-água-ácido acético visam as determinações dos pontos de solubilidade mútua, dos pontos da curva binodal e tie lines, para cada caso de acordo com os dados coletados na aula. 7 2 OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GERAL Determinar o diagrama de solubilidade de misturas de três componentes. 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Determinar os diagramas ternários de solubilidade dos sistemas água- clorofórmio-ácido acético e água-querosene-ácido acético e curvas de equilíbrio. . 8 3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Equilíbrio pode ser sinônimo de permanência de estado ou de ausência de mudanças. Na termodinâmica, ela significa não somente a ausência de mudanças, mas também a ausência de qualquer tendência para mudanças em uma escala macroscópica (SMITH; VAN NESS; ABBOTT, 2007). A temperaturas suficientemente inferiores aquelas em que se verifica o aparecimento do equilíbrio líquido-vapor, pode observar-se a formação de fases líquidas (ou sólidas) total ou parcialmente imiscíveis (LABVIRTUAL EQ UC). Como apresentado na Figura 1. Figura 1: Esquema ilustrativo do diagrama de fases de um sistema com formação de duas fases líquidas. Fonte: http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?option=com_content&task=view&id=15 0&Itemid=303 Em sistemas multifásicos em equilíbrio, o número de variáveis independentes que devem ser especificadas arbitrariamente para estabelecer o seu estado intensivo é dado pela célebre regra das fases de J. Willard Gibbs, que deduziu com base e argumentos 9 teóricos em 1875 (SMITH; VAN NESS; ABBOTT, 2007). A regra pode ser descrita pela Equação 1. F= 2 – π + N (1) Para o estado intensivo de um sistema ser estabelecido, a temperatura, a pressão e a composição de todas as suas fases devem ser especificadas, sendo essas variáveis presentes na regra das fases (SMITH; VAN NESS; ABBOTT, 2007). O objetivo da ELL é dividir a corrente de entrada em produto extraídoe produto refinado, com a separação do solvente podendo ser usado novamente no processo. Segundo Ocon e Tojo (1999) para que a ELL aconteça é necessário que haja contato do solvente e com o soluto, a separação das fases líquidas formadas e a recuperação do solvente. A representação da interação entre os líquidos da extração pode se apresentar em forma de gráficos, onde para a mistura de três componentes em equilíbrio temos um ternário. Neste diagrama, os vértices representam os componentes puros; sobre cada lado se representam as misturas binárias dos componentes que se encontram nos vértices correspondenes a esse lado quando, em qualquer ponto do interios representa uma mistura ternária, de tal modo que a quatidade relativa de cada componente da mistura é proporcional ao lado oposto (OCON; TOJO, 1999). A Figura 2 mosta a representação de um ternário. Figura 2 – Representação gráfica de sistemas ternários. Fonte: Ocon; Tojo (1999) 10 A curva binodal separa a zona de miscibilidade parcial dos componentes A e B (abaixo da binodal), da zona de miscibilidade total (acima da binodal) (LABVIRTUAL EQ UC). Tie lines são as retas dentro da binodal, segundo Gonçalves (1994) a uma dada temperatura, é o segmento de recta que une a composição de duas fases (conjugadas) em equilíbrio uma com a outra. A curva binodal e tie lines podem ser vistas na Figura 3. Figura 3 – Curva de equilíbrio e gráfico ternário com binodal e tie lines. Fonte: Autoria própria. 11 4 MATERIAIS Os materiais utilizados na prática 1 foram: 6 Erlenmeyers 1 Bureta de 25 ml 3 Pipetas de 5ml 3 Balões de separação graduados de 100 ml 1 Agitador magnético com “peixinho” – barra magnética NaOH 1M Ácido acético glacial Clorofórmio Fenolftaleína Suporte universal Garras metálicas Já para a prática 2 foram: 6 Tubos de ensaio 6 Erlenmeyers 1 Béquer pequeno 1 Bureta de 25 ml 3 Pipetas de 10 ml 3 Balões de separação graduados de 100 ml Solução NaOH 1M Ácido acético glacial Querosene Água destilada Estante para tubos de ensaio Suporte universal Garra metálica Solução de fenolftaleína 5 METODOLOGIA As práticas de ELL foram baseadas no seguinte procedimento experimental. 12 5.1 DETERMINAÇÃO DOS PONTOS DE SOLUBILIDADE MÚTUA Foram separados tubos de ensaio e enumerados, de 1 a 6. Nos tubos 1 e 2 foram adicionados 2 mL de Clorofórmio, 2 mL de água nos tubos 3 e 4 e 2 mL de ácido acético nos tubos restantes. Posteriormente, foram adicionados, gota a gota, os elementos da Tabela 1 (abaixo), nos respectivos tubos que foram agitados até que houvesse a formação de duas fases. Tabela 1. Componentes dos tubos (Experimento 1). Fonte: Autoria Própria (2018). Para o segundo experimento, onde o clorofórmio é substituído pelo querosene, foi aplicada a mesma metodologia, Tabela 2. Tabela 2. Componentes dos tubos (Experimento 2). Fonte: Autoria Própria (2018). Tubo Componente Gotejado 1 Clorofórmio Ácido acético 2 Clorofórmio Água 3 Água Ácido acético 4 Água Clorofórmio 5 Ácido acético Água 6 Ácido acético Clorofórmio Tubo Componente Gotejado 1 Querosene Ácido acético 2 Querosene Água 3 Água Ácido acético 4 Água Querosene 5 Ácido acético Água 6 Ácido acético Querosene 13 5.2 DETERMINAÇÃO DOS PONTOS DA CURVA BINODAL No experimento 1, foi adicionado a um erlenmeyer 10 mL de clorofórmio e 1 mL de água. Sobre um agitador mecânico adicionou-se, com auxílio de uma bureta, ácido acético até a completa miscibilidade dos três componentes. Com uma pipeta, foram adicionados mais 3 mL de água. O processo de mistura é reiniciado, e torna-se homogênio com a adição de ácido acético para cada novo volume de água, 5, 10, 20 e 30 mL. Foram coletados os volumes adicionados. No experimento 2, preparou-se três tubos de ensaio com ácido acético em diferentes proporções de água (25, 50 e 75%) em um volume total de 8 mL. Todas as misturas foram tituladas com querosene até o surgimento de duas fases, os volumes de querosene adicionados foram coletados. 5.3 DETERMINAÇÃO DAS TIE-LINES Para o experimento 1, preparou-se as mistura mostradas na Tabela 3, utilizando um balão de separação, com suas devidas marcações A, B e C. Todas as misturas foram agitadas e deixadas em descanso por 5 minutos. Tabela 3. Volumes do experimento 1. Volume (mL) A B C Clorofórmio 9 9 9 Ácido acético 4 8 2 Água 7 3 9 Fonte: Autoria própria (2018). Após os 5 minutos, foram retirados e pesados 5 mL de cada fase formada, sendo posteriormente tituladas com NaOH 1M utilizando como indicador a fenolftaleína. Foram anotados os volumes de NaOH gastos em cada camada. Para o experimento 2, preparou-se em 3 balões de separação uma mistura de 30 mL com as devidas composições (Tabela 4). Cada mistura foi agitada e deixado descansar por 5 minutos. 14 Tabela 4. Composições do experimento 2. Ácido acético Querosene Água Mistura I 50% 30% 20% Mistura II 30% 40% 30% Mistura III 10% 30% 60% Fonte: Autoria própria (2018). As fases foram separadas e seus volumes anotados. Retirados 5 mL de cada uma, as mesmas foram tituladas com NaOH 1 M com presença do indicador fenolftaleína. Novamente os volumes foram anotados. 6 RESULTADOS E DISCUSSÕES A seguir são apresentados os dados e as discussões obtidas com os experimentos. PRÁTICA 1 - Equilíbrio líquido-líquido para o sistema água- clorofórmio-ácido acético Por meio da aplicação da técnica cloud point, obtivemos a composição das soluções utilizando o Excel para os devidos cálculos. Os resultados estão representados na Tabela 5. Tabela 5: Determinação dos pontos de solubilidade mútua. Água Querosene Ácido Acético Tubos Volume [ml] Massa[g] Fração m.[%] Volume[mL] Massa[g] Fração m.[%] Volume[mL] Massa[g] Fração m.[%] 1 - - - 2 2,966 0,903910 0,15 0,3153 0,096089 2 0,06 0,06 0,019828 2 2,966 0,980171 - - - 3 2 2 0,863818 - - - 0,15 0,3153 0,136181 4 2 2 0,899907 0,15 0,22245 0,100092 - - - 5 0,3 0,3 0,124895 - - - 2 2,102 0,875104 6 - - - 0,3 0,4449 0,174682 2 2,102 0,825317 Fonte: Autoria própria (2018). 15 Em seguida, em uma solução foi adicionado Ac. Acético para determinação do ponto de miscibilidade entre os três líquidos. As composições onde se verificou miscibilidade são apresentadas na Tabela 6. Tabela 6: Curva binodal. Ponto Fração água m.[%] Fração Clorofórmio m.[%] Fração Ac. Acetico m.[%] 1 0,019828156 0,980171844 0 2 0,060365695 0,895223263 0,044411042 3 0,131164313 0,48629169 0,382543997 4 0,278266462 0,458521292 0,263212246 5 0,407269111 0,317884258 0,274846631 6 0,518131962 0,197023 0,284845039 7 0,670174887 0,144039037 0,185786076 8 0,899907759 0,100092241 0 Fonte: Autoria própria (2018). Na terceira parte do experimento, as fases aquosas e orgânicas foram tituladas com NaOH para determinação de suas composições. Os resultados obtidos estão presentes na Tabela 7. Tabela 7: Pontos da tie lines em m.[%]. tubos x Água x Clorofórmio x Ácido Acético 1 Inferior 0,912109 0 0,087891 1 Superior 0 0,697957 0,302043 2 Inferior 0,722137 0 0,277863 2 Superior 0 0,439031 0,560969 3 Inferior 0,973367 0 0,026633 3 Superior 0 0,818221 0,181779 Fonte: Autoria própria (2018). Com os dados das Tabelas 5, 6 e 7, foi possível então construirum ternário do sistema água – clorofórmio – ácido acético. 16 Gráfico 1 – Ternário do sistema água- clorofórmio-ácido acético com tie lines. Fonte: Autoria própria (2018). Como podemos observar, apenas 2 tie-lines foram plotadas, já que a outra tie-line ficaria totalmente fora do envelope de fases. O motivo de tal erro pode estar associado a segunda ou terceira parte do experimento. 17 Gráfico 2 - Curva de equilíbrio para o ácido acético. Fonte: Autoria própria (2018). PRÁTICA 2 - Equilíbrio líquido-líquido para o sistema água- querosene-ácido acético Depois de ser aplicada a técnica chamada de cloud point, obtivemos os resultados calculados no programa Excel que são apresentados na Tabela 8 . Tabela 8: Determinação dos pontos de solubilidade mútua. Água Querosene Ácido Acético Tubos Volume[mL] Massa[g] Fração m.[%] Volume[mL] Massa[g] Fração m.[%] Volume[mL] Massa[g] Fração m.[%] 1 - - - 2 1,516 0,905804678 0,15 0,15765 0,094195322 2 0,15 0,15 0,090036014 2 1,516 0,909963986 - - - 3 2 2 0,926934396 - - - 0,15 0,15765 0,073065604 4 2 2 0,967015114 0,09 0,06822 0,032984886 - - - 5 0,15 0,15 0,06660746 - - - 2 2,102 0,93339254 6 - - - 0,12 0,09096 0,041478185 2 2,102 0,958521815 Fonte: Autoria própria (2018). Na segunda parte do experimento onde foi titulado cada mistura com querosene para a obtenção de dados para da curva binodal apresentados na Tabela 9. 0 10 20 30 40 50 60 0 5 10 15 20 25 30 Fa se o rg ân ic a ( % ) Fase aquosa ( % ) Curva de equilíbrio 18 Tabela 9: Curva binodal. Tubo Fração água m.[%] Fração querosene m.[%] Fração Ac. Acetico m.[%] 1 23,95% 0,54% 75,51% 2 48,35% 0,82% 50,82% 3 73,44% 0,83% 25,73% Fonte: Autoria própria (2018). Na terceira parte para a obtenção das tie-lines, Tabela 10, formou-se a fase orgânica com rica em querosene + uma parte de ácido acético e outra com ácido acético + água. Com os volumes da titulação foi possível o cálculo da porcentagem em massa dos componentes. Considerou-se que na fase orgânica existe apenas querosene e ácido enquanto na fase aquosa existe apenas ácido acético e água. Tabela 10: Pontos da tie lines em m.[%]. tubos x água x querosene x Ácido Acético 1 Inferior 29,19% 0,00% 70,81% 1 Superior 0,00% 94,51% 5,49% 2 Inferior 47,95% 0,00% 52,05% 2 Superior 0,00% 97,72% 2,28% 3 Inferior 84,23% 0,00% 15,77% 3 Superior 0,00% 99,97% 0,03% Fonte: Autoria própria (2018). Dessa maneira, foi construído um diagrama ternário para melhor visualização do sistema água – querosene - ácido acético, onde podemos notar a grande área de imiscibilidade. 19 Gráfico 3 – Ternário do sistema água- querosene-ácido acético com tie lines. Fonte: Autoria própria (2018). O Gráfico foi obtido para demonstrar a relação do ácido acético com os outros dois componentes onde o eixo x é a composição do ácido acético na fase orgânica e o y na fase aquosa. Gráfico 4 - Curva de equilíbrio para o ácido acético. Fonte: Autoria própria (2018). 7 CONCLUSÃO 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 1 2 3 4 5 6 Fa se A q u o sa [ % ] Fase Orgânica [%] 20 Os diagramas ternários, como as curvas de equilíbrio apresentados neste relatório permitem uma melhor visualização da solubilidade dos binários, como também a região de imiscibilidade entre os três líquidos onde deve haver a extração. Ao estudar os diagramas ternários exibidos, observamos que para o sistema água/clorofórmio/ac. acético há o ácido acético é totalmente miscível com a água e com o clorofórmio, enquanto que o binário água e clorofórmio são parcialmente miscíveis. Já para o sistema água/querosene/ac. acético o ácido acético e a água são totalmente miscíveis, enquanto o querosene é parcialmente imiscível com a água e o querosene. Como essa imiscibilidade é muito alta o envelope de fases compreende praticamente todo o ternário. A respeito do ternário do sistema água/clorofórmio/ac. acético em que se é possível observar uma irregularidade na binodal e nas tie-lines, é difícil identificar em qual momento da realização da prática esses erros ocorreram. Mas as possíveis causa destes erros são devidos a leitura errada dos dados, equívocos na condução do experimento e também descuido no registro dos dados. 21 8 BIBLIOGRAFIA EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO. Disponível em: <http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?option=com_content&task=view&id=111&Itemid=138>. Acesso em: 01 fev. 2018. Smith, J. M., Van Ness, H. C. e Abbott, M. M., Introdução à Termodinâmica da Engenharia Química, 7a Ed., LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora, Rio de Janeiro, 2007. Ocon García Joaquín y Tojo Barreiro Gabriel. “Problemas de ingeniería química” vol. II Ed. Aguilar (1999). GONÇALVES, M. CLARA . DIAGRAMAS DE FASE TERNÁRIOS . MAIO, 1994. Disponível em: <https://fenix.tecnico.ulisboa.pt/downloadFile/3779578030027/DT.pdf>. Acesso em: 03 fev. 2018.
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