Equilibrio de Fases: Conceptos y Aplicaciones en Ingeniería Química

Equilibrio de Fases - Bloque I: Termodinámica

1. Introducción

Fases: estados de agregación de la materia: sólido, líquido y gas (vapor).

Interfases: fases "inmiscibles": L-V, L-L, S-L, S-S, S-V.

Equilibrio: propiedades macroscópicas estáticas; suposición frecuente en ingeniería; cambios a escala microscópica (molecular).

Equilibrio en un sistema monofásico: Temperatura (T), Presión (P) y Concentración (C) homogéneas.

Equilibrio en un sistema multifásico: T homogénea, P homogénea, C homogénea en cada fase, diferente composición en las distintas fases.

Medida de la composición:

• Concentración molar (C_i = n_i/V)
• Concentración másica (M_i = m_i/V)
• Fracción molar (x_i = n_i/n_t)
• Fracción másica (X_i = m_i/m_t)

2. Condiciones de Equilibrio de Fases

Equilibrio en un sistema multicomponente y monofásico: condición de espontaneidad y equilibrio (G < 0: espontáneo, G = 0 en equilibrio). El estado de cada fase en equilibrio está caracterizado por variables intensivas: T, P, viscosidad.

ΔG > 0: No espontáneo

3. Regla de las Fases

Sistema cerrado en el que existen pi (π) fases y C componentes:

No todas las variables intensivas son independientes: P, C y T -> {2 + (C - 1)} · π incógnitas.

Condiciones de equilibrio de fases: T₁ = T₂ = ... = T_π -> (C - 1) · (π + 2) ecuaciones.

Sistema cerrado en equilibrio con π fases y C componentes:

Número de grados de libertad: L = C + 2 - π

• L: número de variables intensivas que se deben especificar para determinar el estado del sistema.
• C: número de componentes químicos del sistema.
• π: número de fases presentes en el sistema.

4. Equilibrio Líquido-Vapor

Aplicaciones en ingeniería química: destilación simple, rectificación, absorción, liofilización, calderas de vapor, condensadores.

Representación del equilibrio: diagramas de equilibrio.

Ley de Raoult: equilibrio L-V considerando comportamiento ideal en ambas fases: P · y_i = x_i · P_i^º

Comportamiento no ideal de la fase líquida: P · y_i = γ_i · x_i · P_i^º

Comportamiento no ideal en ambas fases.

Relaciones presión-composición:

• En disolución ideal, ambos componentes siguen la ley de Raoult: P = P₁ + P₂ = x₁ · P₁^º + x₂ · P₂^º = x₁ · P₁^º + (1 - x₁) · P₂^º
• Suponiendo comportamiento ideal del gas: p₁ = y₁ · P = x₁ · P₁^º , y₁ = p₁/P = x₁ · P₁^º / (P₂^º + x₁ · (P₁^º - P₂^º))
• Relación entre la presión total y la composición de la fase gas: P = P₁^º · P₂^º / (P₁^º - y₁ · (P₁^º - P₂^º))
• Relación entre la presión total y la composición de la fase líquida: P = P₂^º + x₁ · (P₁^º - P₂^º)
• El conocimiento de la presión del sistema en función de la composición del líquido y el gas permite realizar el diagrama de equilibrio P-x,y para ambos componentes a T constante.

Ecuación de Antoine: Ln(P₁^º) = a + (b / (T + c))

Razón de equilibrio: K = P₁^º / P

Volatilidad relativa: α_ij = (y_i / x_i) / (y_j / x_j)