capitulo1 EQUILIBRIO ENTRE FASES

CAPÍTULO I

Equilibrio termodinámico entre fases fluidas
El conocimiento firme de los conceptos de la termodinámica se considera esencial para el
diseño, operación y optimización de proyectos en la ingeniería química, debido a que
todos los procesos de separación se basan en datos precisos y exactos de propiedades
termofísicas y del equilibrio de fases. Es en los procesos de separación ypurificación
donde se consume entre el 70 y 90% de la energía y los costos de operación de un gran
número de plantas de refinación, petroquímicas y químicas (Henley y Seader, 1990), por
lo que es indispensable optimizar algunos parámetros de operación y para ello la
termodinámica es fundamental.

La ingeniería básica, es parte medular para el diseño de procesos de la industria química,
requiere de datoscon alta precisión y exactitud de un número importante de propiedades
termofísicas de las corrientes involucradas que permitan el desarrollo y diseños
confiables que se traduzcan en ahorros en los costos y aumenten las ganancias con la
disminución de factores de riesgo y seguridad para el personal y protección al medio
ambiente.

Si dos fases llegan al equilibrio termodinámico se alcanza un límiteen la transferencia de
materia de una fase a otra, de tal forma, que dicha transferencia se anula, bajo
condiciones de presión y temperatura conocidas. Para que un proceso industrial o de
laboratorio se realice con una velocidad de producción razonable, es necesario evitar la
proximidad del equilibrio, ya que la velocidad de transferencia en cualquier punto es
proporcional a la fuerza impulsoraque viene dada por el alejamiento del equilibrio en
dicho punto. Por tanto, para evaluar fuerzas impulsoras el estudio del equilibrio entre
fases resulta de gran importancia. En transferencia de materia son importantes diferentes
tipos de equilibrio de fases. En todos los casos intervienen por lo menos dos fases y se
pueden encontrar todas las combinaciones excepto dos fases gaseosas o sólidas.Considerando las fases en su conjunto, los efectos de área superficial o de la curvatura de

las superficies son despreciables y las variables termodinámicas a controlar son la
temperatura, presión y concentraciones. (McCabe et al., 1993).

Operaciones unitarias como la extracción en fase líquida y las destilaciones azeotrópica y
extractiva, muy utilizadas en la industria y los laboratorios deinvestigación, requieren de
la selección de disolventes que posean las características adecuadas para obtener los
productos deseados con eficiencias altas de separación.

La extracción en fase líquida es una operación unitaria comercial para la separación y
recuperación selectiva de diferentes tipos de compuestos orgánicos donde la separación
por destilación no es posible, ya que temperaturas elevadaspueden causar la
descomposición química de algunos compuestos. El uso de solventes extractivos que
presentan alta selectividad y capacidad de extracción se traduce en diseños con alta
eficiencia en su operación, en su inversión de capital y amigables con el medio ambiente.

I.1 Regla de las Fases de Gibbs

Para conocer la concentración de un soluto en dos fases en equilibrio, se requieren datosconfiables de equilibrio de fases experimentales. El equilibrio termodinámico entre dos o
más fases se define en términos de las propiedades intensivas de temperatura, presión y
potencial químico. Cuando se tiene igualdad en estas propiedades en todas las fases
presentes se determina el equilibrio termodinámico del sistema. De esta manera, en un
sistema heterogéneo conformado por π fases y ncomponentes, se alcanza el equilibrio
con las siguientes igualdades:

T (α ) = T ( β ) = ... = T (π )

(1.1)

P (α ) = P ( β ) = ... = P (π )

(1.2)

µ i (α ) = µ i ( β ) = ... = µ i (π )

(i = 1…n)

(1.3)

La fase está indicada por el superíndice y el subíndice se refiere al componente i. Las
ecuaciones anteriores proporcionan el criterio básico de equilibrio de fases (Prausnitz et
al., 2000).

En un...