Resumen de Operaciones Unitarias en Ingeniería Química

Operaciones Unitarias en Ingeniería Química: Guía Completa

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Introducción

Las propiedades físico-químicas y las fases en sistemas multicomponente determinan el comportamiento de mezclas en procesos químicos y en aplicaciones industriales. En este material se explican los diagramas ternarios, la construcción experimental de curvas de solubilidad (binodales), la regla de fases de Gibbs y ejemplos prácticos con tres componentes, con el objetivo de facilitar la comprensión y aplicación en laboratorio y diseño de procesos.

1. Conceptos básicos

¿Qué es una fase?

Una fase es una porción homogénea de un sistema con propiedades físicas y químicas uniformes.

¿Qué es un componente?

Un componente es una especie química independiente que forma parte del sistema (por ejemplo, \ce{H2O}, \ce{CHCl3}, \ce{HAc}).

Regla de las fases (Gibbs)

La regla de las fases establece que los grados de libertad $F$ se calculan por $F = C - P + n$, donde $C$ es el número de componentes, $P$ el número de fases y $n$ el número de variables externas (normalmente $n=2$ para $P$ y $T$).

Ejemplos rápidos:

  • Para magnesio puro: $C=1$. Si $P=1$ entonces $F = 1 - 1 + 2 = 2$ (se pueden cambiar $P$ y $T$).
  • En un punto doble (dos fases), $C=1, P=2$ entonces $F = 1 - 2 + 2 = 1$ (se fija una variable).
  • Punto triple: $C=1, P=3$ entonces $F = 1 - 3 + 2 = 0$ (sin grados de libertad).

2. Diagramas ternarios: representación y lectura

¿Qué es un diagrama ternario?

Un diagrama ternario es la representación gráfica de la composición de un sistema de tres componentes a presión y temperatura constantes, usando un triángulo equilátero donde cada vértice representa 100% de un componente.

  • La fracción molar $X_i$ se puede usar en decimales o porcentajes. La suma cumple $X_A + X_B + X_C = 1$.
  • Conociendo dos composiciones, la tercera se deduce.

Fórmula de fracción molar: $$X_a = \frac{n_a}{n_{totales}}$$ $$n_{totales} = n_a + n_b + n_c + \dots$$

Cómo ubicar una composición

  • Se subdivide el triángulo para facilitar lectura (p. ej. en decenas).
  • El punto en la base opuesta a un vértice es 0% del componente del vértice.
  • Convención práctica: vértice superior componente más liviano, vértice izquierdo más pesado y derecho intermedio (opcional).

Ejercicios de ubicación (resoluciones):

  • Composición $35%$ A, $65%$ B corresponde a un punto en el lado AB, cercano a B.
  • Composición $X_a=0.3$, $X_b=0.2$, $X_c=0.5$ es un punto interior cuya proyección a cada lado indica esas fracciones.

Trayectorias en un diagrama ternario

  • Trayectoria paralela: mantiene constante la fracción del componente opuesto a la base. Por ejemplo, una línea paralela a la base AB mantiene $X_C$ constante.
  • Trayectoria diagonal/transversal: va desde un punto en un binario hasta el vértice opuesto (p. ej. desde AB hacia C). Permite estudiar cambios en propiedades al variar la proporción hacia C.

Ejemplo de composiciones en trayectoria diagonal:

  • Punto a: $X_A = 0.6,\ X_B = 0.2,\ X_C = 0.2$.
  • Punto b: $X_A = 0.3,\ X_B = 0.1,\ X_C = 0.6$.

3. Curva de solubilidad (binodal) y región de inmiscibilidad

Construcción experimental de la curva binodal

  1. Partir de dos componentes parcialmente miscibles, por ejemplo \ce{H2O} y \ce{AcEt} (éster acetato). Inicialmente hay dos fases aunque una sea poco evidente.
  2. Agregar gradualmente \ce{HAc} (ácido acético) hasta que una fase desaparezca; en ese punto determinar la composición y calcular cantidades.
  3. Desde la composición en una fase, seguir agregando \ce{HAc} hasta que reaparezcan dos fases; repetir medidas para construir la curva binodal.

La curva de solubilidad (binodal) delimita las composiciones que dan lugar a una sola fase y las que dan lugar a dos fases.

Diagrama ternario con curva de inmiscibilidad

  • A temperatura constante $P=\text{cte}$, las curvas de inmiscibilidad muestran zonas donde dos de los componentes son parcialmente miscibles.
  • Zonas: Zona 1 (una fase) y Zona 2 (dos fases).
  • Las líneas de enlace (tie-lines) unen las composiciones de la
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Diagrama ternario y fases

Klíčové pojmy: Regla de Gibbs: $F = C - P + n$, Diagrama ternario representa composiciones con $X_A + X_B + X_C = 1$, Curva binodal separa zona monofásica y bifásica, Líneas de enlace unen composiciones de fases en equilibrio, Trayectoria paralela mantiene la fracción del componente opuesto constante, Trayectoria diagonal va de un binario al vértice opuesto, En sistemas con sales, remoción de agua induce precipitación selectiva, En laboratorio, mantener $P$ y $T$ constantes al construir ternarios, Punto crítico: límite donde no se separan las tres sustancias, Fracción molar: $X_a = \frac{n_a}{n_{totales}}$, A mayor temperatura, generalmente aumenta la solubilidad, Leer dos composiciones permite deducir la tercera

## Introducción Las propiedades físico-químicas y las fases en sistemas multicomponente determinan el comportamiento de mezclas en procesos químicos y en aplicaciones industriales. En este material se explican los diagramas ternarios, la construcción experimental de curvas de solubilidad (binodales), la regla de fases de Gibbs y ejemplos prácticos con tres componentes, con el objetivo de facilitar la comprensión y aplicación en laboratorio y diseño de procesos. ## 1. Conceptos básicos ### ¿Qué es una fase? > Una fase es una porción homogénea de un sistema con propiedades físicas y químicas uniformes. ### ¿Qué es un componente? > Un componente es una especie química independiente que forma parte del sistema (por ejemplo, \\ce{H2O}, \\ce{CHCl3}, \\ce{HAc}). ### Regla de las fases (Gibbs) > La regla de las fases establece que los grados de libertad $F$ se calculan por $F = C - P + n$, donde $C$ es el número de componentes, $P$ el número de fases y $n$ el número de variables externas (normalmente $n=2$ para $P$ y $T$). Ejemplos rápidos: - Para magnesio puro: $C=1$. Si $P=1$ entonces $F = 1 - 1 + 2 = 2$ (se pueden cambiar $P$ y $T$). - En un punto doble (dos fases), $C=1, P=2$ entonces $F = 1 - 2 + 2 = 1$ (se fija una variable). - Punto triple: $C=1, P=3$ entonces $F = 1 - 3 + 2 = 0$ (sin grados de libertad). ## 2. Diagramas ternarios: representación y lectura ### ¿Qué es un diagrama ternario? > Un diagrama ternario es la representación gráfica de la composición de un sistema de tres componentes a presión y temperatura constantes, usando un triángulo equilátero donde cada vértice representa 100% de un componente. - La fracción molar $X_i$ se puede usar en decimales o porcentajes. La suma cumple $X_A + X_B + X_C = 1$. - Conociendo dos composiciones, la tercera se deduce. Fórmula de fracción molar: $$X_a = \frac{n_a}{n_{totales}}$$ $$n_{totales} = n_a + n_b + n_c + \dots$$ ### Cómo ubicar una composición - Se subdivide el triángulo para facilitar lectura (p. ej. en decenas). - El punto en la base opuesta a un vértice es 0% del componente del vértice. - Convención práctica: vértice superior componente más liviano, vértice izquierdo más pesado y derecho intermedio (opcional). Ejercicios de ubicación (resoluciones): - Composición $35\%$ A, $65\%$ B corresponde a un punto en el lado AB, cercano a B. - Composición $X_a=0.3$, $X_b=0.2$, $X_c=0.5$ es un punto interior cuya proyección a cada lado indica esas fracciones. ### Trayectorias en un diagrama ternario - Trayectoria paralela: mantiene constante la fracción del componente opuesto a la base. Por ejemplo, una línea paralela a la base AB mantiene $X_C$ constante. - Trayectoria diagonal/transversal: va desde un punto en un binario hasta el vértice opuesto (p. ej. desde AB hacia C). Permite estudiar cambios en propiedades al variar la proporción hacia C. Ejemplo de composiciones en trayectoria diagonal: - Punto a: $X_A = 0.6,\ X_B = 0.2,\ X_C = 0.2$. - Punto b: $X_A = 0.3,\ X_B = 0.1,\ X_C = 0.6$. ## 3. Curva de solubilidad (binodal) y región de inmiscibilidad ### Construcción experimental de la curva binodal 1. Partir de dos componentes parcialmente miscibles, por ejemplo \\ce{H2O} y \\ce{AcEt} (éster acetato). Inicialmente hay dos fases aunque una sea poco evidente. 2. Agregar gradualmente \\ce{HAc} (ácido acético) hasta que una fase desaparezca; en ese punto determinar la composición y calcular cantidades. 3. Desde la composición en una fase, seguir agregando \\ce{HAc} hasta que reaparezcan dos fases; repetir medidas para construir la curva binodal. > La curva de solubilidad (binodal) delimita las composiciones que dan lugar a una sola fase y las que dan lugar a dos fases. ### Diagrama ternario con curva de inmiscibilidad - A temperatura constante $P=\text{cte}$, las curvas de inmiscibilidad muestran zonas donde dos de los componentes son parcialmente miscibles. - Zonas: Zona 1 (una fase) y Zona 2 (dos fases). - Las líneas de enlace (tie-lines) unen las composiciones de la