Universidad Autónoma de Yucatán

Facultad de Ingeniería Química

Carrera de Ingeniería Química Industrial

EQUILIBRIO LÍQUIDO VAPOR PARA EL SISTEMA TERNARIO

ETANOL+AGUA+ CLORURO DE 1-BUTIL-3-METILIMIDAZOLIO Y LOS
SISTEMAS BINARIOS CORRESPONDIENTES A 101.3 KPA

Proyecto final

Alumnas:

Poot Chan Layla Alexandra

Tuz García Akari Joaly

Profesor

Uc Cayetano Erbin Guillermo

Mérida - México

Lunes 6 de diciembre de 2021

 I. Introducción

Con frecuencia los procesos industriales como la destilación, la separación de

mezclas o la extracción relacionan varias fases coexistiendo en equilibrio, el
equilibrio de fases nos permite conocer las condiciones del sistema para alcanzar
el escenario de fases que el proceso a desarrollar requiere. En este documento
iremos analizando los datos experimentales de equilibrios isobáricos líquido-vapor
para el sistema ternario conformado por etanol + agua + Cloruro de 1-butil-3-
metilimidazolio ([𝐶4 𝑚𝑖𝑚])[𝐶𝑙] y los sistemas binarios correspondientes, aplicando
los conocimientos adquiridos de la asignatura equilibrio de fases como por ejemplo
el uso de diagramas y el equilibrio líquido-vapor, con el fin de estudiar la posibilidad
de separar la mezcla azeotrópica etanol-agua usando el cloruro de 1-butil-3-
metilimidazolio. Cabe mencionar que para predecir la evolución de la composición
azeotrópica de etanol-agua con diferentes cantidades de líquidos iónicos se
utilizaron los parámetros NRLT.

II. Objetivos

Objetivo general

• Analizar el equilibrio líquido-vapor para el sistema ternario etanol + agua+

cloruro de 1-butil-3-metilimidazolio y los sistemas binarios correspondientes
en base a los conocimientos obtenidos en la asignatura.

Objetivos específicos

• Identificar los materiales y reactivos, así como el desarrollo experimental

seguido durante la investigación
• Relacionar los temas abordados en la asignatura con lo planteado en la
investigación
• Comprender la importancia de aplicar los conocimientos teóricos obtenidos
para nuestra formación profesional
• Plantear una futura mejora o adaptación que se pudiera aplicar a lo propuesto
en la investigación

III. Antecedentes

Una mezcla azeotrópica también conocida como azeótropo es una mezcla líquida
de dos o más compuestos químicos que se comporta como si estuviese formada
por un solo componente, presenta la misma composición en el líquido y en el vapor
en equilibrio, este comportamiento de los azeótropos, permite obtener las ventajas
de una mezcla como si esta fuera una sustancia pura o un solo componente y le da
facilidad de manipulación y almacenamiento, cabe destacar que no es posible
modificar la composición de dicha mezcla azeotrópica mediante etapas sucesivas
de evaporación y condensación (destilación fraccionada), por lo cual, podemos
concluir que un azeótropo mantiene su composición y punto de ebullición durante
una destilación. Este comportamiento de los azeótropos se produce cuando una
mezcla hierve o ebulle para producir vapor, el cual, cuenta con la misma
composición del líquido, durante este documento se hace uso de un método que
esta destacando para poder separar este tipo de mezclas.

El etanol tiene gran valor e importancia debido a sus múltiples usos en diversos
sectores tal es el caso del sector farmacéutico donde se usa como excipiente de
algunos medicamentos y cosméticos, es un buen disolvente y desinfectante, puede
incluso utilizarse como anticongelante o como compuesto de partida en la síntesis
de diversos productos, sin embargo, su uso más reciente y por el que ha adquirido
mayor demanda es como combustible y fuente de energía renovable, sin mezclar o
mezclado con gasolina. El etanol se obtiene por la vía fermentativa de azúcares,
dando esto una mezcla azeotrópica de etanol-agua. “La separación de mezclas
azeotrópicas en fracciones de elevada pureza constituye uno de los problemas
técnicos y económicos más importantes y retadores de la industria de procesos
químicos” (Vásquez,2006). La separación de esta mezcla no puede ser por
destilación simple por lo que requiere de métodos especiales, sin embargo, estos
involucran altos costos de capital y de operación o problemas de corrosión y manejo
de sólidos. Por ello y debido al creciente interés en el etanol es necesario buscar
alternativas más viables, como los líquidos iónicos.

La destilación extractiva se utiliza para separar mezclas binarias azeotrópicas, se

adiciona un agente de separación o solvente (sin formar nuevos azeótropos), que
permite la separación al alterar las volatilidades relativas de los componentes. Como
agentes de separación o de arrastre se pueden emplear glicoles, sales disueltas o
líquidos iónicos.

Los líquidos iónicos (LI) son sustancias formadas por iones, algunas de sus
características son que tienen presión de vapor muy baja o indetectable, esto los
hace fácilmente manejables al no evaporarse y permite la utilización de la
destilación son térmicamente estables, dan lugar a una mínima contaminación del
destilado, pueden ofrecer altas selectividades y capacidades debido a la amplia
variedad de líquidos iónicos existentes y a la posibilidad de modificar sus
propiedades variando el catión y anión constituyentes. Éstas y otras propiedades
hacen que los líquidos iónicos se conviertan es una prometedora alternativa para
separar mezclas azeotrópicas en comparación a los agentes de extracción
 convencionales. En esta investigación nos centraremos en el cloruro de 1-butil-3-
metilimidazolio. El estudiar la posibilidad de separar la mezcla etanol-agua usando
este líquido iónico es de importancia ya que podría representar una mejora a los
procesos tradicionales.

IV. Materiales o reactivos

a. Químicos utilizados

Los productos químicos utilizados fueron: etanol con una pureza superior al 99.8%,
agua y el líquido iónico cloruro de 1-butil-3-metilimidazolio.

b. Tratamiento dado a los químicos utilizados

El etanol fue desgasificado ultrasónicamente, secado sobre tamices moleculares

tipo 0.4 nm, y mantenido en una atmósfera inerte1 de argón. El agua fue bidestilada
y desionizada. El LI utilizado en este trabajo fue sintetizado en el laboratorio donde
se llevó a cabo el experimento, se secó calentando de 343.15 K a 353.15 K y agitado
a alto vacío (2*10-1 Pa) por 48 h.

La densidad, viscosidad y el punto de ebullición del etanol y el agua empleados se

muestra en la Tabla 1 donde se compara con los de la literatura a 298.15 K. El IL
no se incluye ya a que a temperatura ambiente es sólido.
Tabla 1 Comparación datos experimentales (exptl) y de la literatura (lit)

V. Desarrollo experimental

Durante los procedimientos se usaron varios aparatos entre ellos

1
Una atmósfera libre de oxígeno y humedad para evitar oxidaciones o descomposiciones de reactivos
y productos. El aire interior se sustituye por el Argón (un gas inerte)
 • Se utilizó un vaso de vidrio de Fischer Labodest modelo 602/D en las
determinaciones de equilibrio.
• El recipiente de equilibrio es un alambique de recirculación dinámica, y está
equipado con una bomba Cottrell.
• Se utilizó para medir la temperatura de equilibrio un termómetro modelo de
Yokogawa 7563 con una incertidumbre de ± 0,01K
• Para la medición de presión se usó un controlador de presión digital Ruska
modelo 7218 con una incertidumbre de 0,01 kPa.
• Se determinó la composición en fase líquida de mezclas binarias por
densidad utilizando un densímetro Anton Paar DSA-5000,con una
incertidumbre de ±2.10-6 g/cm-3.
• La fase de vapor también se midió por la densidad para asegurar que solo el
etanol o el agua se evaporó.
• La composición en fase líquida del sistema ternario se midió por densidad e
índice de refracción.
• La composición de la fase de vapor se midió por densidad
• Para medir los índices de refracción, se utilizó un Abbemat-HP Dr. Kernchen
refractómetro automático con una incertidumbre de 4.10-5.
• Las propiedades físicas de estos sistemas binarios y ternarios fueron
determinados en un trabajo anterior.

VI. Resultados y discusión

Tabla 2 Datos equilibrio líquido vapor del sistema
ethanol+[C4mim][Cl
Los datos del equilibrio líquido vapor
(ELV) de los sistemas binarios
etanol+[C4mim][Cl]2 y
agua+[C4mim][Cl] se presentan en las
tablas 2 y 3, recordemos que estos
datos fueron obtenidos a presión
constante a 101.3 kPa.

2
Cloruro de 1-butil-3-metilimidazolio
Tabla 3 Datos equilibrio líquido vapor del sistema agua+[C4mim][Cl

En las tablas 2 y 3 se
reportan las
temperaturas, las
fracciones molares 𝑥1 y
los coeficientes de
actividad los cuales
expresan la no idealidad
de la solución y están
designados con la letra
gamma 𝛾1

Los datos fueron correlacionados usando la ecuación NRTL (Modelo no aleatorio

de dos líquidos) el cual es un modelo que correlaciona los coeficientes de actividad
𝛾1 de un compuesto con sus fracciones molares 𝑥1 en la fase líquida
correspondiente. El LI fue tratado como un componente no disociativo y se asumió
el comportamiento ideal en la fase de vapor. La correlación se hizo minimizando la
siguiente función:

Donde y es la fracción molar de la fase vapor, nc el

número de componentes, y np es el número de datos
experimentales.
Tabla 4
En la tabla 4 se muestran
los parámetros de
correlación, así como las
desviaciones del valor
cuadrático medio (RMS),
que se calcularon mediante la siguiente función donde Zexp son los valores de la
propiedad y el número de datos np :
 El diagrama 1 muestra la temperatura de
ebullición en función de la fracción molar x1 de
los datos experimentales y calculados, (datos de
las tablas 2 y 3) la línea con puntos representa
a los datos del equilibrio líquido vapor del
sistema binario etanol+ [C4mim][Cl] mientras
que la de triángulos representa los del sistema
binario agua +[C4mim][Cl]. La temperatura de
ebullición va cambiando a medida que varía la
composición del líquido. Esta línea sería la de puntos de burbuja.
Diagrama 1Temperatura de ebullición

En el diagrama 2 podemos observar que los

coeficientes de actividad son menores a uno (Mientras
más se acerque el valor de 𝛾1 a 1, la sustancia se
comportará más como si fuera ideal), lo que nos indica
una desviación negativa de la Ley de Raoult
recordemos que esta considera una solución ideal, lo
que nos indica que las fuerzas de atracción
intermoleculares entre las diferentes moléculas son Diagrama 2 Coeficientes de
mayores a entre moléculas iguales. actividad-composición

En el diagrama 3 se muestra el exceso de la

energía molar de Gibbs calculada de la ecuación
NRTL para ambos sistemas binarios en función de
la fracción molar. Cuando la energía de Gibbs de
exceso de una solución es mayor que cero se dice
que la solución presenta desviaciones positivas de
la idealidad mientras que si es menor que cero se
dice que las desviaciones con respecto a la
idealidad son negativas, como en este caso.

Diagrama 3 Energía de Gibbs molar en exceso

Tabla 5 Datos del ELV del sistema ternario

 En la Tabla 5 se resumen los datos experimentales de VLE del sistema ternario
conformado por etanol + agua + [C4mim] [Cl].
Para poder correlacionar los datos experimentales de
equilibrio de fase de este sistema ternario, se utilizó la
ecuación NRTL. En este caso, la función usada:

Esta función fue elegida ya que hay un amplio rango de

temperaturas estudiado.
Tabla 6

Los parámetros de correlación y las desviaciones rms

calculadas en la correlación de los datos experimentales de
la VLE ternaria se muestran en la Tabla 6.
Con estos parámetros obtenidos de la correlación de los
datos experimentales VLE del sistema ternario, podemos predecir el
comportamiento del sistema ternario dependiendo de la cantidad de IL presente en
la mezcla.

En los diagramas 4 y 5, el ELV predicho que

contiene el sistema azeotrópico EtOH + H2O y
el LI [C4mim][Cl] se presentan de forma
pseudobinaria. En estos, la composición en fase
líquida del
componente de
bajo punto de
ebullición es la
cantidad de esta
sustancia en la
parte volátil de la
Diagrama 4 composición-composición fase líquida. La
concentración de
LI se indica para cada curva por separado. En el
diagrama 4, presentamos el diagrama xy, y el
diagrama 5 muestra el diagrama Txy. Los datos
 experimentales de VLE del sistema binario EtOH + H2O se obtuvieron de la
literatura.
Como se puede observar en estos diagramas, la adición de [C4mim][Cl] a esta
mezcla binaria azeotrópica conduce a un notable aumento de la fracción molar de
vapor del etanol, rompiendo el comportamiento azeotrópico del sistema. Este
fenómeno puede deberse a las interacciones entre el
Diagrama 5 Temperatura-
agua y el [C4mim][Cl], más fuertes que las composición del sistema ternariocon
interacciones entre el etanol y el [C4mim][Cl], distintas concentraciones del LI
disminuyendo la actividad del agua. Este estudio
confirma la capacidad de este IL como un arrastre para la separación de EtOH +
H2O.

Este LI representa una buena alternativa, sin embargo, una mejora a esta
investigación sería analizar otros líquidos iónicos, en otros documentos consultados
pudimos encontrar que “la mayoría de los líquidos iónicos estudiados hasta el
momento como agentes de arrastre para el sistema etanol-agua muestran un efecto
de desplazamiento salino que aumenta la volatilidad relativa del etanol y puede
incluso eliminar el fenómeno azeotrópico con un contenido del líquido iónico
específico” (Castilla, M, 2013), entre los recomendados están el tetrafluoroborato de
1-etil-3-metil-imidazolio [EMIM] que requiere menos energía que el proceso
convencional o el tetrafluoroborato de 1-octil-3-metilimidazolio [C8MIM][BF4]. Con
el fin de obtener resultados más favorables en la separación, o sea, un aumento de
la concentración de etanol en la fase vapor.

VII. Conclusiones

Los líquidos iónicos se están convirtiendo en una nueva alternativa para los
procesos de separación y como nos pudimos dar cuenta al analizar los datos el LI
estudiado es capaz de romper el azeótropo binario EtOH+ H 2O, convirtiéndose en
una nueva alternativa como introductor para este sistema, ganando importancia e
interés como un disolvente verde. Es de destacar que la regeneración del agente
de separación puede ser por varios métodos, debido a la no volatilidad del LI se
puede regenerar por evaporación o secado.

La educación a distancia nos hace perdernos la parte práctica de nuestro

aprendizaje dejándonos solo lo teórico, muchas veces nos cuesta relacionarlo con
sus posibles aplicaciones en un escenario real, es por ello que está actividad nos
permite comprender y dimensionar lo aprendido en un ambiente más cercano a lo
que en un futuro aplicaremos en alguna empresa o industria.
Bibliografía

Calvar, N., González, B., Gómez, E., & Domínguez, Á. (2006). Vapor-Liquid
Equilibria for the Ternary System Ethanol + Water + 1-Butyl-3-methylimidazolium
Chloride and the Corresponding Binary Systems at 101.3 kPa.
https://doi.org/10.1021/je060293x(Articulo de investigación proporcionado por el
profesor)

Castilla, M. (2013). ESTUDIO DE LA SEPARACIÓN ETANOL-AGUA

MEDIANTE LÍQUIDOS IÓNICOS. Upct.es.
https://repositorio.upct.es/bitstream/handle/10317/3764/tfm229.pdf?sequence=1

Cordero, L., & Ones, O. (2016). DESHIDRATACIÓN DE ETANOL

EMPLEANDO LÍQUIDOS IÓNICOS. Scielo.org.
http://ve.scielo.org/pdf/uct/v20n80/art04.pdf

Suárez, A. (2007). Separación de una mezcla binaria etanolagua en columna

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https://journal.universidadean.edu.co/index.php/Revistao/article/download/1444/13
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Vásquez, C. (2006). PRODUCCIÓN DE ETANOL ABSOLUTO POR
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http://www.scielo.org.co/pdf/dyna/v74n151/a06v74n151.pdf