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Diagrama de Fases y Fluidos Supercríticos

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Fabián C

on 19 May 2014

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Transcript of Diagrama de Fases y Fluidos Supercríticos

Equipo 6 - Química Aplicada
Diagrama de Fases y Fluidos Supercríticos
Antecedentes Históricos
Michael Faraday dio inicio al estudio de la licuefacción de los gases, que en ese entonces era algo difícil de comprender.

Faraday licuó los siguientes gases: CO2, SO2, N2O, C2H4, NO, NH3, HCl, Cl2, H2S y HCN.

En sus experimentos, el éxito de la licuefacción de gases vino para gases como el óxido nítrico. Sin embargo, no pudo licuar el H2, el O2, el N2, el CO, los cuales resistieron todos sus intentos.
Diagramas de Fase
Definición
En termodinámica y ciencia de materiales se denomina diagrama de fase o diagrama de estados de la materia, a la representación entre diferentes estados de la materia, en función de variables elegidas para facilitar el estudio del mismo.
Partes de un Diagrama de Fases
Los pares (presión, temperatura) que corresponden a una transición de fase entre:
- Dos fases sólidas: Cambio alotrópico;(Solo metales )
- Entre una fase sólida y una fase líquida: fusión - solidificación;
- Entre una fase sólida y una fase vapor (gas): sublimación - deposición (o sublimación inversa);
- Entre una fase líquida y una fase vapor: vaporización - condensación (o licuefacción).

Punto Triple
El punto triple es aquel en el cual coexisten en equilibrio el estado sólido, el estado líquido y el estado gaseoso de una sustancia. Se define con una temperatura y una presión de vapor.

Punto Crítico
En termodinámica y en fisicoquímica, un punto crítico es aquel límite para el cual el volumen de un líquido es igual al de una masa igual de vapor o, dicho de otro modo, en el cual las densidades del líquido y del vapor son iguales.
La línea de puntos muestra el comportamiento anómalo del agua. La línea verde marca el punto de congelación y la línea azul, el punto de ebullición. Se muestra cómo varían con la presión.
Diagrama de Fases del Agua
Fases de equilibrio del Hierro
Diagrama de Fases del CO2
Diagrama de Fases del Grafito
Aplicación del Diagrama
Fases de equilibrio del Hierro
El hierro tiene a diferencia del agua tres fases sólidas separadas y distintas: hierro alfa, hierro gamma y hierro delta
Puntos triples del Hierro
- Líquido, vapor y Fe Delta
- Vapor, Fe Delta y Fe Gamma
- Vapor, Fe Gamma y Fe Alfa α γ
Cambio de fases
Para una presión constante de 1 atm, el hierro pasa de la fase líquida a la fase de Fe Delta a la temperatura de fusión de 1.539°C. Si continua el enfriamiento de la muestra y a 1.394°C un segundo cambio de fase producirá la transformación de la forma cristalina del Fe Delta a FeγGamma. A 910°C se produce el cambio de fase a Fe Alfa que se mantendrá hasta llegar a temperatura ambiente.
Regla de las Fases de Gibbs
Describe el número de grados de libertad (L) que tiene un sistema cerrado en equilibrio, en términos del número de fases separadas (F), el número de componentes químicos (C), y el número de variables no composicionales (N).
Ejemplo de la Regla de las Fases
DIAGRAMA DE FASES DEL AGUA
Punto de enfoque: Punto Triple
Fases presentes (F): 3
Componentes químicos (C): 1
Variables (N): 2
Resolución de la Ecuación
L + 3 = 1 + 2  L = 0
Fluidos Supercríticos
Definición
Un Fluido se considera Supercrítico cuando ha rebasado la presión y temperatura críticas.
Comportamiento molecular
El comportamiento molecular de un fluido supercrítico es:
- Para el gas, se encuentra a una presión tan elevada que sus moléculas están tan juntas que no se distingue de un liquido.
- Para el liquido, se encuentra a tan elevada temperatura que sus moléculas están tan separadas que no se distingue de un gas.
Un Fluido Supercrítico tiene propiedades tanto de un gas como de un liquido.
La propiedad que posee de un líquido es que funciona como disolvente y la propiedad de un gas es que tiene la capacidad de difusión.
Teniendo estas propiedades dobles es imposible su licuefacción y su compresión además su viscosidad es nula.
Aplicaciones para fluidos supercríticos
¿Es un Gas?, ¿Es un líquido?, ¡No!,
¡Es Supercrítico!
Proceso de Extracción por Fluidos Supercríticos
Es una técnica de separación de sustancias disueltas o incluidas en una matriz.

También es una forma de obtener los diferentes compuestos de una solución en un estado puro.
Ventajas
- Se usan temperaturas moderadas.
- Su alta volatilidad permite su fácil eliminación además asegura bajos niveles de solvente residual en el producto final.
- La extracción se realiza sin cambios de Fase.
- Se mejoran las propiedades de transporte, lo que facilita el proceso de extracción.

Desvetajas
- El equilibrio de fase entre soluto y solvente puede ser complicado.
- Las altas presiones dificultan la adición continua de sólidos al extracto.
- Los costos de operación son elevados y se necesita una alta inversión.
- Baja disponibilidad de equipos y reducido desarrollo de diseño.
- Altos costos de mantenimiento.
Características
- Densidad: 2267 kg/m3
- Punto de fusión:
- Diamante: 3823 °k
- Grafito: 3800 °k
- Punto de ebullición:
- Grafito: 5100 °k
Entalpía de evaporización:
- Grafito,sublima: 711K kJ/mol
- Entalpía de fusión:
- Grafito, sublima: 105K kJ/mol
TIPOS DE EXTRACCIÓN
Extracción Discontinua. Extracción Sólido-Líquido. La desventaja es que se requiere de compresión y descompresión continua.
TIPOS DE EXTRACCIÓN
Extracción Continua. Procesos de extracción tipo líquido-líquido.
PROCESO DE EXTRACCIÓN
El proceso de extracción puede dividirse en cuatro etapas principales:

1. Presurización.
2. Ajuste de temperatura.
3. Extracción.
4. Separación.
ESQUEMA DE UN PROCESO DE EXTRACCIÓN POR FLUIDOS SUPERCRÍTICOS
1. TANQUE DE ALMACENAMIENTO; 2. INTERCAMBIADOR DE CALOR; 3. BOMBA; 4. INTERCAMBIADOR DE CALOR; 5. CÁMARA EXTRACTORA; 6. VÁLVULA; 7. INTERCAMBIADOR DE CALOR; 8. SEPARADOR.
CROMATOGRAFÍA DE FLUIDOS SUPERCRÍTICOS
La cromatografía de fluidos supercríticos es un híbrido entre la cromatografía de líquidos y de gases, permite la separación de compuestos que no permiten las otras técnicas, como compuestos no volátiles o térmicamente inestables.
PRODUCCIÓN DE BIODIESEL
El uso de metanol supercrítico permite la síntesis de biodiesel sin necesidad de utilizar catalizador. Con esta estrategia se evitan algunos de los problemas presentes en la síntesis tradicional (formación de jabones por la presencia de ácidos grasos libres o los inconvenientes de la separación del catalizador). Además se evitan las etapas de separación y purificación con el ahorro económico y energético que esto conlleva. También se mejora la transferencia de materia.
AGUA SUPERCRÍTICA
DENSIDAD
Constante dieléctrica
Producto iónico
VISCOSIDAD
aplicaciones del agua supercrítica
OXIDACIÓN CON AGUA SUPERCRÍTICA (OASC)
El proceso OASC viene a eliminar los principales inconvenientes propios de la oxidación húmeda gracias a las especiales propiedades que presenta el agua como medio de reacción en condiciones supercríticas, comentadas anteriormente.
PROCESO DE OXIDACIÓN CON AGUA SUPERCÍTICA
1. Acondicionamiento de la alimentación presurización.
La corriente acuosa de alimentación, que contiene compuestos orgánicos y/o inorgánicos, ha de bombearse hasta la presión de operación (aproximadamente 240 bares) antes de entrar en el reactor.
2. Precalentamiento
Las corrientes de alimentación y oxidante se hacen pasar por sendos intercambiadores de calor por los que fluye el efluente de salida a alta temperatura.
3. Reacción
La mezcla de las corrientes de oxidante y residuo orgánico a elevada temperatura en el reactor origina una rápida reacción exotérmica que aumenta aún más la temperatura de la mezcla, acelerando el proceso de oxidación que se completa en tiempos de residencia muy reducidos.
4. Formación de sales y separación
El sistema debe estar diseñado para separar las sales, presentes inicialmente en la alimentación o formadas durante la reacción, puesto que precipitan debido a su insolubilidad en agua supercrítica.
5. Enfriamiento
El efluente de salida presenta un exceso de energía térmica por lo que, además de precalentar las líneas de alimentación, puede ser objeto de un aprovechamiento energético.
6. Despresurización
Una vez enfriado el efluente, se separa en una fase líquida y otra gaseosa. Esta separación debe llevarse a cabo en varias etapas para minimizar el desgaste de las válvulas y optimizar el proceso de separación.
7. Purificación del agua de salida
Debido a la naturaleza corrosiva del medio de reacción y al hecho de que los metales pesados están presentes en muchos residuos, pueden aparecer en el efluente trazas metálicas de Cr, Ni, Zn, Hg, etc.
Conversión hidrotérmica de la biomasa
La conversión hidrotérmica subcrítica de la biomasa se desarrolla por un mecanismo de reacción de iones y radicales libres donde se produce mayoritariamente reacciones de pirolisis, hidrólisis y polimerización.
Oxidación de compuestos orgánicos peligrosos
El agua supercrítica es miscible tanto con oxígeno como con compuestos orgánicos, con lo que se puede lograr altos coeficientes de destrucción en un tiempo de residencia en el reactor muy corto.
Tratamiento de aguas residuales procedentes de la destrucción de envases de productos fitosanitarios
En este procedimiento se llevan a cabo las reacciones de hidrólisis y oxidación de tres compuestos representativos de herbicidas, insecticidas, fungicidas. Se introducen innovaciones y mejoras en el tratamiento de envases de productos fitosanitarios.
dióxido de carbono supercrítico
APLICACIONES DEL HIERRO A DIFERENTES CONDICIONES DE PRESIÓN Y TEMPERATURA
1. Obtención del acero
2. Obtención del hierro fundido
Aplicaciones del dióxido de carbono supercrítico
Aplicaciones del carbono
- Datación radiométrica.
- El diamante se utiliza para fabricar joyas y como material de corte aprovechando su dureza.
- Elemento de aleación principal de los aceros.
- En varillas de protección de reactores nucleares.
- Absorber las toxinas del sistema digestivo
Diamantes sintéticos
Métodos:
- El método de alta presión alta temperatura HPHT
- Deposición química de vapor
- Detonación de explosivos
- Cavitación por Ultrasonido

El fraccionamiento de bebidas para desalcoholización, la mejora de propiedades de alimentos (desgrasado de alimentos, extracción de colesterol de aceites, carnes y lácteos, la descafeinización del café, de tabaco sin nicotina.
Obtención de extractos herbales a partir de plantas aromáticas, aportar aquella materia extraída de alto valor añadido vitaminas, aditivos, aromas la obtención de antioxidantes naturales de plantas (salvia y romero) o de tocoferoles (soya), la obtención de aceites esenciales y perfumes (usados en alimentos y cosmética).
El fraccionamiento de productos pesados del petróleo y la descontaminación de aguas residuales
Gracias por su atención.
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