Unidad 2 Cálculo de Fugacidad y Representación del Equilibrio para Componentes Puros Dos nuevas propiedades termodinámicas, fugacidad y coeficiente de fugacidad para sistemas de sólo un componente, son presentadas en esta Unidad. Se entregan herramientas para el cálculo de ambas propiedades, para los tres estados de la materia; sólido, líquido y vapor. Una nueva representación del equilibrio es analizada sobre la base de la fugacidad y el coeficiente de fugacidad. 2.1 Fugacidad y Coeficiente de Fugacidad Se ha mencionado en las unidades previas que la propiedad termodinámica preferentemente empleada para la representación del equilibrio es la energía libre de Gibbs. Se hace necesario entonces obtener una expresión de G en términos de las variables del sistema que puedan ser fácilmente mediadas, e.g., temperatura, presión. Considérese un sistema cerrado, homogéneo y de sólo un componente, identificado como componente i, tal como el presentado en la Figura 2.1. Figura 2.1 Sistema cerrado conteniendo un fluido puro i, homogéneo. Se verifica: =V dP − S dT dG i i i Se especifica un valor de temperatura en el sistema, el cual no sufre modificaciones durante el proceso, de manera de permanecer constante. =V dP dG i i (T especificada y constante) Si el sistema se encuentra en fase gaseosa, y puede ser considerado como un gas ideal (GI), se verifica. GI = RT P V i (T constante) Cálculo de Fugacidad y Representación del Equilibrio para Componentes Puros GI = RTd ln P dG i (T constante) Esta última expresión sólo tiene validez si el sistema se comporta como un gas ideal. Sin embargo el objetivo es disponer de herramientas que sean útiles para cualquier condición del fluido, en particular para gases reales. Cabe también mencionar que para el sistema considerado en la Figura 2.1, de acuerdo a la regla de las fases de Gibbs, es necesario especificar dos variables para establecer las condiciones del sistema. Considérese como variables seleccionadas temperatura y presión. Recuérdese que la condición de ideal o real de un gas, está en general determinada por el valor de presión. El objetivo es mantener la simplicidad matemática de la ecuación para el cálculo de G, pero que no se pierda consistencia física, i.e., pueda ser empleada para gases reales o ideales. ≠ RTd ln P REAL dG i (T constante) * La solución se encuentra definiendo un parámetro denominado presión modificada: P , valor hipotético de presión que el componente i puro ejercería dentro del recipiente cerrado (Figura 2.1), y verificaría la igualdad en la relación utilizada para la determinación de la energía libre de Gibbs. = RTd ln P* dG i (T constante) La determinación de la presión modificada se realiza empleando la teoría de perturbación, i.e., como resultado de la multiplicación del valor de la presión real del sistema (P, considerado como valor referencial), con el factor de corrección φ . Factor de Corrección P∗ = φP Valor Real de la presión en el sistema (T constante) Valor Modificado de la presión Por simplicidad, G. N. Lewis (USA, 1875-1942) denominó fugacidad ( fi ) a la presión modificada P* . P∗ = fi = φP = RTd ln f dG i i (T constante) Para resolver esta última ecuación diferencial, y calcular valores absolutos de la energía libre de Gibbs, es necesario disponer de valores de referencia conocidos de la fugacidad. Si dentro del recipiente de la Figura 2.1 hay un gas ideal. f i GI = φGI P GI fi GI = P GI φGI = 1 (T constante) 8 Cálculo de Fugacidad y Representación del Equilibrio para Componentes Puros Puede entonces establecerse como el estado de referencia, el gas ideal. En esta condición, el factor de corrección es igual a la unidad. Lim P →0 fi = φiGI = 1 P (T constante) Se establece entonces la definición completa de fugacidad mediante dos ecuaciones: = RTd ln f dG i i Lim P →0 fi = φiGI = 1 P (T constante) (T constante) El parámetro de corrección o perturbación ( φi ) es denominado coeficiente de fugacidad. φi = fi P (T constante) La Figura 2.2 presenta el comportamiento de la fugacidad y coeficiente de fugacidad del vapor de agua versus la presión a 300 °C. En estas condiciones de temperatura la presión de saturación es 9 MPa. De la figura se puede observar que al incrementarse la presión, la curva que representa la fugacidad se desvía cada vez más del comportamiento ideal (línea punteada). Cuando la presión del vapor sobrepasa la presión de saturación, la fugacidad presenta un marcado cambio en la pendiente. El vapor se ha transformado en agua líquida, y como ocurre en general para la mayoría de los líquidos, sus propiedades no se ven afectadas en gran medida por la presión. El coeficiente de fugacidad decrece rápidamente así como se incrementa la presión, desde la unidad a presión cero. La posterior disfunción a presiones mayores que la de saturación de debe a al valor aproximadamente constante de la fugacidad. El coeficiente de fugacidad está relacionado con las propiedades residuales, al considerar una corrección del comportamiento ideal. − dG GI = RT ( d ln f − d ln P ) dG i i i ( ) −G GI = dG R = RTd ln f i = RTd ln φ d G i i i i P (T constante) (T constante) Ecuación diferencial y condiciones de bode que son requeridas para resolver el problema. R = RTd ln φ dG i i (T constante) R = 0 ; φGI = 1 Condiciones de Borde: Gas Ideal: G i 1 (T constante) Como solución a la ecuación diferencial se propone: G iR = RT ln φi + ln C ( T ) (T constante) 9 Cálculo de Fugacidad y Representación del Equilibrio para Componentes Puros C (T ) = 1 (T constante) R RT ln φi = G i (T constante) 1 8 f i Sat 0.9 7 0.8 6 0.7 5 0.6 fi = P f i × 10 −3 [kPa ] 4 φ Sat i 0.5 φi 0.4 3 0.3 2 0.2 T = 300 °C 1 0.1 0 0 0 2 4 6 P × 10 − 3 [kPa ] 8 10 PiSat Figura 2.2 Fugacidad y coeficiente de fugacidad del vapor de agua a 300 °C. El cálculo de la energía libre de Gibbs residual proporciona el camino para determinar el coeficiente de fugacidad de componentes puros. Para el sistema de la Figura 2.1, la variación de la energía libre de Gibbs entre dos condiciones de presión; P1 y P2, puede ser calculada empleando la expresión: =V dP dG i i (T especificada y constante) ( T, P ) − G ( T, P ) = P2 V G ∫P i dP i 2 i 1 (T constante) 1 Si se verifica que el fluido se comporta como un gas ideal: GI ( T, P ) − G GI ( T, P ) = P2 RT dP G ∫P1 P i 2 i 1 (T constante) Se establece que la presión P1 es cercana a cero, con lo cual el fluido puede ser efectivamente considerado un gas ideal. 10 Cálculo de Fugacidad y Representación del Equilibrio para Componentes Puros ( T, P = 0 ) = G GI ( T, P = 0 ) G i 1 i 1 (T constante) P2 ⎛ ( T, P ) − G ( T, P = 0 ) ⎤ − ⎡G GI GI RT ⎞ ⎡⎣ G i 2 i 1 ⎦ ⎣ i ( T, P2 ) − G i ( T, P1 = 0 ) ⎤⎦ = ∫P1 =0 ⎜⎝ Vi − P ⎟⎠ dP RT ⎞ ( T, P ) − G GI ( T, P ) = P ⎛ V G ∫0 ⎜ i − P ⎟ dP i i ⎝ ⎠ (T constante) RT ⎞ R ( T, P ) = P ⎛ V G ∫0 ⎜ i − P ⎟ dP i ⎝ ⎠ (T constante) P⎛ − RT ⎞ dP RT ln φi = ∫0 ⎜ V i ⎟ P ⎠ ⎝ (T constante) ⎡ 1 P ⎛ RT ⎞ ⎤ φi = exp ⎢ ∫0 ⎜ Vi − P ⎟ dP ⎥ ⎠ ⎦ ⎣ RT ⎝ (T constante) ⎡ 1 P ⎛ RT ⎞ ⎤ fi = P exp ⎢ ∫0 ⎜ Vi − P ⎟ dP ⎥ ⎠ ⎦ ⎣ RT ⎝ (T constante) Es claro al considerar las dos últimas ecuaciones que: fi P → 1; P → 0 . P → 0; f i → P , y análogamente 2.2 Equilibrio entre Fases y Fugacidad Para un sistema constituido por sólo un componente, que se encuentra presente en dos fases en equilibrio, e.g., líquido y vapor, se verifica: TV = TL = T Sat P V = P L = P ⎡⎣ = Pi ( T ) ⎤⎦ V ( T, P ) = G L ( T, P ) G i i La igualdad de la energía libre de Gibbs de ambas fases en equilibrio puede ser expresada en términos de las fugacidades correspondientes. V G i fiV G i fi ∫L dG i = RT ∫L d ln fi V V −G L = RT ln fi = 0 G i i fi L (T constante) (T constante) En términos de fugacidad la condición de Equilibrio para sistemas de un solo componente queda establecida. 11 Cálculo de Fugacidad y Representación del Equilibrio para Componentes Puros Sat P V = P L = P ⎡⎣ = Pi ( T ) ⎤⎦ TV = TL = T f i V ( T, P ) = f i L ( T, P ) Una expresión igualmente útil se obtiene cuando el equilibrio se representa con el coeficiente de fugacidad. fi L = PiSat φiL fi V = PiSat φiV Sat P V = P L = P ⎡⎣ = Pi ( T ) ⎤⎦ TV = TL = T φiV ( T, P ) = φiL ( T, P ) Se interpreta la fugacidad para componentes puros como una presión de saturación corregida. En efecto, recuérdese que la PiSat representa la volatilidad, el grado de capacidad que poseen las moléculas de escapar de la fase líquida hacia la fase vapor, y viceversa, cuando el sistema se encuentra en condición de equilibrio. De acuerdo a esto último, el sentido físico de la fugacidad puede entenderse como la capacidad de fuga efectiva que tienen las moléculas desde una fase a otra. Obsérvese que la fugacidad está directamente asociada con la transferencia de materia de una fase a otra. El cálculo de la fugacidad (coeficiente de fugacidad), requiere disponer de una ecuación de estado explicita en volumen, función de la temperatura y la presión. Sin embargo, en general las ecuaciones de mayor utilidad son funciones implícitas en volumen, como ocurre con las ecuaciones de estado cúbicas. Por el contrario, es fácil disponer de relaciones de propiedades volumétricas explicitas en presión. Es más útil disponer de una integral en volumen, en lugar de presión. dP = 1 ) − P dV d ( PV V V (T constante) dP = P RT ) − P dV d ( PV PV RT V (T constante) dP = P P dZ − dV Z V (T constante) = ∞ : Z =1 Condición de gas ideal: P = 0 : V ln φi = 1 ⎡ − RT dZ + RT dV ⎤ − RTdZ PdV ∫⎢ ⎥ RT ⎣ Z V ⎦ dZ 1 V ⎡ RT ⎤ + ∫ =∞ ⎢ − P ⎥dV V RT ⎣ V ⎦ 1 Z Z ln φi = ∫1 dZ − ∫ Z ln φi = ln (T constante) fi 1 V ⎡ RT ⎤ = ( Z − 1) − ln Z + ∫ =∞ ⎢ − P ⎥dV V P RT ⎣V ⎦ (T constante) (T constante) 12 Cálculo de Fugacidad y Representación del Equilibrio para Componentes Puros 2.3 Efectos de la Temperatura sobre la Fugacidad Considérese el efecto de modificar la temperatura del fluido sobre la fugacidad, manteniendo la presión constante. −G GI = RT ln f i G i i P −G GI ⎤ ∂ ⎡G ∂ ⎡ fi ⎤ i i ln ⎢ ⎥ = ∂T ⎣ RT ⎦ P ∂T ⎢⎣ P ⎥⎦ P −G GI ⎤ −H GI ⎤ ∂ ⎡G ∂ ⎡H ∂ ⎡ S i − S iGI ⎤ i i i i = − ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ∂T ⎣ RT ⎦ P ∂T ⎣ RT ⎦ P ∂T ⎣ R ⎦ P −G GI ⎤ ∂ ⎡G 1 ∂ i i GI ⎤ − 1 ⎡ H −H GI ⎤ − 1 ∂ ⎡ H −H GI ⎤ ⎡⎣ Hi − H i ⎦P i ⎦P i i ⎦P ⎢ ⎥ = 2 ⎣ i ⎣ ∂T ⎣ RT ⎦ P RT ∂T RT RT ∂T −G GI ⎤ −H GI R ∂ ⎡ fi ⎤ ∂ ⎡G H H i i i i i ln = = − = − ⎢ ⎥ 2 ⎢ ⎥ RT RT 2 ∂T ⎣ P ⎦ P ∂T ⎣ RT ⎦ P 2.4 Cálculo de Fugacidad para Gases y Vapores Puros Para computar la fugacidad de gases y vapores existen entre otras alternativas a emplear: datos volumétricos (P, V, T); información sobre energía libre de Gibbs; ecuaciones de estado; correlaciones generalizadas. Considérese le empleo de información volumétrica para el cálculo de la fugacidad. En efecto, de − RT P , entre valores de acuerdo a la definición de fugacidad, corresponde integrar el término V presión cercana a cero, y el valor establecido para el que se desea determinar la fugacidad. ⎡ 1 P ⎛ RT ⎞ ⎤ fi = P exp ⎢ ∫0 ⎜ Vi − P ⎟ dP ⎥ ⎠ ⎦ ⎣ RT ⎝ (T constante) El cálculo de la fugacidad utilizando propiedades residuales puede llevarse a cabo cuando se dispone de información de energía libre de Gibbs. −G GI ⎤ ⎡G i fi = P exp ⎢ i ⎥ ⎣ RT ⎦ En términos generales, la información disponible corresponde a valores de entalpía y entropía del fluido. Asimismo, en conveniente considerar que a presiones cercanas pero inferiores a un bar, el fluido obedece a un comportamiento de tipo ideal. ( T, P ) ; H i GI ( T, P → 0 ) H i S i ( T, P ) ; S iGI ( T, P → 0 ) 13 Cálculo de Fugacidad y Representación del Equilibrio para Componentes Puros ⎡ 1 GI ) − 1 S − S GI ⎤ fi = P exp ⎢ Hi − H ( i i i ⎥⎦ R ⎣ RT ( ) Una metodología simple, pero de menor exactitud, es el uso de correlaciones generalizadas, así la Figura 2.3, carta de coeficiente de fugacidad generalizada (dos parámetros), permite estimar el coeficiente de fugacidad a través de la temperatura y presión reducidas. φi = φ ( Tr , Pr ) Figura 2.3 Carta de coeficiente de fugacidad generalizada (dos parámetros). El enfoque utilizado por Lee-Kesler para el cálculo del factor de compresibilidad puede también ser aplicado al coeficiente de fugacidad, adicionando como tercer parámetro el factor acéntrico (ω) de Pitzer. φi = φ ( Tr , Pr , ω) = φ(i 0) ( Tr , Pr ) ⎡⎣φ(i1) ( Tr , Pr ) ⎤⎦ ω Los términos φi( 0) ( Tr , Pr ) y φi(1) ( Tr , Pr ) son funciones generalizadas de la temperatura y presión reducidas. Las figuras 2.4 y 2.5 informan la dependencia de ambos términos con los correspondientes valores de presión y temperatura reducidas. 14 Cálculo de Fugacidad y Representación del Equilibrio para Componentes Puros Figura 2.4 Función generalizada φ(i 0 ) ( Tr , Pr ) . Las ecuaciones de estado son una herramienta especialmente útil para la determinación de fugacidad de gases y vapores, por su capacidad para representar su comportamiento volumétrico. fi V 1 V = ZV RT P ⎡ RT ⎤ ln = ( ZV − 1) − ln ZV + − P ⎥dV ∫ =∞ V ⎢ P RT ⎣ V ⎦ (T constante) A baja o moderada presión, la ecuación del virial puede ser utilizada, truncada en el segundo coeficiente. ZV = 1 + B′ V ln fi V 2PB′ = V − ln ZV P Z RT (T constante) ZV = 1 + BP RT ln fi V PB = P RT (T constante) 15 Cálculo de Fugacidad y Representación del Equilibrio para Componentes Puros Figura 2.5 Función generalizada φ(i1) ( Tr , Pr ) . Para presiones elevadas las ecuaciones cúbicas son exitosamente empleadas en la determinación de la fugacidad de componentes puros. van der Waals: ln fi V A = ( ZV − 1) − ln ( ZV − B) − V P Z ( ( ) ) ⎡ ZV + 1 + 2 B ⎤ fi V A V V ⎥ Peng-Robinson: ln ln ⎢ = ( Z − 1) − ln ( Z − B ) − P 2 2B ⎢ ZV + 1 − 2 B ⎥ ⎣ ⎦ A = aP ( RT ) 2 B = Pb RT El cálculo debe ser realizado para condiciones de temperatura y presión específicas, sin embargo, se debe tener en cuenta que no es un cálculo directo. Es necesario previamente resolver el polinomio cúbico, para obtener los valores del factor de compresibilidad Z, sobre la base de que son conocidos los parámetros críticos y el factor acéntrico del fluido. En vista que la ecuación es válida tanto para vapores sobrecalentados como saturados, se requiere verificar en este último caso que el valor de Z empleado 16 Cálculo de Fugacidad y Representación del Equilibrio para Componentes Puros sea efectivamente el que corresponde al vapor, y no al líquido saturado. Ello se verifica teniendo en cuenta que los factores de compresibilidad de los gases o vapores son superiores a los de los líquidos. 2.5 Cálculo de Fugacidad para Líquidos Puros El empleo de ecuaciones de estado es una metodología muy utilizada para el cálculo de la fugacidad de líquidos. ln fi L 1 V = ZL RT P ⎡ RT ⎤ = ( ZL − 1) − ln ZL + − P ⎥dV ∫ =∞ V ⎢ P RT ⎣ V ⎦ van der Waals: ln (T constante) fi L A = ( ZL − 1) − ln ( ZL − B) − L P Z ( ( ) ) ⎡ ZL + 1 + 2 B ⎤ fi L A L L ⎥ Peng-Robinson: ln = ( Z − 1) − ln ( Z − B ) − ln ⎢ P 2 2B ⎢ ZL + 1 − 2 B ⎥ ⎣ ⎦ Como se ha mencionado para gases, se debe verificar que el factor de compresibilidad empleado, corresponde efectivamente a la fase líquida. Una alternativa para modelos como el de Peng-Robinson, que no son del todo exactos en la representación del volumen molar de líquidos, es emplear un cálculo en dos etapas. fi L L GI ( T, P ) RT ln = G i ( T, P ) − G i P (T constante) Sat Sat Sat L ( T, P ) − G GI ( T, P ) = ⎡G L LSat VSat ⎤ ⎡ LSat ⎤ G i i ⎣ i ( T, P ) − G i ( T, Pi ) ⎦ + ⎣ G i ( T, Pi ) − G i ( T, Pi ) ⎦ + VSat ( T, PSat ) − G GI ( T, P ) ⎤ + ⎡⎣G i i i ⎦ L L ( T, P ) − G LSat ( T, PSat ) = G ∫ V i dP i i i Sat P Pi (T) LSat ( T, PSat ) − G VSat ( T, PSat ) = 0 G i i i i Sat VSat ( T, PSat ) − G GI ( T, P ) = ⎡ G VSat GI GI ⎤ ⎡ GI ⎤ G i i i ⎣ i ( T, Pi ) − G i ( T, P = 0 ) ⎦ − ⎣G i ( T, P ) − G i ( T, P = 0 ) ⎦ PSat ( T ) P i RT ⎡ V RT ⎤ VSat ( T, PSat ) − G GI ( T, P ) = G V − dP − dP ∫ ⎢ i ∫ i i i ⎥ P ⎦ ⎣ 0 PiSat ( T ) P Sat Pi P fL L dP + RT ln i = ∫ V i P PiSat ( T ) (T) P RT ⎡ V RT ⎤ − − V dP dP ∫ ⎢ i ∫ P ⎥⎦ ⎣ 0 PiSat ( T ) P (T constante) 17 Cálculo de Fugacidad y Representación del Equilibrio para Componentes Puros RT ln Sat P fi L L dP + RT ln fi − RT ln P = ∫ V i P PiSat ( T ) PiSat PiSat ⎡ 1 P ⎤ L dP ⎥ fi L ( T, P ) = fi Sat ( T ) exp ⎢ V ∫ i ⎣⎢ RT PiSat ( T ) ⎦⎥ (T constante) (T constante) En general es de utilidad considerar la fugacidad del fluido en la condición de saturación o equilibro, de la cual generalmente es posible encontrar información experimental. La expresión exponencial de la ecuación es denominada factor de corrección de presión Poynting (J. H. Poynting, UK, 1852-1914). ⎡ 1 P ⎤ dP ⎥ POYi = exp ⎢ V ∫ i ⎢⎣ RT PiSat ( T ) ⎥⎦ fi L ( T, P ) = fi Sat ( T ) POYiL (T constante) Para líquidos subenfriados, en general el volumen molar puede ser considerado independiente de la presión. L ( P − PSat ( T ) ) ⎤ ⎡V i i ⎥ POY ≈ exp ⎢ RT ⎢⎣ ⎥⎦ L i fi L ( T, P ) = fi Sat L ( P − PSat ( T ) ) ⎤ ⎡V i i ⎥ ( T ) exp ⎢ RT ⎢⎣ ⎥⎦ (T constante) En general, la corrección de Poynting es importante a altas presiones, es decir, cuando la presión a la que está sometido el líquido es muy diferente a la de saturación. fi L ( T, P ) ≈ fi Sat ( T ) (T constante) 2.6 Cálculo de Fugacidad para Sólidos Puros Con un análisis análogo al presentado para líquidos subenfriados, se puede demostrar que la determinación de la fugacidad para sólidos puros se puede llevar a cabo empleando: S ( P − PSat ( T ) ) RT ⎤ fi S ( T, P ) = fi Sat ( T ) exp ⎡⎣ V i i ⎦ (T constante) La selección de una trayectoria desde la fase sólida hacia la fase vapor, requiere cruzar la frontera de sublimación del sólido. Por ello PiSat corresponde a la presión de saturación del sólido en presencia de vapor (sublimación). 18 Cálculo de Fugacidad y Representación del Equilibrio para Componentes Puros 2.7 Cálculo del Equilibrio Líquido-Vapor de Compuestos Puros Se demostró en párrafos anteriores que la condición para verificar el estado de equilibrio líquido-vapor, i.e., igualdad de energía libre de Gibbs entre ambas fases, es equivalente a la igualdad de fugacidades entre las fases. En vista que se dispone de herramientas para el cálculo directo de la fugacidad como las ecuaciones de estado cúbicas, la determinación de las condiciones de equilibrio (temperatura o presión), pueden ser fácilmente obtenidas. La Figura 2.6 presenta un diagrama de flujo que sugiere la metodología de cálculo que debería utilizarse. El carácter iterativo de la metodología propuesta hace necesario disponer de herramientas computacionales en el uso práctico. Leer Tc, Pc, ω Calcular a y b de la EoS seleccionada ( ) Leer T, y estimar el primer valor (k = 1) de PiSat k Calcular parámetros A y B de la EoS Resolver la EoS, obtener ZiL y ZiV Calcular f i V empleando ZiV Calcular fi L empleando ZiL Verificar: (P ) Sat k +1 i = ( PiSat ) k fi L fi V fi L − 1 < 0.0001 fi V ELV No T = TV [= T] L Si P L = P V ⎡⎣ = PiSat ( T ) ⎤⎦ f i L = fi V = f i Sat Figura 2.6 Cálculo de ELV para componentes puros, empleando fugacidad. 19