Hispanopedia WikiUna mezcla zeotrópica , o mezcla no azeotrópica, es una mezcla con componentes líquidos que tienen diferentes puntos de ebullición . [ 1 ] Por ejemplo, una mezcla de nitrógeno, metano, etano, propano e isobutano constituye una mezcla zeotrópica. [ 2 ] Las sustancias individuales dentro de la mezcla no se evaporan ni se condensan a la misma temperatura que una sustancia. En otras palabras, la mezcla tiene un deslizamiento de temperatura, ya que el cambio de fase ocurre en un rango de temperatura de aproximadamente cuatro a siete grados Celsius, en lugar de a una temperatura constante. [ 3 ] En los gráficos de temperatura-composición, este deslizamiento de temperatura puede verse como la diferencia de temperatura entre el punto de burbuja y el punto de rocío . [ 4 ] Para las mezclas zeotrópicas, las temperaturas en la curva de burbuja (ebullición) están entre las temperaturas de ebullición de los componentes individuales. Cuando una mezcla zeotrópica hierve o se condensa, la composición del líquido y del vapor cambia de acuerdo con el diagrama de temperatura-composición de la mezcla. [ 5 ] Las mezclas zeotrópicas presentan características diferentes en la ebullición nucleada y convectiva , así como en el ciclo Rankine orgánico . Debido a que las mezclas zeotrópicas tienen propiedades distintas a las de los fluidos puros o las mezclas azeotrópicas , poseen numerosas aplicaciones únicas en la industria, concretamente en los procesos de destilación, refrigeración y limpieza.
Puntos de rocío y burbujas
En las mezclas de sustancias, el punto de burbuja es la temperatura del líquido saturado, mientras que la temperatura del vapor saturado se denomina punto de rocío. Debido a que las líneas de burbuja y rocío del diagrama de temperatura-composición de una mezcla zeotrópica no se cruzan, una mezcla zeotrópica en su fase líquida tiene una fracción de un componente diferente a la de la fase gaseosa de la mezcla. En un diagrama de temperatura-composición, después de que una mezcla en su fase líquida se calienta hasta la temperatura de la curva de burbuja (ebullición), la fracción de un componente en la mezcla cambia a lo largo de una línea isotérmica que conecta la curva de rocío con la curva de ebullición a medida que la mezcla hierve. [ 4 ]
A cualquier temperatura dada, la composición del líquido es la composición en el punto de burbuja, mientras que la composición del vapor es la composición en el punto de rocío. [ 5 ] A diferencia de las mezclas azeotrópicas, no hay un punto azeotrópico a ninguna temperatura en el diagrama donde las líneas de burbuja y de rocío se intersequen. [ 4 ] Por lo tanto, la composición de la mezcla siempre cambiará entre las fracciones de componentes del punto de burbuja y del punto de rocío al hervir de un líquido a un gas hasta que la fracción másica de un componente alcance 1 (es decir, la mezcla zeotrópica se separa completamente en sus componentes puros). Como se muestra en la Figura 1 , la fracción molar del componente 1 disminuye de 0,4 a alrededor de 0,15 a medida que la mezcla líquida hierve a la fase gaseosa.
Deslizamientos de temperatura
El deslizamiento de temperatura es la diferencia entre el punto de burbuja y el punto de rocío. Las distintas mezclas zeotrópicas presentan distintos deslizamientos de temperatura. Por ejemplo, la mezcla zeotrópica R152a/R245fa tiene un deslizamiento de temperatura mayor que la R21/R245fa. [ 6 ] Una mayor diferencia entre los puntos de ebullición genera un mayor deslizamiento de temperatura entre la curva de ebullición y la curva de rocío para una fracción másica dada. Sin embargo, en cualquier mezcla zeotrópica, el deslizamiento de temperatura disminuye cuando la fracción másica de un componente se aproxima a 1 o 0 (es decir, cuando la mezcla está casi separada en sus componentes puros) debido a que las curvas de ebullición y rocío se acercan a estas fracciones másicas. [ 4 ]
Una mayor diferencia en los puntos de ebullición entre las sustancias también afecta las curvas de rocío y burbujas del gráfico. Una mayor diferencia en los puntos de ebullición produce un mayor desplazamiento en las fracciones de masa cuando la mezcla hierve a una temperatura dada. [ 4 ]
Mezclas zeotrópicas frente a mezclas azeotrópicas
Las mezclas azeotrópicas y zeotrópicas presentan características diferentes en las curvas de rocío y burbujas en un gráfico de temperatura-composición. En concreto, las mezclas azeotrópicas tienen curvas de rocío y burbujas que se cruzan, mientras que las zeotrópicas no. En otras palabras, las mezclas zeotrópicas carecen de puntos azeotrópicos. [ 4 ] Una mezcla azeotrópica cercana a su punto azeotrópico presenta un comportamiento zeotrópico insignificante y es casi azeotrópica, en lugar de zeotrópica. [ 5 ]
Las mezclas zeotrópicas se diferencian de las mezclas azeotrópicas en que las fases de vapor y líquido de una mezcla azeotrópica tienen la misma proporción de componentes. Esto se debe al punto de ebullición constante de la mezcla azeotrópica. [ 7 ]
Hirviendo
Al sobrecalentar una sustancia, se producen ebullición nucleada en piscina y ebullición por flujo convectivo cuando la temperatura de la superficie utilizada para calentar un líquido es superior al punto de ebullición del líquido debido al sobrecalentamiento de la pared. [ 8 ]
Ebullición en piscina nucleada
Las características de la ebullición en piscina difieren entre las mezclas zeotrópicas y las mezclas puras. Por ejemplo, el sobrecalentamiento mínimo necesario para alcanzar esta ebullición es mayor en las mezclas zeotrópicas que en los líquidos puros debido a las diferentes proporciones de sustancias individuales en las fases líquida y gaseosa de la mezcla zeotrópica. Las mezclas zeotrópicas y los líquidos puros también presentan flujos de calor críticos diferentes. Además, los coeficientes de transferencia de calor de las mezclas zeotrópicas son inferiores a los valores ideales predichos utilizando los coeficientes de los líquidos puros. Esta disminución en la transferencia de calor se debe a que los coeficientes de transferencia de calor de las mezclas zeotrópicas no aumentan proporcionalmente con las fracciones másicas de los componentes de la mezcla. [ 9 ]
Ebullición por flujo convectivo
Las mezclas zeotrópicas presentan características diferentes en la ebullición convectiva que las sustancias puras o las mezclas azeotrópicas. En general, las mezclas zeotrópicas transfieren el calor de forma más eficiente en la parte inferior del fluido, mientras que las sustancias puras y azeotrópicas lo hacen mejor en la parte superior. Durante la ebullición por flujo convectivo, el espesor de la película líquida es menor en la parte superior que en la inferior debido a la gravedad. En el caso de líquidos puros y mezclas azeotrópicas, esta disminución del espesor reduce la resistencia a la transferencia de calor. Por lo tanto, se transfiere más calor y el coeficiente de transferencia de calor es mayor en la parte superior de la película. Lo contrario ocurre con las mezclas zeotrópicas. La disminución del espesor de la película cerca de la parte superior provoca que la fracción másica del componente de la mezcla con el punto de ebullición más alto disminuya. En consecuencia, la resistencia a la transferencia de masa aumenta cerca de la parte superior del líquido. Se transfiere menos calor y el coeficiente de transferencia de calor es menor que en la parte inferior de la película líquida. Dado que la parte inferior del líquido transfiere mejor el calor, se requiere una temperatura de pared más baja cerca de la parte inferior que en la superior para que la mezcla zeotrópica hierva. [ 9 ]
coeficiente de transferencia de calor
Desde bajas temperaturas criogénicas hasta temperatura ambiente, los coeficientes de transferencia de calor de las mezclas zeotrópicas son sensibles a la composición de la mezcla, el diámetro del tubo de ebullición, los flujos de calor y masa, y la rugosidad de la superficie. Además, diluir la mezcla zeotrópica reduce el coeficiente de transferencia de calor. Disminuir la presión durante la ebullición de la mezcla solo aumenta ligeramente el coeficiente. [ 2 ] El uso de tubos de ebullición ranurados en lugar de lisos aumenta el coeficiente de transferencia de calor. [ 10 ]
Destilación
El caso ideal de destilación utiliza mezclas zeotrópicas. Las mezclas zeotrópicas de fluidos y gases pueden separarse por destilación debido a la diferencia en los puntos de ebullición entre sus componentes. Este proceso implica el uso de columnas de destilación dispuestas verticalmente (véase la Figura 2 ). [ 11 ] [ 12 ]
Columnas de destilación
Al separar mezclas zeotrópicas con tres o más componentes líquidos, cada columna de destilación elimina únicamente el componente con el punto de ebullición más bajo y el componente con el punto de ebullición más alto. En otras palabras, cada columna separa dos componentes de forma pura. Si se separan tres sustancias con una sola columna, la sustancia con el punto de ebullición intermedio no se separará de forma pura y se necesitará una segunda columna. Para separar mezclas compuestas por múltiples sustancias, se debe utilizar una secuencia de columnas de destilación. Este proceso de destilación en varias etapas también se denomina rectificación. [ 11 ] [ 12 ]
En cada columna de destilación, los componentes puros se forman en la parte superior (sección rectificadora) y en la parte inferior (sección de agotamiento) de la columna cuando el líquido inicial (llamado composición de alimentación) se libera en el centro de la columna. Esto se muestra en la Figura 2. A una temperatura determinada, el componente con el punto de ebullición más bajo (llamado destilado o fracción superior) se vaporiza y se acumula en la parte superior de la columna, mientras que el componente con el punto de ebullición más alto (llamado fondo o fracción inferior) se acumula en la parte inferior de la columna. En una mezcla zeotrópica, donde existe más de un componente, los componentes individuales se mueven entre sí a medida que el vapor fluye hacia arriba y el líquido desciende. [ 11 ]
La separación de mezclas se puede observar en un perfil de concentración. En un perfil de concentración, se representa la posición de un vapor en la columna de destilación en función de su concentración. El componente con el punto de ebullición más alto alcanza su concentración máxima en la parte inferior de la columna, mientras que el componente con el punto de ebullición más bajo la alcanza en la parte superior. El componente con un punto de ebullición intermedio alcanza su concentración máxima en la parte media de la columna de destilación. Debido a este mecanismo de separación, las mezclas con más de tres sustancias requieren más de una columna de destilación para separar sus componentes. [ 11 ]
Configuraciones de destilación
Se pueden utilizar muchas configuraciones para separar mezclas en los mismos productos, aunque algunos esquemas son más eficientes y se emplean diferentes secuencias de columnas para satisfacer distintas necesidades. Por ejemplo, una mezcla zeotrópica ABC puede separarse primero en A y BC antes de separar BC en B y C. Por otro lado, la mezcla ABC puede separarse primero en AB y C, y AB puede separarse finalmente en A y B. Estas dos configuraciones son de separación abrupta, en las que la sustancia con punto de ebullición intermedio no contamina cada paso de separación. Por otro lado, la mezcla ABC podría separarse primero en AB y BC, y finalmente separarse en A, B y C en la misma columna. Esta es una configuración de separación difusa, en la que la sustancia con punto de ebullición intermedio está presente en diferentes mezclas después de un paso de separación. [ 12 ]
Optimización de la eficiencia
Al diseñar procesos de destilación para separar mezclas zeotrópicas, la secuencia de las columnas de destilación es vital para ahorrar energía y costos. Además, se pueden utilizar otros métodos para reducir los costos de energía o equipo necesarios para destilar mezclas zeotrópicas. Esto incluye combinar columnas de destilación, usar columnas laterales, combinar columnas principales con columnas laterales y reutilizar el calor residual del sistema. Después de combinar columnas de destilación, la cantidad de energía utilizada es solo la de una columna separada en lugar de la de ambas columnas combinadas. Además, el uso de columnas laterales ahorra energía al evitar que diferentes columnas realicen la misma separación de mezclas. Combinar columnas principales y laterales ahorra costos de equipo al reducir la cantidad de intercambiadores de calor en el sistema. Reutilizar el calor residual requiere que la cantidad de calor y los niveles de temperatura del residuo coincidan con el calor necesario. Por lo tanto, el uso de calor residual requiere cambiar la presión dentro de los evaporadores y condensadores del sistema de destilación para controlar las temperaturas necesarias. [ 13 ]
Es posible controlar los niveles de temperatura en una parte de un sistema mediante el análisis de puntos de pellizco . [ 14 ] Estas técnicas de ahorro de energía tienen una amplia aplicación en la destilación industrial de mezclas zeotrópicas: se han utilizado columnas laterales para refinar petróleo crudo, y la combinación de columnas principales y laterales se utiliza cada vez más. [ 13 ]
Ejemplos de mezclas zeotrópicas
En la industria se pueden encontrar ejemplos de destilación para mezclas zeotrópicas. El refinado de petróleo crudo es un ejemplo de destilación multicomponente que se utiliza en la industria desde hace más de 75 años. El petróleo crudo se separa en cinco componentes mediante columnas principales y laterales con una configuración de separación precisa. Además, el etileno se separa del metano y el etano para fines industriales mediante destilación multicomponente. [ 12 ]
La separación de sustancias aromáticas requiere destilación extractiva, por ejemplo, la destilación de una mezcla zeotrópica de benceno, tolueno y p-xileno. [ 12 ]
Refrigeración
Las mezclas zeotrópicas que se utilizan en refrigeración se identifican con un número de la serie 400 para facilitar la identificación de sus componentes y proporciones, según la nomenclatura. En cambio, las mezclas azeotrópicas se identifican con un número de la serie 500. Según ASHRAE , los nombres de los refrigerantes comienzan con la letra «R», seguida de una serie de números (serie 400 si es zeotrópica o 500 si es azeotrópica) y letras mayúsculas que indican su composición. [ 15 ]
Las investigaciones han propuesto el uso de mezclas zeotrópicas como sustitutos de los refrigerantes halogenados debido a los efectos nocivos que los hidroclorofluorocarbonos (HCFC) y los clorofluorocarbonos (CFC) tienen sobre la capa de ozono y el calentamiento global . Los investigadores se han centrado en el uso de nuevas mezclas que poseen las mismas propiedades que los refrigerantes anteriores para eliminar gradualmente las sustancias halogenadas nocivas, de acuerdo con el Protocolo de Montreal y el Protocolo de Kioto . Por ejemplo, los investigadores descubrieron que la mezcla zeotrópica R-404A puede reemplazar al R-12, un CFC, en refrigeradores domésticos. [ 16 ] Sin embargo, existen algunas dificultades técnicas en el uso de mezclas zeotrópicas. Esto incluye fugas, así como el deslizamiento de alta temperatura asociado con sustancias de diferentes puntos de ebullición, aunque el deslizamiento de temperatura puede ajustarse a la diferencia de temperatura entre los dos refrigerantes al intercambiar calor para aumentar la eficiencia. [ 5 ] El reemplazo de refrigerantes puros por mezclas requiere más investigación sobre el impacto ambiental, así como sobre la inflamabilidad y la seguridad de las mezclas de refrigerantes. [ 3 ]
Ciclo Rankine orgánico
En el ciclo Rankine orgánico (ORC), las mezclas zeotrópicas son más eficientes térmicamente que los fluidos puros. [ 17 ] Debido a sus puntos de ebullición más altos, los fluidos de trabajo zeotrópicos tienen mayores salidas netas de energía a las bajas temperaturas del ciclo Rankine que las sustancias puras. [ 6 ] Los fluidos de trabajo zeotrópicos se condensan en un rango de temperaturas, lo que permite que los intercambiadores de calor externos recuperen el calor de condensación como fuente de calor para el ciclo Rankine. La temperatura cambiante del fluido de trabajo zeotrópico se puede igualar a la del fluido que se calienta o enfría para ahorrar calor residual porque el proceso de evaporación de la mezcla ocurre en un deslizamiento de temperatura [ 17 ] [ 18 ] (ver análisis de pinch ).
Las mezclas R21/R245fa y R152a/R245fa son dos ejemplos de fluidos de trabajo zeotrópicos que pueden absorber más calor que el R245fa puro debido a sus puntos de ebullición más elevados. La potencia de salida aumenta con la proporción de R152a en la mezcla R152a/R245fa. La mezcla R21/R245fa consume menos calor y energía que el R245fa. En general, la mezcla zeotrópica R21/R245fa presenta mejores propiedades termodinámicas que el R245fa puro y la mezcla R152a/R245fa como fluido de trabajo en el ciclo ORC. [ 6 ] [ 18 ]
procesos de limpieza
Las mezclas zeotrópicas pueden utilizarse como disolventes en procesos de limpieza en la fabricación. Los procesos de limpieza que utilizan mezclas zeotrópicas incluyen procesos de codisolvente y procesos de bidisolvente. [ 19 ]
Procesos con cosolvente y bisolvente
En un sistema de cosolventes, se mezclan dos fluidos miscibles con diferentes puntos de ebullición para crear una mezcla zeotrópica. El primer fluido es un agente solvatante que disuelve la suciedad durante el proceso de limpieza. Este fluido es un solvente orgánico con un punto de ebullición bajo y un punto de inflamación superior a la temperatura de operación del sistema. Después de que el solvente se mezcla con el aceite, el segundo fluido, un agente de enjuague de hidrofluoroéter (HFE), elimina el agente solvatante. El agente solvatante puede ser inflamable, ya que su mezcla con el HFE no lo es. En los procesos de limpieza con bisolventes, el agente de enjuague se separa del agente solvatante. Esto aumenta la eficacia de ambos agentes, ya que no se diluyen. [ 19 ] [ 20 ]
Los sistemas de cosolventes se utilizan para aceites pesados, ceras, grasas y huellas dactilares, y pueden eliminar suciedad más incrustada que los procesos que utilizan solventes puros o azeotrópicos. Los sistemas de cosolventes son flexibles, ya que se pueden utilizar diferentes proporciones de sustancias en la mezcla zeotrópica para satisfacer diferentes propósitos de limpieza. Por ejemplo, aumentar la proporción de agente solvatante con respecto al agente de enjuague en la mezcla incrementa la capacidad de disolución y, por lo tanto, se utiliza para eliminar suciedad más incrustada. [ 19 ] [ 20 ]
La temperatura de funcionamiento del sistema depende del punto de ebullición de la mezcla, que a su vez depende de la composición de estos agentes en la mezcla zeotrópica. Dado que las mezclas zeotrópicas tienen diferentes puntos de ebullición, los depósitos de limpieza y enjuague contienen diferentes proporciones de agentes de limpieza y solvatación. El agente solvatante de menor punto de ebullición no se encuentra en el depósito de enjuague debido a la gran diferencia en los puntos de ebullición entre los agentes. [ 20 ]
Ejemplos de disolventes zeotrópicos
Las mezclas que contienen HFC-43-10mee pueden reemplazar al CFC-113 y al perfluorocarbono (PFC) como disolventes en sistemas de limpieza, ya que el HFC-43-10mee no daña la capa de ozono, a diferencia del CFC-113 y el PFC. Existen diversas mezclas de HFC-43-10mee disponibles comercialmente para una variedad de aplicaciones de limpieza. Algunos ejemplos de disolventes zeotrópicos en procesos de limpieza son: [ 20 ]
- Las mezclas zeotrópicas de HFC-43-10mee y hexametildisiloxano pueden disolver siliconas y son altamente compatibles con policarbonatos y poliuretano. Se pueden utilizar para eliminar el lubricante de silicona de dispositivos médicos.
- Las mezclas zeotrópicas de HFC-43-10mee e isopropanol pueden eliminar iones y agua de materiales sin superficies porosas. Esta mezcla zeotrópica facilita el secado por absorción.
- Las mezclas zeotrópicas de HFC-43-10mee, tensioactivo fluorado y aditivos antiestáticos son fluidos de secado energéticamente eficientes y respetuosos con el medio ambiente que proporcionan un secado sin manchas.
Véase también
Referencias
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- Termodinámica de la ingeniería química