Analogías entre azeotropía y aneotropía desde la teoría molecular.

Abstract

En el marco de la Ingeniería Química, uno de los fenómenos de no idealidad que suscita mayor interés es la azeotropía. Ante la ocurrencia de esta, una mezcla de varios componentes alcanza una igualdad de concentración en todas sus fases. Lo anterior posee grandes repercusiones en el equilibrio líquido-vapor de una mezcla multicomponente, lo cual puede observarse en los proce sos industriales de separación por cambio de fase dada la imposibilidad de separar mezclas en sus condiciones azeotrópicas de presión, concentración y temperatura por destilación simple. Otro efecto de interés es la notoria diferencia entre las condiciones de saturación de una mezcla azeo trópica con respecto a sus componentes puros, lo cual puede ser explotado en pos de la síntesis de combustibles y refrigerantes que permitan generar procesos con un bajo impacto ambiental. La aneotropía en mezclas, es decir, la presencia de un punto estacionario de tensión superficial con respecto a la concentración de sus componentes, puede también permitir la síntesis de compues tos amigables con el medio ambiente. Este es el caso de mezclas refrigerantes, en donde una baja tensión interfacial posee efectos positivos en la transferencia de calor. Sin embargo, para un diseño racional de nuevos materiales fluidos más amigables con el medio ambiente, debe primero comprenderse acertadamente la termodinámica de los actuales y cómo estos dependen de las condiciones de temperatura, presión, composición y agregación de fase. En esta tesis, examinamos el comportamiento de fase de mezclas azeotrópicas refrigerantes y com bustibles, obtenidas mezclando hidrofluorocarburos (HFC) y etanol con alcanos lineales (propano y octano, respectivamente). Los equilibrios líquido-vapor de estos sistemas binarios exhiben una desviación positiva de la ley de Raoult y una desviación negativa de la idealidad superficial (aneo tropía) en la interfase. Los equilibrios de fase y las propiedades interfaciales de estos sistemas com plejos se estudiaron usando una versión modificada de la Teoría Estadística de Fluidos Asociantes (SAFT) combinada con la Teoría del Gradiente de Densidad (DGT). Estos resultados teóricos se compararon con dinámica molecular (MD) con el objetivo de describir las características de pro piedades físicas indirectas, aunque medibles, capaces de garantizar la presencia de los fenómenos de azeotropía y aneotropía. El modelo pudo capturar con precisión la naturaleza azeotrópica de los equilibrios de fase y pre decir su concentración y presión a temperaturas donde los datos experimentales son limitados. Además, se obtuvieron descripciones precisas de las tensiones interfaciales al compararlas con los datos experimentales disponibles y los resultados de simulación, prediciendo el mínimo encon trado en la tensión superficial en función de la concentración. La dinámica molecular permitió el cálculo de propiedades interfaciales para las que aún no hay datos experimentales disponibles. II Se demuestra que las coordenadas de los sistemas azeotrópicos y aneotrópicos no se condicen en el mismo estado termodinámico de concentración. Esto a diferencia de sistemas ideales Lennard Jones, en los cuales sí se ha evidenciado esta analogía. Fenomenológicamente, las predicciones muestran que el aneótropo ocurre con una concentración de HFC más baja para los sistemas con R-152a y R-134a en comparación con los sistemas con R-143a y R-125. De acuerdo con los perfiles de densidad calculados por ambos enfoques, no hay una adsorción del refrigerante o el alcano en la interfase para concentraciones de HFC inferiores a la azeotrópica. A valores superiores de esta concentración, se evidencia una adsorción preferencial del propano en la interfase. Este fenómeno se repite para la mezcla de etanol con octano, en donde la adsorción de etanol está limitada por el estado azeotrópico, los puentes de hidrógeno y la orientación que presenta la molécula en la inter fase. Finalmente, se concluye que el punto aneotrópico puede definirse como el estado en el que la actividad superficial de ambas moléculas es idéntica, o la adsorción relativa de un componente frente al otro en la interfase se vuelve cero, no teniendo relación con la azeotropía.