Práctica 3. Difusión Binaria en Fase Gaseosa

UNIVERSIDAD DEL ZULIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BÁSICA
LABORATORIO DE
OPERACIONES UNITARIAS I
DIFUSION BINARIA EN FASE
GASEOSA
Profesora:
Marianela Fernández
Objetivo General
Calcular el coeficiente de difusión
binaria
en
fase
gaseosa
para
la
difusión molecular en estado pseudo–
estacionario de un componente a
través
de
estancada.
una
película
de
gas
Objetivos Específicos
Calcular el coeficiente de difusión binaria
experimental y teórico para cada líquido
en el aire.
Calcular el flujo molar NAZ experimental y
teórico para cada líquido en el aire.
Transferencia de Masa
Cuando un sistema contiene dos o más
componentes cuyas concentraciones varían
de un punto a otro, presenta una tendencia
natural
a
transferir
la
masa,
haciendo
mínimas las diferencias de concentración
dentro del sistema, la sustancia que se
difunde
abandona
una
región
de
alta
concentración y pasa a un lugar de baja
concentración.
Mecanismos de Transferencia de
Masa
El mecanismo de transferencia de masa
depende de la dinámica del sistema en el
que se lleve a cabo. Así mismo se puede
decir que existen dos modos de transferencia
de masa:
•Molecular: La masa es transferida por
movimiento molecular al azar en fluidos en
reposo.
•Convectiva: La masa puede transferirse
debido al movimiento global del fluido. Puede
ser : Natural y Forzada.
Difusión Molecular
En la difusión molecular se trabaja con el movimiento de las
moléculas individuales a través de una sustancia debido a su
energía térmica. La teoría cinética de los gases proporciona una
forma de imaginar lo que sucede. Se puede imaginar que una
molécula viaja en línea recta con una velocidad uniforme, que
choca con otra molécula y que entonces su velocidad cambia,
tanto en magnitud como en dirección.
La velocidad promedio de la molécula
depende de la temperatura. Como la
molécula viaja en una trayectoria en zigzag,
la distancia neta en la dirección en la cual se
mueve durante cierto tiempo “rapidez de
difusión”, sólo es una pequeña fracción de la
longitud de su trayectoria real. Por esta
razón, la rapidez de difusión es muy
pequeña, aunque podría aumentar con un
descenso de presión, que reduciría el número
de choques y un incremento de temperatura,
que aumentaría la velocidad molecular.
Difusión Molecular
La difusividad, o coeficiente de difusión, DAB de un
componente A en solución en B, que es una medida
de la movilidad de difusión, se define como la relación
de su flujo molar JA y su gradiente de concentración
relativo a la velocidad molar promedio.
J A   DAB
C A
x A
 cDAB
z
z
1era Ley de Fick
El signo negativo hace hincapié que la difusión ocurre
en el sentido del decremento en concentración. La
difusividad es una característica de un componente y
de su entorno (temperatura, presión, concentración ya
sea en solución liquida, gaseosa o sólida y la
naturaleza de los otros componentes).
Flujo Molar
El Flujo molar de una especie dada, es una
cantidad vectorial que denota la cantidad de
la especie particular, ya sea en unidades de
moles o masa, que pasa en un incremento
dado de tiempo a través de un área unitaria
normal al vector.
 Relativo a la velocidad Molar Promedio
ν
Ji  Ci(i  )
Relativo a un sistema de coordenadas fijo
Ni  ci i
Difusión unidimensional, en estado
pseudoestacionario, de un componente
Gas
yA2
Zo
yA1
Z1
Líquido
Difusión unidimensional, en estado
pseudoestacionario, de un componente
Una de las fronteras cambia de lugar con el tiempo
A partir de la ecuación de flujo molar:
DAB C  1  y A2
NA 
ln
 1 yA
zf
1

Relación entre el flujo molar
componente que sale del líquido
N AZ  C AL
dZ
dt




y
la
cantidad
de
Difusión unidimensional, en estado
pseudoestacionario, de un componente
Combinando las ecuaciones anteriores e integrando
DAB
C AL ( z  z )

2tC  1  y A2 

ln 
 1 yA 
1 

2
t
2
t0
C AL 
A
PM
P
C 
RT
DAB: Difusividad molecular del componente A en B, [L2/t]
Difusión es el movimiento neto espontáneo de partículas desde
una área de alta concentración a un área de baja concentración
en un volumen dado de fluido (líquido o gas) debido a un
gradiente de concentración.
Difusión unidimensional, en estado
pseudoestacionario, de un componente
P
Coeficiente de Difusión (m2/s)
Proporcionalidad de Fick
T
Y
Gases 5.10-6 - 1.10-5 m2/s
Líquidos 10-10 - 10-9 m2/s
Sólidos 10-14 - 10-10 m2/s
Difusión unidimensional, en estado
pseudoestacionario, de un componente
Las
expresiones
teóricas
modernas
para
la
determinación del coeficiente de difusión han
intentado tomar en cuenta las fuerzas de atracción y
repulsión entre las moléculas. Hirschfelder, Bird y
Spotz utilizando el potencial de Lennard-Jones para
evaluar la influencia de las fuerzas intermoleculares
presentaron la siguiente ecuación para el cálculo del
coeficiente de difusión en pares de moléculas no
polares y no reactivas al estado gaseoso.
 1
1 

0,0018583 T 

 MA MB 

2
P AB

: Diámetro de colisión
3
D A B
: Integral de colisión
 AB / k  ( A / k )( B / k )
 AB / k  0,77Tc
 AB / k  1,15Tb
 AB 
 A  B
2
1/ 3
T 
  2,44 c 
 Pc 
  1,18Vb1/ 3
  0,841Vc1/ 3
Difusión unidimensional, en estado
pseudoestacionario, de un componente
Simplificando la ecuación de Hirschfelder, Bird y Spotz
puede predecirse el comportamiento del coeficiente de
difusión a cualquier temperatura y presión inferior a
25 atm a partir de un valor experimental conocido
utilizando la siguiente ecuación:
DABT ,P
2 2
 P  T 
 DABT ,P  1  2 
1 1
 P2  T1 
3/ 2
 D / T1
 D / T2
: Diámetro de colisión
 AB 
: Integral de colisión
 AB / k  ( A / k )( B / k )
 AB / k  0,77Tc
 AB / k  1,15Tb
 A  B
2
1/ 3
T 
  2,44 c 
 Pc 
  1,18Vb1/ 3
  0,841Vc1/ 3
Celda de Arnold
Esta celda está compuesta por un tubo
angosto
(de
geometría
cuadrada
teóricamente)
que
se
encuentra
parcialmente lleno con líquido puro A,
que se mantiene a una temperatura y
presión constantes. El gas B, que fluye
a través del extremo abierto del tubo,
tiene una solubilidad despreciable en el
líquido A y también es químicamente
inerte respecto de A. El componente A
vaporiza y se difunde en la fase
gaseosa. La rapidez de vaporización
puede medirse en forma física y
también
expresarse
en
forma
matemática en términos del flujo en
masa molar.
Procedimiento Experimental
Difusión Convectiva
Difusión Molecular
Procedimiento Experimental
Conducto de aire
Aspa
Motor
Canalizador de Aire
Reóstato
Celda de Arnold
Hoja de Toma de Datos
Experiencia 1. Determinación de la Difusividad para la Acetona
Tiempo (min)
Altura (mm)
Experiencia 2. Determinación de la Difusividad para el Etanol
Tiempo (min)
Altura (mm)
Hoja de Toma de Datos
Datos Generales.
Temperatura (ºC)
Voltaje (V)
Presión (mmHg)
Dcilindro (cm)
Velocidad del aire (m/s)