Profesora:

Marianela Fernández

LABORATORIO DE

OPERACIONES UNITARIAS I

UNIVERSIDAD DEL ZULIA

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BÁSICA

DIFUSION BINARIA EN FASE

GASEOSA

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 una película de gas

estancada.

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.

Objetivos Específicos

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 masadepende de la dinámica del sistema en elque se lleve a cabo. Así mismo se puededecir que existen dos modos de transferenciade masa:

•Molecular: La masa es transferida pormovimiento molecular al azar en fluidos enreposo.

•Convectiva: La masa puede transferirsedebido al movimiento global del fluido. Puedeser : Natural y Forzada.

Difusión Molecular

En la difusión molecular se trabaja con el movimiento de lasmoléculas individuales a través de una sustancia debido a suenergía térmica. La teoría cinética de los gases proporciona unaforma de imaginar lo que sucede. Se puede imaginar que unamolécula viaja en línea recta con una velocidad uniforme, quechoca con otra molécula y que entonces su velocidad cambia,tanto en magnitud como en dirección.

La velocidad promedio de la moléculadepende de la temperatura. Como lamolécula viaja en una trayectoria en zigzag,la distancia neta en la dirección en la cual semueve durante cierto tiempo “rapidez dedifusión”, sólo es una pequeña fracción de lalongitud de su trayectoria real. Por estarazón, la rapidez de difusión es muypequeña, aunque podría aumentar con undescenso de presión, que reduciría el númerode choques y un incremento de temperatura,que aumentaría la velocidad molecular.

Difusión Molecular

La difusividad, o coeficiente de difusión, DAB de uncomponente A en solución en B, que es una medidade la movilidad de difusión, se define como la relaciónde su flujo molar JA y su gradiente de concentraciónrelativo a la velocidad molar promedio.

El signo negativo hace hincapié que la difusión ocurreen el sentido del decremento en concentración. Ladifusividad es una característica de un componente yde su entorno (temperatura, presión, concentración yasea en solución liquida, gaseosa o sólida y lanaturaleza de los otros componentes).

z

xcD

z

CDJ A

ABA

ABA

1era Ley de Fick

Flujo Molar

El Flujo molar de una especie dada, es unacantidad vectorial que denota la cantidad dela especie particular, ya sea en unidades demoles o masa, que pasa en un incrementodado de tiempo a través de un área unitarianormal al vector.

Relativo a la velocidad Molar Promedio

Relativo a un sistema de coordenadas fijo

iiciN

)( ν iCiiJ

Z1

Líquido

Gas

Zo

Difusión unidimensional, en estado pseudoestacionario, de un componente

yA2

yA1

Difusión unidimensional, en estado pseudoestacionario, de un componente

Una de las fronteras cambia de lugar con el tiempo

Relación entre el flujo molar y la cantidad decomponente que sale del líquido

A partir de la ecuación de flujo molar:

dt

dZCN ALAZ

1

2

1

1ln

A

A

f

ABA

y

y

z

CDN

Difusión unidimensional, en estado pseudoestacionario, de un componente

1

2

0

1

1ln

)(

2

22

A

A

ttALAB

y

y

zz

tC

CD

Combinando las ecuaciones anteriores e integrando

Difusión es el movimiento neto espontáneo de partículas desdeuna área de alta concentración a un área de baja concentraciónen un volumen dado de fluido (líquido o gas) debido a ungradiente de concentración.

DAB: Difusividad molecular del componente A en B, [L2/t]

PMC A

AL

RT

PC

Coeficiente de Difusión (m2/s) Proporcionalidad de Fick

P

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

2

3 110018583,0

AB

BA

BAP

MMT

D

: Integral de colisión

Difusión unidimensional, en estado pseudoestacionario, de un componente

Las expresiones teóricas modernas para ladeterminación del coeficiente de difusión hanintentado tomar en cuenta las fuerzas de atracción yrepulsión entre las moléculas. Hirschfelder, Bird ySpotz utilizando el potencial de Lennard-Jones paraevaluar la influencia de las fuerzas intermolecularespresentaron la siguiente ecuación para el cálculo delcoeficiente de difusión en pares de moléculas nopolares y no reactivas al estado gaseoso.

2

BAAB

)/)(/(/ kkk BAAB

: Diámetro de colisión

3/118,1 bV

3/1841,0 cV

3/1

44,2

c

c

P

T

cAB Tk 77,0/ bAB Tk 15,1/

2

1

1,12,2

/

/

2/3

1

2

2

1

TD

TD

ABABT

T

P

PDD

PTPT

: Integral de colisión

Difusión unidimensional, en estado pseudoestacionario, de un componente

Simplificando la ecuación de Hirschfelder, Bird y Spotzpuede predecirse el comportamiento del coeficiente dedifusión a cualquier temperatura y presión inferior a25 atm a partir de un valor experimental conocidoutilizando la siguiente ecuación:

2

BAAB

)/)(/(/ kkk BAAB

: Diámetro de colisión

3/118,1 bV

3/1841,0 cV

3/1

44,2

c

c

P

T

cAB Tk 77,0/ bAB Tk 15,1/

Celda de Arnold

Esta celda está compuesta por un tuboangosto (de geometría cuadradateóricamente) que se encuentraparcialmente lleno con líquido puro A,que se mantiene a una temperatura ypresión constantes. El gas B, que fluyea través del extremo abierto del tubo,tiene una solubilidad despreciable en ellíquido A y también es químicamenteinerte respecto de A. El componente Avaporiza y se difunde en la fasegaseosa. La rapidez de vaporizaciónpuede medirse en forma física ytambién expresarse en formamatemática en términos del flujo enmasa molar.

Procedimiento Experimental

Difusión Convectiva

Difusión Molecular

Motor

Reóstato

Aspa

Celda de Arnold

Canalizador de Aire

Conducto de aire

Procedimiento Experimental

Hoja de Toma de Datos

Experiencia 1. Determinación de la Difusividad para la Acetona

Tiempo (min) Altura (mm)

Tiempo (min) Altura (mm)

Experiencia 2. Determinación de la Difusividad para el Etanol

Hoja de Toma de Datos

Datos Generales.

Temperatura (ºC) Voltaje (V)

Presión (mmHg) Dcilindro (cm)

Velocidad del aire (m/s)