DIFUSIVIDAD DE GASES, LIQUIDOS Y SOLIDOS I.INTRODUCCION: Losfenmenosdetransportetienenlugarenaquellosprocesos,conocidos comoprocesosdetransferencia,enlosqueseestableceelmovimientode unapropiedad(masa,momentumoenerga)enunaovariasdirecciones bajo la accin de una fuerza impulsora. Al movimiento de una propiedad se le llama flujo. Losprocesosdetransferenciademasasonimportantesyaquelamayora delosprocesosqumicosrequierendelapurificacin inicialde lasmaterias primasodelaseparacinfinaldeproductosysubproductos.Paraestoen general, se utilizan las operaciones de transferencia de masa. Confrecuencia,elcostoprincipaldeunprocesoderivadelasseparaciones (Transferencia de masa). Los costos por separacin o purificacin dependen directamentedelarelacinentrelaconcentracininicialyfinaldelas sustanciasseparadas;sestarelacineselevada, tambinsernloscostos de produccin. En muchos casos, es necesario conocer la velocidad de transporte de masa a fin de disear o analizar el equipo industrial para operaciones unitarias, en la determinacin de la eficiencia de etapa, que debe conocerse para determinar el nmero de etapas reales que se necesita para una separacin dada. Algunos de los ejemplos del papel que juega la transferencia de masa en los procesosindustrialesson:laremocindematerialescontaminantesdelas corrientesdedescargadelosgasesyaguascontaminadas,ladifusinde neutronesdentrodelosreactoresnucleares,ladifusindesustanciasal interiordeporosdecarbnactivado,larapidezdelasreaccionesqumicas catalizadas y biolgicas as como el acondicionamiento del aire, etc. Enlaindustriafarmacuticatambinocurrenprocesosdetransferenciade masa tal como la disolucin de un frmaco, la transferencia de nutrientes y medicamento a la sangre, etc. LaleydeFickeselmodelomatemticoquedescribelatransferencia moleculardemasa,ensistemasoprocesosdondepuedeocurrirsolo difusin o bien difusin ms conveccin. Considerando una mezcla binaria A y B, y si el nmero de molculas de A en unvolumendadoenunaregin,esmayorqueenotrareginvecina, entonces tendr lugar la migracin de molculas de A a travs de B,desde la zona de mayor concentracin hacia la de menor concentracin. Porlotanto,laecuacindelaleydeFickparaunamezcladedos componentes A y B es: = - C DAB Donde: C = Concentracin de A y B en mol Kg de (A+B)/m3 XA es la fraccin mol de A en la mezcla de A y B JAZ es el flujo de masa en molKg/(seg m2) II.OBJETIVOS: Familiarizar al estudiante con los fenmenos de transferencia de masa.Dar a conocer la metodologa para el clculo del coeficiente de difusividad (D), determinar la velocidad de difusin, y el efecto de la temperatura en la difusin de un gas en el interior de un capilarDar a conocer la metodologa para el clculo del coeficiente de difusividad (D), determinar la velocidad de difusin, en la difusin de un lquido.Dar a conocer la metodologa para el clculo del coeficiente de difusividad (D),a travs de la difusin Verificar la influencia de la temperatura y la concentracin en la difusin a travsdeunslido;determinandoloscoeficientesdedifusin experimental. Proponer y resolver un modelo para la difusin Gaseosa y lquida, con los datos obtenidos experimentalmente. III.MATERIALES Y MTODOS: 3.1 MATERIALES: A. Aparato para el estudio del coeficiente de difusin Gaseosa: El cual estconstituido por los siguientes componentes:a.Bao termosttico en plexigls transparente: capacidad 4 L.b.Resistencia c.Termostato de control: Campo de trabajo hasta 90C.d.Bomba para aire del tipo Diafragma.e.Tubocapilardevidrioquecontieneel lquidoadifundir:dimetro interior 5mm.f.MicrmetroconescalaRegulable:campodemedidade mm.; resolucin 0.01 mm.g.Panel de control elctrico. El tubo capilar de vidrio contiene el lquido a difundir y est colocado enelbaotermosttico;unaresistenciablindadacalientaelaguay est controlada por un termostato. Los vapores del lsonaspiradosmedianteunflujodeairedebidoalaaspiracindela bomba para aire.El micrmetro permite medir el nivel del lquido en el tubo capilar de vidrio y registrar las variaciones del mismo. estudiante con los fenmenos de transferencia de masa.Dar a conocer la metodologa para el clculo del coeficiente de difusividad (D), determinar la velocidad de difusin, y el efecto de la temperatura en la difusin de un gas en el interior de un capilar. Dar a conocer la metodologa para el clculo del coeficiente de difusividad (D), determinar la velocidad de difusin, en la difusin de un lquido.Dar a conocer la metodologa para el clculo del coeficiente de difusividad (D),a travs de la difusin en un slido. Verificar la influencia de la temperatura y la concentracin en la difusin a travsdeunslido;determinandoloscoeficientesdedifusin Proponer y resolver un modelo para la difusin Gaseosa y lquida, con los os experimentalmente. MATERIALES Y MTODOS: MATERIALES: Aparato para el estudio del coeficiente de difusin Gaseosa:El cual estconstituido por los siguientes componentes:Bao termosttico en plexigls transparente: capacidad 4 L.Resistencia blindada de calentamiento: 500 W. Termostato de control: Campo de trabajo hasta 90C.Bomba para aire del tipo Diafragma. Tubocapilardevidrioquecontieneel lquidoadifundir:dimetro interior 5mm. MicrmetroconescalaRegulable:campodemedidade mm.; resolucin 0.01 mm. Panel de control elctrico. El tubo capilar de vidrio contiene el lquido a difundir y est colocado enelbaotermosttico;unaresistenciablindadacalientaelaguay est controlada por un termostato. Los vapores del lquido en prueba sonaspiradosmedianteunflujodeairedebidoalaaspiracindela bomba para aire. El micrmetro permite medir el nivel del lquido en el tubo capilar de vidrio y registrar las variaciones del mismo. estudiante con los fenmenos de transferencia de masa. Dar a conocer la metodologa para el clculo del coeficiente de difusividad (D), determinar la velocidad de difusin, y el efecto de la temperatura en Dar a conocer la metodologa para el clculo del coeficiente de difusividad (D), determinar la velocidad de difusin, en la difusin de un lquido. Dar a conocer la metodologa para el clculo del coeficiente de difusividad Verificar la influencia de la temperatura y la concentracin en la difusin a travsdeunslido;determinandoloscoeficientesdedifusin Proponer y resolver un modelo para la difusin Gaseosa y lquida, con los Aparato para el estudio del coeficiente de difusin Gaseosa: El cual estconstituido por los siguientes componentes: Bao termosttico en plexigls transparente: capacidad 4 L. Termostato de control: Campo de trabajo hasta 90C. Tubocapilardevidrioquecontieneel lquidoadifundir:dimetro MicrmetroconescalaRegulable:campodemedidade0a300 El tubo capilar de vidrio contiene el lquido a difundir y est colocado enelbaotermosttico;unaresistenciablindadacalientaelaguay quido en prueba sonaspiradosmedianteunflujodeairedebidoalaaspiracindela El micrmetro permite medir el nivel del lquido en el tubo capilar de B. Aparato para el El cual est constituido por siguientes componentes: a.Vaso de vidrio pyrex: capacidad 1L.b.Agitador magntico.c.Medidor de conductividad porttil completo con 2 sondas.d.Dispositivo de difusin ElvasodevidrioPirexdispositivo para la difusin debe ser llenado con agua de la red o con unasolucinsalinaymontadosobrelatapadelvasoafindedar inicioalprocesodedifusin.Elagitadormagnticomezclael contenidopara medidordeconductividadpermitemedirlasvariacionesde conductividad en el agua 3.2 METODO: A. Estudio del coeficiente de difusin Gaseosa: 1.Llenar el tanque de Plexigls con agua: se puede usar agua de 2.Llenar el capilar de vidrio con el lquido de prueba.3.Encender la resistencia calentadora, a la temperatura deseada.4.Encender la bomba para aire, a la velocidad deseada.5.TomarlaslecturasconelMicrmetro,deldesplazamientodel lquido prueba a dif6.Llenar la Tabla 1. Esquema del equipo para el estudio del coeficiente lquidoAparato para el estudio del coeficiente de difusin lquida:El cual est constituido por siguientes componentes: Vaso de vidrio pyrex: capacidad 1L. Agitador magntico. Medidor de conductividad porttil completo con 2 sondas.Dispositivo de difusin ElvasodevidrioPirexdebeserllenadoconaguadestilada;el dispositivo para la difusin debe ser llenado con agua de la red o con unasolucinsalinaymontadosobrelatapadelvasoafindedar inicioalprocesodedifusin.Elagitadormagnticomezclael contenidopara quesuscaractersticaslleguenaserhomogneas.El medidordeconductividadpermitemedirlasvariacionesde conductividad en el agua studio del coeficiente de difusin Gaseosa: Llenar el tanque de Plexigls con agua: se puede usar agua de Llenar el capilar de vidrio con el lquido de prueba. Encender la resistencia calentadora, a la temperatura deseada.Encender la bomba para aire, a la velocidad deseada.TomarlaslecturasconelMicrmetro,deldesplazamientodel lquido prueba a diferente tiempo.Llenar la Tabla 1. Esquema del equipo para el estudio del coeficiente lquidoestudio del coeficiente de difusin lquida: Medidor de conductividad porttil completo con 2 sondas. debeserllenadoconaguadestilada;el dispositivo para la difusin debe ser llenado con agua de la red o con unasolucinsalinaymontadosobrelatapadelvasoafindedar inicioalprocesodedifusin.Elagitadormagnticomezclael quesuscaractersticaslleguenaserhomogneas.El medidordeconductividadpermitemedirlasvariacionesde Llenar el tanque de Plexigls con agua: se puede usar agua de red. Encender la resistencia calentadora, a la temperatura deseada. Encender la bomba para aire, a la velocidad deseada. TomarlaslecturasconelMicrmetro,deldesplazamientodel Esquema del equipo para el estudio del coeficiente lquido t (s) Desplazamiento del nivel lquido (mm) Nivel del Lquido (L - L0) t/(L - L0) ---- ---- ---- ---- --- ---- ---- Tabla 1: Difusin Gaseosa B. Estudio del coeficiente de difusin lquida: Unpasoprevio,esdeterminarelvalordelavariacinde conductividadporunidaddemolaridad(CM);paraellosevan prepararsolucionesadiferentesconcentraciones0.001,0.0012, 0.0014, 0.0016, 0.0018, 0.002. M.;y luego se va proceder hacer sus lecturas de conductividad. Anotar sus resultados en una Tabla 2. Tabla 2: Variacin de la conductividad con la Concentracin Unavezrealizadoelpasoprevioseprocedeadeterminarel coeficiente de difusin lquida como se describe a continuacin. 1.Llenar el vaso de Pyrex con agua destilada. 2.Llenar el dispositivo de difusin con el lquido de prueba. 3.Encender el agitador magntico. 4.Encender el medidor de conductividad. 5.Leer y registrar los valores medidos por la sonda en Tabla 3. Tabla 3: Difusin Lquida CONCENTRACIN (M) CONDUCTIVIDAD -- -- -- -- -- -- t (seg)Conductividad -- -- -- -- IV.RESULTADOS: A. Estudio del coeficiente de difusin Gaseosa: ParaPv la determinamos a partir de la ecuacin de ANTOINE: Lug(Pu) = A - |BT +C1 Donde a, B y C sonconstantes de Antoine para el Etanol: A = 8.2133 B = 1652.05T= 70C C = 231.48 (Pu) = 541. 38 mmHg (Pu) = . 712 atm Con la Siguiente tabla hacemos la regresin respectiva para poder determinar DAB: Datos para determinar el coeficiente de difusividad del ETANOL M0,046Kg/mol L0,789Kg/Lt Ta343K Pa1atm R0,0821atm-Lt / molK Pv 0,712atm t (min)t (s) Desplazamiento del nivel lquido (cm) Nivel del Lquido(L - L0) (cm) t/(L - L0) 3018000,1160,11615517,24 6036000,0940,21017142,86 9054000,0950,30517704,92 12072000,0750,38018947,37 15090000,0700,45020000,00 180108000,0580,50821259,84 210126000,0810,58921392,19 Donde: A=12978.15 B=14109.47 Adems: Con Determinamos Y cony Hallamos: B = IpL2MD] |CBmCACT1D = 1BIpL2M] |CBmCACT1 CT =PRT CA = |PuPa1 CT CB1 = CT CB2 = |Pa -PuPa1 CT CBm = |CB1 -CB2|nICB1CB2] | y = 12.978,146x + 14.109,474R = 0,97615000,0016000,0017000,0018000,0019000,0020000,0021000,0022000,0023000,000,000 0,200 0,400 0,600t/(L-Lo)L-Lot/(L-Lo)vs(L-Lo) Reemplazando estos valores en: B. Estudio del coeficiente de difusin lquida Clculo de CM: CONC0501001502000ConductividadCM ES LA PENDIENTE:CT 0,0355 CA 0,0253 CB1 0,035510985 CB2 0,01021512 CBm 0,0203 Reemplazando estos valores en: studio del coeficiente de difusin lquida: Clculo de CM: CONCENTRACION (M) CONDUCTIVIDAD 0,001113,9 0,0012121,7 0,0014125,3 0,0016139,6 0,0018149,9 0,002181,6 y = 62486x + 44,93R = 0,8960,0005 0,001 0,0015 0,002COncentracionConcentracion Vs ConductividadES LA PENDIENTE: CM = 62485.71 y = 62486x + 44,930,0025Clculo de dk/dt: t (min)t (seg)Conductividad 007,74 1608,13 21208,81 31809,42 424010,1 530011,2 636011,88 742012,95 848014,16 954015,43 1060016,57 1166017 1272018,8 1378020 1484021,6 1696024,2 18108027,5 20120030,7 22132033,5 24144035,4 26156037,4 28168043 30180045,4 32192048,6 34204051,7 36216054,6 38228057,5 40240060,4 42252062,4 44264065,1 46276067,5 48288070 50300072,3 52312075,3 54324077,6 56336080 58348082,7 60360085,4 Con los siguientes Datos Reemplazamos en la siguiente ecuacin: 01020304050607080901000Conductividaddk/dt ES LA PENDIENTE:Con los siguientes Datos Reemplazamos en la siguiente ecuacin: V =958cm3 X =0,5cm D =0,1cm M =2 N =121 CM =62485,71 dk/dt =0,02278 y = 0,022x + 4,052R = 0,9971000 2000 3000Tiempo (seg)t vs Conductividaddk/dt ES LA PENDIENTE: dk/dt = 0.02277 y = 0,022x + 4,0524000V.DISCUSIONES: El valor terico del Coeficiente de difusin del Etanol es 1.2x10-5 m2/s 0.12 cm2/s a 25C. Enlaprcticahicimoselexperimentoa70Celcualnosdioun valor de D=0.015 cm2/s LadifusividadocoeficientededifusinDesunapropiedaddelsistema quedependedelatemperatura,presinynaturalezadeloscon ponentes, siendo para el etanol a 0Cde 0.102 cm2/s Resultaevidentequelavelocidaddedifusinmolecularenlquidoses muchomenorqueengases.Lasmolculasdeunlquidoestnmuy cercanasentresiencomparacinconlasdeungas,portanto,las molculasdelsoluto,clorurodesodioenlaprctica,quesedifunden chocarnconlasmolculasdellquidosolvente(agua)conms frecuencia y se defundirn con mayor lentitud que en los gases. ParaestecasolavelocidaddedifusindelasolucindeCloruro de Sodio al 2M nos dio un valor de D=-0.000092 cm2/s VI.CONCLUSIONES: QuedaclaroqueelvalordelCoeficientedeDifusividaddependerdela Temperatura, Presin y concentracin de la especie en estudio. ElmtodoparaDeterminarexperimentalmenteelcoeficientedeDifusin delquidosfueabasedesuconductividad,puestoqueamayor concentracin de NaCl mayor conductividad. El coeficiente de difusividad del Etanol (gas) es 0.015 cm2/seg. ElcoeficientededifusividaddelClorurodeSodio al2Mesde 0.000092 cm2/s. ConayudadelosDatostericosdeladifusividaddelEtanolsepuede concluirqueamayortemperaturamayorserelcoeficientedeDifusin del mismo. VII.BIBLIOGRAFA: http://es.wikipedia.org/wiki/Constante_universal_de_los_gases_ideales http://html.rincondelvago.com/operaciones-unitarias_difusividad.html http://highered.mcgraw-hill.com/sites/dl/free/970106173x/510520 /cengel_transferencia_3e_capitulo_muestra_c4.pdf http://mazinger.sisib.uchile.cl/repositorio/lb/ciencias_quimicas_y_farmaceuticas/castroe10/02c.html VIII.TAREA: Existen varias correlaciones para poder determinar la difusividad en gasesexperimentalmente.Digaustedculessonycmoseprocederapara poderdeterminarlaDifusividaddeungasenlaboratorio(Ecuacinde Chapman-Enskog) Conlosdatosdedifusindegasesyconlaayudadelasiguienteecuacin: tT R YY Y P M DLBm LA A A AB) (22 12= ,

Como podra determinar la difusividad. Donde: iY=Fraccin molar de la especie i, en fase gaseosa. BmY=Fraccin molar media de la especie B Compareestevalorconelobtenidoenlapartederesultado.Ecuacin (11.55)