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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
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.
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