Difusividad msica de gases y lquidos

Difusividad msica de gases y lquidos

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAODifusividad msica de gases y lquidos

Integrantes: Quispe Reyes, Olga Torres Crdova, Fiorella

Viernes, 4 de junio del 2015

Facultad de Ingeniera Qumica

DIFUSIVIDAD MASICA DE GASES Y LIQUIDOS

I. OBJETIVOS Determinar la difusividad msica en fase gaseosa. Determinar la difusividad msica en fase liquida. Conocer las caractersticas y funcionamiento de los equipos utilizados. Comparar el valor de la difusividad encontrada experimentalmente en la prctica con los de los datos tericos de la literatura

II. MARCO TEORICO

2.1 DIFUSIVIDADLa difusividad, o coeficiente de difusin, D, es una propiedad del sistema que depende de la temperatura, presin y de la naturaleza de los componentes. Unateora cintica avanzada predice que en mezclas binarias ser pequeo el efecto debido a la composicin. Sus dimensiones pueden establecerse a partir de su definicin, y stas son longitud2/tiempo. La mayora de los valores que aparecen en la bibliografa sobre D estn expresados en cm2/s; las dimensiones en el SI son m2/s.

2.2 DIFUSIVIDAD DE GASESLa difusividad es una propiedad fsica que depende de los componentes, presin y temperatura. Las dimensiones de la difusividad son las mismas de la viscosidad cinemtica y la difusividad calorfica, y ordinariamente se mide en cm2/seg. En la tabla 15-1 damos los valores experimentales de la difusividad para algunos sistemas binarios a la presin atmosfrica, que pueden tomarse para todo el intervalo de concentraciones con error menor del 3 %. La difusividad de un componente puro, o coeficiente de autodifusividad, se puede determinar experimentalmente mediante la tcnica de trazadores radiactivos.

Tabla 1: Difusividad de gases, a 1atm

Fuente: Vian-Ocon, 5ta edicin, Elementos de Ingeniera Qumica

En ausencia de datos experimentales, la difusividad puede evaluarse a partir de ecuaciones semiempricas basadas en la teora cintica; aunque se han dado otras de tipo parecido, la correlacin general ms satisfactoria es la de Hirschfelder,Bird y Spotz:

.... (15.9)

Siendo:

Figura 1: Funcin de colisin para gases y vapores

Fuente: Vian-Ocon, 5ta edicin, Elementos de Ingeniera Qumica

Wilke y Lee han hecho recientemente una revisin de las ecuaciones del tipo de la [15-9] l. Segn estos autores, las difusividades calculadas se aproximan ms a las experimentales cuando las constantes de choque E/k y r se calculan a partir de las viscosidades (en la tabla 15-2 damos algunos de estos valores). A falta de estos datos, las constantes de choque pueden evaluarse segn:

siendo Tc la temperatura crtica; Tb , la temperatura normal de ebullicin; V, el volumen molar en el punto de ebullicin normal (cm3/mol), y Vc, el volumen crtico (cm3 /mol). Cuando sea posible se emplearn las expresiones indicadas en primer lugar.

Tabla 2: Constantes de colisin, evaluadas a partir de las viscosidades

Fuente: Vian-Ocon, 5ta edicin, Elementos de Ingeniera Qumica

La ecuacin (15-9) nos sirve tambin para interpolar (y extrapolar dentro de intervalos moderados) los valores experimentales de la difusividad a presiones y temperaturas diferentes, teniendo en cuenta la proporcionalidad con y con 1/p.

2.3 DIFUSIVIDAD DE LIQUIDOS La teora de difusin en lquidos est poco desarrollada y los datos experimentales son menos abundantes que para gases. Las difusividades de lquidos son generalmente de 4 a 5 rdenes de magnitud inferiores a las de gases a la presin atmosfrica. La difusin en lquidos ocurre debido al movimiento al azar de las molculas, pero la distancia media recorrida entre las colisiones es inferior al dimetro molecular, en contraposicin con lo que ocurre en gases, donde el recorrido libre medio es de mayor orden de magnitud que el tamao de la molcula.Las difusividades para disoluciones diluidas de lquidos pueden calcular sea aproximadamente a partir de la correlacin emprica de Wilke y Chang.

Los valores recomendados de son 2,6 para agua, 1,9 para metanol, 1,5 para etanoly 1,0 para benceno, heptano, ter y otros disolventes no asociados. La Ecuacin (2) slo es vlida para soluciones de bajas concentraciones de no electrlitos. Para disoluciones acuosas de disoluciones de baja concentracin en electrlitos se puede utilizar una ecuacin ms sencilla:

Donde:

Tngase en cuenta que, contrariamente al caso de mezclas gaseosas binarias, el coeficiente de difusin para una disolucin diluida de A en B no es el mismo que el correspondiente a una solucin diluida de B en A, puesto que , MB y VA ,sern diferentes cuando se intercambian el soluto y el disolvente. Para concentraciones intermedias a veces se obtiene un valor de DAB aproximado mediante interpolacin entre los valores de las disoluciones diluidas, pero este mtodo conduce a grandes errores para el caso de disoluciones no ideales.

Tabla 3: Difusividad de disoluciones acuosas

Fuente: Vian-Ocon, 5ta edicin, Elementos de Ingeniera Qumica

Tabla 4: Difusividad de disoluciones acuosas

Fuente: Vian-Ocon, 5ta edicin, Elementos de Ingeniera Qumica

Tabla 5: Volmenes atmicos y funcionales, volmenes molares de compuestos sencillos

Fuente: Vian-Ocon, 5ta edicin, Elementos de Ingeniera Qumica

2.4EQUIPO PARA ESTUDIAR COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MASA Y DIFUSION DE LIQUIDOS-CERb (ARMFIELD)

Se han diseado dos aparatos de laboratorio independientes para permitir a los estudiantes medir difusividades moleculares y, al hacerlo, familiarizarse con las nociones bsicas de la teora de la transferencia de masa.

El aparato de difusividad gaseosa (CERa) trata de la difusin con el flujo global, y el aparato de difusividad lquida (CERb), de un proceso de contradifusin equimolar.

El CERb es un aparato montado en banco para la determinacin de coeficientes de difusin de componentes en fase lquida.

El mtodo utiliza una clula de difusin de tubos capilares, construida de tal forma que permite una contradifusin equimolar entre lquidos de diferente concentracin en cada lado de la clula sin que se produzcan efectos de conveccin.

Los cambios de concentracin producidos con respecto al tiempo en un lado de la clula son medidos con el conductmetro suministrado, mientras que un agitador (tambin incluido) magntico mantiene bien mezclada la solucin.

Figura 02: Equipo para difusin de lquidos

Medicin precisa de velocidades de transferencia de masa en ausencia de efectos de conveccin. uso de las leyes de los gases para calcular diferencias de concentracin en trminos de presiones parciales. Uso de la ley de Fick para deducir coeficientes de difusin a partir de mediciones de la velocidad de transferencia de masa y la diferencia de concentracin. Anlisis sencillo de un proceso de estado inestable de primer orden. Efecto de la concentracin en los coeficientes de difusin. Familiarizarse con el uso de instrumentos de laboratorio para obtener mediciones precisas de datos requeridos para el diseo de procesos industriales.

Como extra opcional, el CERb puede ser conectado a una PC usando el paquete de registro de datos, CERb-90IFD-USBLas lecturas de conductividad en el tiempo pueden registrarse automticamente, usando factores de escala y tasas de muestreo seleccionados mediante mens. Pueden obtenerse en lnea presentaciones tabulares o grficas, y stas pueden ser guardadas en disco o imprimidas.

Figura 03:Equipo para difusin de gases Armfield

III. EQUIPOS Y MATERIALES Y REACTIVOS UTILIZADOS Experiencia 1: Difusividad msica en lquido Equipo de difusividad de Lquidos

Recipiente cilndrico

Medidor de conductividad

Agitador magntico

Termmetro

Fuente: imagen de internet

Cloruro de sodio

Fuente: elaboracin propia

IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Experiencia 1: Difusividad msica en lquidos Preparar 50 ml de una solucin de NaCl 1.5M. para lo cual pesamos (4.388g) de NaCl, luego llenar completamente la celda y limpiar cualquier exceso de solucin del exterior, de la celda y los topes de los capilares usando papel de filtro.

Fuente: elaboracin propia Fuente: elaboracin propia Colocar la celda sobre el recipiente, en una posicin de modo que el tope de los capilares coincidan con la marca de graduacin y 5 mm debajo de ella. Llenamos el recipiente con un litro de agua destilada, hasta la marca de graduacin (5 mm por encima de los capilares).

Fuente: elaboracin propia Preparamos un conductmetro para tomar mediciones, Encender el agitador magntico para dar una agitacin suave. Tomar lectura de la conductividad en intervalos de 1 minutos.

Fuente: elaboracin propia Fuente: elaboracin propia

Fuente: elaboracin propia

V. OBSERVACIONES EXPERIMENTALES

En la prctica de difusividad de gases, una vez que se alcanza la temperatura deseada (40C) el calentador se apaga, pero tener cuidado que la temperatura no baje, porque nosotros queremos que la temperatura permanezca constante.

Agregar cuidadosamente la solucin de NaCl dentro de la celda de difusin, para que el conductmetro tome bien las lecturas.

Limpiar la celda por fuera con agua destilada y luego secar.

Cuando se enciende el agitador magntico, se comienza a tomar lectura de K.

VI. DATOS EXPERIMENTALESExperiencia 1: Difusividad msica de lquidos

Primera medicin:T= 25C Tabla N 1

031.7

298.7

3104.2

4110.3

5117.5

6126.2

7133.8

8142.7

9149.5

10154.7

11160.5

12166

13170.6

14175.2

15178.9

16181.8

17184.8

18192.4

19208.0

20210

21211

Fuente: Datos experimentales tomados en el LOPU- UNAC

VII. RESULTADOS OBTENIDOS Y CALCULOS EFECTUADOS

Experiencia 2: Difusividad msica de lquidos1 MedicinCalcular el peso de cloruro de sodio para preparar la concentracin inicial de la solucin de cloruro de sodio 1.5M para 50ml:

Ahora con la ecuacin:

Teniendo:

Z = Longitud de la trayectoria de difusin = 0.5 cm V = Volumen del lquido en el recipiente = 1000 cm3A = rea seccin normal a la direccin del flujo. A = N ( d2/4) d = 0.1 cm N = 121 capilaresCM = 0.112 (-1)(gmol /cm3)-1 Conductividad molar para el cloruro de sodio CA1 = Concentracin de la solucin de cloruro de sodio = 1.5 M CA2 = Concentracin de la solucin de cloruro de sodio = 0 M

De los datos obtenidos en la experiencia (tabla N2), le realizamos un ajuste lineal para determinar su pendiente e intercepto.

T(min) t(seg) k

2120104,2

3180110,3

4240117,5

5300126,2

6360133,8

7420142,7

8480149,5

9540154,7

10600160,5

11660166

12720170,6

13780175,2

14840178,9

15900181,8

16960184,8

171020187,9

181080192,4

191140208

201200210

211260211

Fuente: Elaboracin propia

Graficando

Grfico N1

Se observa que conforme pasa el tiempo la conductividad del fluido va aumentando, esto se debe a que el electrolito en este caso el cloruro de sodio se va difundiendo en el agua destilada.

Con este ajuste lineal tenemos que m es igual a m=k= 0.1064 S/ s

CALCULAR LA DIFUSIVIDAD:

Calculando total de los capilares:

Reemplazando en la formula anterior:

Tericamente de tablas

Ahora para comparar con el terico se recurre a la propuesta para soluciones electrolticas diluidas, que Nernst (1888) propuso (a dilucin infinita):

DAB =Coeficiente de difusin dilucin infinita, basada en concentracin molecular, cm2/s T = temperatura, K.R = Constante de los gases = 8.314 J/(mol - K) +0 -0 = Conductividad inica (A/cm2) (cm/V) (cm3/g-equiv). Na+ = 50.1 Cl- = 76.3 (Hines, A.L. y Maddox, R.M. (1985). Mass Transfer. Fundamentals and Applications. Prentice-Hall. New Jersey)Z+ Z- = Valencias del catin y del anin, respectivamente F = constante de Faraday = 96500 C/g-equiv.

Reemplazando los datos tenemos:

Resultado experimentalSegn tablas.

VIII. CONCLUSIONES

La transferencia de masa en ciertos sistemas de dos o ms compuestos es lenta si no se controlan bien los parmetros como temperatura.

La difusividad de los lquidos puede variar bastante con la concentracin.

IX. BIBLIOGRAFIA

Vian-Ocon, 5ta edicin, Elementos de Ingeniera Qumica. Perry, R. - Chilton, C. CHEMICAL ENGINEER'S HANDBOOK. Mc Graw-Hill Book Co., New York, 1973. Treybal Robert, 2da edicin, Operaciones de transferencia de masa.

1