LABO6-7 difusividad

5/24/2018 LABO6-7 difusividad

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Laboratorio de Ingeniera Qumica II

Difusividad msica de gases y lquidos

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Ao de la Inversin para el Desarrollo Rural y la Seguridad AlimentariaUNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

FACULTAD DE INGENIERA QUMICA

LABORATORIO DE INGENIERA QUMICA IITEMA Difusividad msica de gases y lquidos

Integrantes:

080120-I Aguilar Campomanes, Beatriz

080792-G Chipa Saavedra, Miguel

080128-J Puchuln, Carqun, Csar082819-J Snchez Guzmn, Mayra

072834-F Salcedo Bendez, Daniel

090098-F Santana Huavil, Carlos Eduardo

Fecha de presentacin: 14-05-2013


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INDICE

INTRODUCCION 3

I. OBJETIVO 4

II. MARCO TEORICO 42.1 Difusividad 52.2 Difusividad de Gases 52.3 Celda de Arnold 72.4 Difusividad de Lquidos 8

III. EQUIPOS Y MATERIALES 10IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 18V. OBSERVACIONES EPERIMENTALES 23

VI. DATOS EXPERIMENTALES 24VII. RESULTADOS OBTENIDOS Y CALCULOS EFECTUADOS 25

VIII. ANALISIS DE RESULTADOS 37IX. CONCLUSIONES 37


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INTRODUCCION

Cuando un sistema contiene dos o ms componentes cuyas concentraciones varan deun punto a otro, presenta una tendencia natural a transferir la masa, haciendo mnimaslas diferencias de concentracin dentro del sistema.

La transferencia de un constituyente de una regin de alta concentracin a una debaja concentracin se llama transferencia de masa.

La masa puede transferirse por medio del movimiento molecular fortuito en los fluidosen reposo o puede transferirse de una superficie a un fluido en movimiento, ayudadopor las caractersticas dinmicas del flujo.

Existen expresiones tericas para estimar la difusividad en las mezclas gaseosas debaja densidad, las cuales se basan en consideraciones de la teora cintica de losgases; tomando en cuenta el movimiento de las molculas as como las fuerzas de

atraccin y de repulsin intermoleculares existentes.

En contraste con los gases, para los cuales existe una teora cintica avanzada para

explicar el movimiento molecular, las teoras que se disponen para explicar la

estructura de los lquidos y sus caractersticas an son inadecuadas para permitir un

tratamiento riguroso.

Existen equipos que nos permiten evaluar de manera experimental las difusividades

tanto para gases como para lquidos siendo de ayuda para permitirnos conocer ms las

propiedades de las sustancias y poder relacionarlos con lo terico.


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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 experimentalmenteen 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. Una

teora 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 GASES

La difusividad es una propiedad fsica que depende de los componentes, presiny temperatura. Las dimensiones de la difusividad son las mismas de laviscosidad cinemtica y la difusividad calorfica, y ordinariamente se mide encm2/seg. En la tabla 15-1 damos los valores experimentales de la difusividadpara algunos sistemas binarios a la presin atmosfrica, que pueden tomarsepara todo el intervalo de concentraciones con error menor del 3 %. La


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difusividad de un componente puro, o coeficiente de autodifusividad, se puededeterminar 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 partirde ecuaciones semiempricas basadas en la teora cintica; aunque se han dadootras de tipo parecido, la correlacin general ms satisfactoria es la deHirschfelder,Bird y Spotz:

.... (15.9)Siendo:

( ) *


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Figura 1: Funcin de colisin para gases y vapores


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 lasexperimentales cuando las constantes de choque E/k y r se calculan a partir de lasviscosidades (en la tabla 15-2 damos algunos de estos valores). A falta de estosdatos, las constantes de choque pueden evaluarse segn:

siendo Tc la temperatura crtica; Tb , la temperatura normal de ebullicin; V, elvolumen 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 primerlugar.


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


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 ycon 1/p.

2.3 CELDA DE ARNOLDEsta celda est compuesta por un tubo angosto (de geometra cuadradatericamente) que se encuentra parcialmente lleno con lquido puro A, que semantiene a una temperatura y presin constante. El gas B, que fluye a travsdel extremo abierto del tubo, tiene una solubilidad despreciable en el lquido A

y tambin es qumicamente inerte respecto de A. El componente A vaporiza y


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se difunde en la fase gaseosa. La rapidez de vaporizacin puede medirse enforma fsica y tambin expresarse en forma matemtica en trminos del flujoen masa molar.

Figura 2: Celda de Arnold

Fuente: Marianela Fernndez, Universidad del Zulia

2.4 DIFUSIVIDAD DE LIQUIDOS

La difusividad de los lquidos puede variar bastante con la concentracin; cuando no seindica sta hay que suponer que la difusividad est dada- para disoluciones diluidas delsoluto A en el disolvente B.En la tabla 15-3 damos las difusividades de algunas disoluciones. A falta de datosexperimentales puede aplicarse la correlacin de Wilke, modificada recientemente porWilke y Pin Chang:

El volumen molar del soluto se calcula por la regla aditiva de los volmenes (regla deKopp), mediante los volmenes atmicos y funcionales (vase tabla 5).


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La ecuacin [15-10] puede emplearse para extrapolar las difusividades experimentalesa temperaturas diferentes, siempre que se conozca la variacin de la viscosidad de ladisolucin con la temperatura.

Tabla 3: Difusividad de disoluciones acuosas


Tabla 4: Difusividad de disoluciones acuosas


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


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III. EQUIPOS Y MATERIALES

1. Balanza Mecnica De Triple Brazo OHAUS. Tres brazos con indicadores o muescas alineados. Resorte de compensacin de ajuste de "cero" Capacidad de pesaje: 2610g Sensibilidad: 0.1g

Figura 3

Fuente: foto tomada en el Laboratorio de Operaciones Unitarias (LOPU)-UNAC


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2. EsptulaEs una lmina plana angosta que se encuentra adherida a un mango hecho demadera, plstico o meta, es utilizada principalmente para tomar pequeascantidades de compuestos o sustancias slidas, especialmente las granulares.

Figura 4

Fuente: Imagen de internet

3. PicetaSon recipientes de plstico que se llenan generalmente con agua destilada.

Uso: Se les emplea fcilmente para enjuagar materiales previamente lavados,

completar volmenes de lquidos y lavar precipitados.

Figura 5

http://4.bp.blogspot.com/_IVijlECpkAk/SM6Sc4D8v7I/AAAAAAAAAaU/j1Ah_sbqFXA/s1600-h/Espatula.gifhttp://4.bp.blogspot.com/_IVijlECpkAk/SM6Sc4D8v7I/AAAAAAAAAaU/j1Ah_sbqFXA/s1600-h/Espatula.gif


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4. CronmetroEs un reloj que mide con gran precisin, un tiempo determinado en fracciones

de segundos.

Figura 6


5. Vaso precipitadoTiene forma cilndrica y posee un fondo plano, se encuentran en variascapacidades. Su objetivo principal es contener lquidos o sustancias qumicasdiversas de distinto tipo.

2 vasos precipitados de 500 mlFigura 7


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6. Fiola (matraz aforado)Es un recipiente de vidrio de cuello muy largo y angosto, en el cual tienen unamarca que seala un volumen exacto a una temperatura determinada que estgrabada en el mismo recipiente y generalmente es 20c.

Kyntel Capacidad: 25 ml

Figura 8



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7. ConductmetroEl conductmetro mide la conductividad elctrica de los iones en una disolucin.

Para ello aplica un campo elctrico entre dos electrodos y mide la resistencia

elctrica de la disolucin. Para evitar cambios en las sustancias, efectos de

capa sobre los electrodos, etc. se aplica una corriente alterna. Marca del

producto: LAMOTTE

Figura 9


8.Equipo para difusin de lquidosEl equipo utilizado para determinar la difusividad msica en fase lquida constade un recipiente cilndrico que se coloca sobre un agitador magntico develocidad variable, el cual se llena con agua destilada o desionizada. Sobre esterecipiente se coloca la celda de difusin, que se ajusta con el tornillo de ajuste.En la base del recipiente cilndrico, se encuentra el punto de conexin con elmedidor de conductividad.

Figura 10


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15


9. Agitador magnticoEquipo electrnico que consta de un motor que hace girar a una pastilla segn el

rango de velocidad se requiera en rpm.

Marca del producto: STUART SCIENTIFIC

Figura 11


Figura 12



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10. AcetonaEste lquido incoloro, voltil e inflamable es el ejemplo ms simple de "cetona".

Debido al hecho que la acetona es miscible en agua sirve de disolvente comotal, tpicamente el solvente elegido para tareas de limpieza en el laboratorio.

Su nombre oficial es propanona.

Figura 13


11. Cloruro de sodioDe formula qumica NaCl. Tambin conocido como sal de mesa, que al disolverlo

en agua forma una solucin electroltica, los componentes individuales se

disocian debido a interacciones entre molculas solvente y soluto en un proceso

llamado solvatacin.

Figura 14


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12.Jeringa

Instrumento de forma de embolo que permite introducir o sacar un fluido deespacios muy reducidos. Consta de una aguja con un agujero para mejorar esafuncin.

Figura 15


13. Equipo para difusin de gasesEs un instrumento que consta de un tubo capilar en donde se deposita unasolucin liquida, de preferencia voltil, y una bomba que proporciona aire a lacavidad superior transversal en el tubo donde se encuentra la solucin, paraobtener datos cuantitativos tiene tambin un microscopio.

Marca del equipo: ARMFIELD

Figura 16


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IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTALExperiencia 1: Difusividad msica de gases

Calentar el agua hasta una temperatura de 50C y con ayuda del interruptor delcalentador, controlar que est se mantenga constante.

Figura 17


Con la ayuda de una jeringa, llenar parcialmente el tubo capilar con la sustanciavoltil (acetona) hasta que el nivel del lquido quede dos centmetros por debajodel extremo superior.


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Figura 18


Introducir el capilar en el bao de agua a temperatura constante, a travs delanillo de goma de la rosca metlica, enroscar y asegurarse que el capilar ente enposicin normal frente al microscopio. Conectar un extremo del capilar alconducto de aire.

Figura 19


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Ajustar la altura del microscopio para poder visualizar la altura del lquidodentro del capilar.

Figura 20


Encender el interruptor de la bomba de aire, haciendo circular una suave brisade aire por el extremo del tubo capilar. Con ayuda del microscopio, medir eldescenso de nivel de la sustancia voltil en el capilar a intervalos regulares de

tiempo.

Experiencia 2: Difusividad msica en lquidos

Preparar 250 ml de una solucin de cloruro de sodio NaCl 2M (117g/L), paraello se pes 29.25.

Figura 21 Figura 22


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Figura 23

Fuente: fotos tomadas en el Laboratorio de Operaciones Unitarias (LOPU)-UNAC

A continuacin llenar completamente la celda, con la solucin preparada.Limpiar cualquier exceso de solucin del exterior, de la celda y los topes de loscapilares usando papel de filtro.

Figura 24


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Colocar la celda sobre el recipiente, en una posicin de modo que el tope de loscapilares coincidan con la marca de graduacin y 5 mm debajo de ella,seguidamente llenar el recipiente agua destilada (1L), hasta la marca degraduacin.

Figura 25

Fuente: foto tomada en el Laboratorio de Operaciones Unitarias (LOPU)-UNA


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Encender el agitador magntico para dar una agitacin suave. Conectar elconductmetro y tomar lectura de la conductividad en intervalos de 3 minutos.

Figura 26 Figura 27

Fuente: fotos tomadas en el Laboratorio de Operaciones Unitarias (LOPU)-UNAC

V. OBSERVACIONES EXPERIMENTALES Ya que solo se cuenta con sal yodada comercial no se puede tener los datos

para cloruro de sodio puro en solucin, el porcentaje de impurezas no essignificativo pero lo ideal es trabajar con muestras puras.

En la toma de la conductividad del liquido, tericamente si el agua destilada ydes-ionizada debera tener un valor muy diferente(oscila por los 0,055 Scm-1)al que obtuvimos, aunque la diferencia no es marcada lo ideal sera usar aguadestilada y des-ionizada.

El continuo empaamiento de las paredes de la cmara de agua en el equipo dedifusividad gaseosa obstaculizaba la medicin y toma de datos.


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VI. DATOS EXPERIMENTALES

Experiencia 1: Difusividad msica de gases

Tsolucion= 50CTabla 6

1 2.2

2 4.2

3 6.24 8.0

5 9.90

6.5 12.60

7.5 14.30

9.0 16.60

11.0 19.70

14.0 24.20

Fuente: Datos experimentales tomados en el LOPU- UNAC

Experiencia 2: Difusividad msica de lquidos

T= 23.8CTabla 7

0 21.3

3 30.7

6 35.8


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9 40.7

12 47

15 52.4

18 58.9

21 67.3

24 74.3

27 83

30 92.8

33 105.3

36 120.039 132.2

42 145.0

45 155.7


VII. RESULTADOS Y CALCULOS EXPERIMENTALES DIFUSIVIDAD DE UN GAS

Esta ecuacin representa una lnea recta: La pendiente de esta recta es

: tiempo en segundos

Diferencia de niveles


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Tabla 8 (s)

(mm)

3600 2.27200 4.210800 6.214400 818000 9.923400 12.327000 14.332400 16.639600 19.7

50400 24.2Fuente: Elaboracin propia (clculos)

Reordenando la tabla

Tabla 9

(mm)

2.2 1636.363644.2 1714.285716.2 1741.935488 1800

9.9 1818.1818212.3 1902.4390214.3 1888.1118916.6 1951.8072319.7 2010.1522824.2 2082.64463

Fuente: Elaboracin propia (clculos)

Se obtiene una grfica


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Grafica 1: Viscosidad Vs Temperatura

Fuente: Elaboracin propia (grfica en Excel)

Podemos apreciar un incremento directamente proporcional segn sigue eldescenso del lquido voltil con la relacin de tiempo sobre descenso.Esto es apreciable ya que contamos con un lquido voltil, es decir de bajopunto de ebullicin, lo que permite obtener datos de medicin de formarelativamente rpido segn su temperatura de inicio.De la grfica obtenemos una pendiente m igual a 19.549419. Que es la inversade .Entonces:

y = 19.549x + 1624.7

R = 0.981

0

500

1000

1500

2000

2500

0 5 10 15 20 25 30

/(Z-Z0)

(Z-Z0)


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: Densidad de la sustancia voltil.: Peso molecular de la sustancia voltil.C: Concentracin molar total.: Presin total de la sustancia voltil en la interface lquido-gas= PA: Presin parcial de la sustancia voltil en el seno de la corriente gaseosa.

De la tabla de presiones de vapor para varios compuestos orgnicos:

Tabla 10: Presiones de vapor de compuestos orgnicos

Presion 200 400 760ACETONA 22.7 39.5 56.5

Fuente: Manual del ingeniero quimico Perry

Genero nuevos datos para la temperatura de trabajo: 40C

Tabla 11

A B C

ACETONA 9.130474585 2488.242032 341.6403207Fuente: Elaboracin propia (clculos)

Trabajando a una temperatura de 40C obtenemos


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Tambin se sabe que

Transformando la ecuacin :

Tomando en cuenta:

Densidad de la acetona:Usando la educacin de temperatura para hallar densidades

International Critical Tables of Numerical Data, Physics, Chemistry andTechnology

Pag. 27.

Reemplazando valores de la tabla adjunta en el libro citado.

La densidad a 40C es Reemplazando los datos en la ecuacin .


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La difusividad de la acetona a 40C es:

Usando la ecuacin emprica semi emprica de Fuller:

*

: DifusividadT: Temperatura K

: Peso molecular de A Kg/Kmol

: Peso molecular de B Kg/Kmol

PT: Presin total, atmosferas: Volumen molecular


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Para hallar el volumen molecular de la acetona puesto que o esta en tablastenemos que hacer el siguiente procedimiento:

La estructura de la acetona es:

CH3-CO-CH3

3 tomos de carbono6 tomos de hidrogeno1 tomo de oxigeno

[ ]

Tabla 12

Resultado experimental Segn la ecuacin de Fuller

Fuente: Elaboracin propia (clculos)
http://es.wikipedia.org/wiki/Grupo_metilohttp://es.wikipedia.org/wiki/Grupo_carbonilohttp://es.wikipedia.org/wiki/Grupo_metilohttp://es.wikipedia.org/wiki/Grupo_metilohttp://es.wikipedia.org/wiki/Grupo_carbonilohttp://es.wikipedia.org/wiki/Grupo_metilo


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DIFUSIVIDAD DE UN LQUIDOCalcular el peso de cloruro de sodio para preparar la concentracin inicial de lasolucin de cloruro de sodio 2M para 250ml:

Ahora con la ecuacin:

*

Teniendo:

*

Z = Longitud de la trayectoria de difusin = 0.5 cmV = Volumen del lquido en el recipiente = 1000 cm3

A = rea seccin normal a la direccin del flujo.A = N ( d2/4) d = 0.1 cm N = 121 capilares

CM= 0.41 (-1)(gmol /cm3)-1Conductividad molar para el cloruro de sodio

CA1 = Concentracin de la solucin de cloruro de sodio = 2 MCA2= Concentracin de la solucin de cloruro de sodio = 0 M

De los datos obtenidos en la experiencia (tabla 7), le realizamos un ajustelineal para determinar su pendiente e intercepto.

Tabla 13

(seg) K (S)0 21.3180 30.7360 35.8540 40.7720 47900 52.4


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1080 58.91260 67.31440 74.31620 831800 92.81980 105.32160 1202340 132.22520 1452700 155.7


Grafica 2: Viscosidad Vs Temperatura

Fuente: Elaboracin propia (grfica en Excel)

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 enel agua destilada.

y = 0.0487x + 13.105R = 0.9713

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

K (S) vs (seg)

K (S)


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Con este ajuste lineal tenemos que m es igual a 0.048 S/ s o 4.8.10-8S/s. Ahora secalcula la difusividad:

Calculando total de los capilares:

Reemplazando en la formula anterior:

* *

Ahora adoptando el concepto del factor :

Donde la molalidad representada como molalidad est dada por:

Grfica 3: Activity coefficients oftypical uni-univalents electrolytes at 25oC


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Fuente: internet

De la curva para el NaCl se saca una ecuacin polinmica:

Reemplazando el punto:

Reemplazando los datos tenemos: Como correccin obtendremos:

Reemplazando:


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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, cm

2/sT = 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 andApplications. Prentice-Hall. New Jersey)Z+ Z-= Valencias del catin y del anin, respectivamenteF = constante de Faraday = 96500 C/g-equiv.

Reemplazando los datos tenemos:

* *

Tabla 14

Resultado experimental Segn la ecuacin de Nernst Fuente: Elaboracin propia (clculos)


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VIII. ANALISIS DE RESULTADOS El resultado experimental que se obtiene se aproxima al valor terico segn

la ecuacin de semi - emprica de Fuller. Adems se observa un error muypequeo en exceso del 3.732 %.

Nuestros resultados experimentales del cloruro de sodio en agua donde DAB= 2.75222.10-5cm2s-1muestran que hay cercana a los resultados tericos(dilucin infinita), esto puede deberse a que su comportamiento comosistema binario es bastante bueno.

IX. 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.

X. 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.


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