UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTOBAL DE HUAMANGA

FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y METALURGIA

E.F.P DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL

PRACTICA Nº 01“DIFUSIÓN MOLECULAR”

Estudiantes : Henry Herber TINEO MENDOZA

Docente : Ing. Alfredo ARIAS JARA

Asignatura : OPERACIONES UNITARIAS I (AI-

342)

Grupo : MARTES 7-10 am

AYACUCHO-PERU2010

PRACTICA Nº 01DIFUSIÓN MOLECULAR

I. Objetivos: 1. Distinguir y diferenciar la difusión molecular de la difusión convectiva.2. Determinar la difusividad para la difusión de un vapor a través de una columna

estática de aire, evaluada en las condiciones del laboratorio.3. Evaluar las características de una difusión interfacial.

II. Fundamento Teórico: La difusión molecular en el transporte de un o más especies químicas dentro de un medio material, como una respuesta a su gradiente de concentración (potencial químico). La ecuación básica utilizada en los estudios de difusión es la ley de Fick.

J A=−DAB

d C A

dz………………… .. (1 )

Para el estudio del transporte molecular en medios observados con respecto a un punto de referencia, se considera el efecto del movimiento de la fase a una determinada velocidad media (fase globalmente en movimiento), adicionándose vectorialmente sobre la difusión neta:

N A=J A+C AD=J A+x A∑ N……… (2 )

La aplicación y resolución de la Ec. (2), de acuerdo a los casos evaluados, permite cuantificar la densidad de flujo molar de la especie A transportado dentro de un sistema, sujeta a ciertas condiciones difusivas.El caso evaluado en la práctica es la difusión del vapor (desde la superficie del líquido cargado en el capilar) hacia el tope superior ventilado, a través de una columna de aire estático (a temperatura y presión definidas), tal que la resolución de la Ec. (2) para N B=0 es:

N A=D AB

LPRT

ln( 1−Y A2

1−Y A1)……………………. (3 )

A partir de la variación de la columna de liquido (por evaporación estacionaria) con respecto al tiempo, se determina la densidad de flujo molar del vapor a través del aire estático:

N A=( ρA

M A) δ L

θ=( ρA

MA) (L−L0 )

t…………………………… .. ( 4 )

Combinando la Ec.(3) con la Ec. (4) se determina experimentalmente la difusividad del vapor

estudiado en el capilar, y considerando el extremo superior ventilado (Y A 2≈0):

DAB=( ρA

MA)L(RTP ) δ L

θ1

ln( 1− y A2

1−Y A 1

)=N A Lm(

RTP

)

ln( 11−Y A 1

)…………………………(5)

De tal manera que, para cada ti experimentalmente registrado (i≠0) se debe obtener el respectivo valor de la difusividad: DABi, conociendo que:

Lmi=(Li+L0)/2

N Ai=( ρA

M A) (L¿¿i−L0)

t i¿

III. Procedimiento Experimental:

a. Difusión en un medio gaseoso estático:1. Se inicio instalando el capilar ventilado sumergido en el baño termostático y

acoplado con la escala métrica graduada (de acuerdo a la indicación y esquema expuesto por el profesor).

2. Utilizando la jeringa se deposito un solvente liquido (acetona) ha estudiar en el capilar, tal que se reporta unos 10cm de espacio entre la superficie del liquido y el tope superior del capilar.

3. Se estabilizo el sistema, tanto térmica y difusivamente.4. Finalmente se registro la variación de la altura del espacio difusional (L) con

respecto al tiempo (t). se realizo la lectura cada 30 min.

b. Difusión Interfacial:1. Se realizo discusión sobre la inmiscibilidad, área interfacial y dispersión establecida

entre el agua y cloroformo liquido.2. Luego observamos la difusión del colorante violeta de cristal sobre el agua en el

estado molecular y sometido a una ligera agitación.3. A la solución liquida del violeta de cristal en agua se le añadió cloroformo; luego se

observo y se discutió la transferencia de masa interfacial.

IV. Reporte de Datos: a. Difusión en un medio gaseoso estático:

Presión local : 548mmHgTemperatura (termostato) : 29ºCLiquido utilizado : Acetona

Tabla de datos:ti (min) Li(cm)0 6.3

30 6.3560 6.490 6.5120 6.6150 6.67

Figura Nº 02: Esquema del baño termostático y el capilar ventilado

b. Difusión Interfacial: Figura Nº 03: Agua + colorante (violeta de cristal)

Primeramente se adiciona agua al tubo de ensayo y posteriormente el colorante al observar se manifiesta una difusión molecular (es el transporte de una o más especies químicas dentro de un medio material). Al agitar se da difusión convectiva turbulenta.

Figura Nº 04: Agua + colorante (violeta de cristal) + CloroformoAl adicionar el cloroformo a la solución (agua + colorante) se observa que el cloroformo se ubica en la parte inferior y la solución (agua + colorante) en la parte superior.

Figura Nº 05: Agua + colorante (violeta de cristal) + Cloroformo + agitación

Al agitar Agua + colorante (violeta de cristal) + Cloroformo se observo la transferencia de masa interfacial con el fin de que entre dichas fases se establezca la trasferencia de las sustancias que las forman en este caso es el colorante (violeta de cristal).

V.VI.

VII.VIII.

IX. Cuestionario: 1. Reportar la difusividad para el compuesto estudiado a partir de la revisión bibliográfica

(corregir la temperatura y presión según sea el caso).

DIFUSIVIDAD DE ACETONA - AIRE (T = 0ºC)DAB = 1.09 x 10-5 m2/s

Ec. Fuller: DAB=D ABo( TT 0 )1.75

( PP0 )Corregir a T = 29ºC

DAB=1.09×10−5×( 302.15273.15 )

1.75

×( 760548 )=1.8×10−5m2/ s

2. Determinar la difusividad del compuesto estudiado, para cada tiempo observado con respecto al tiempo inicial, utilizando la Ec.(5), comparar con el valor bibliográfico y reportar el error.

DATOS:ρacetona = 783 Kg/m3

T = 29 ºC = 302.15KCH3COCH3 = 58 kg/kmolP = 548 mmHg = 0.721053 atmR = 0.082075 atm x m3/mol x KY A 2

≈0(ventilado)

1º Calculando para: t = 1800s

N Ai=( ρA

M A) (L¿¿i−L0)

t i¿

NAi ¿783

Kg

m3× (0.0635−0.063 )m

58.08kg /kmol×1800 s= 3.75 x 10-3 kmol/m2s

Ec. Antoine:

Constantes para la ecuación de Antoine (acetona), T=°K, P=mmHg

LnPSat=A− BT +C

A = 16.6513B = 2940.46C = -35.93

LogPSat=16 .6513−2940 . 46302. 15+(−35 .93 )

=5 . 6061

PSat=e5 . 6061=272.07mmHg

Y A1=PSat

P=272 . 07mmHg

548mmHg=0 ,496

Lmi=(Li+L0)/2=(0 .0635+0 .063 )/2=0. 063 Reemplazando todos los datos en la Ec. 05:

DAB=N ALm

RTP

Ln( 11−Y A1

)=

3 .75×10−6 ¿0 .063×0 .0820570 .721053

Ln( 11−0 .000352 )

=1 .19×10−5m2 ¿ s

Determinación del error:

Error=|V Exp−V Teorico

V Teorico

|×100=|1 .19×10−5−1. 8×10−5

1. 8×10−5|×100=34 . 19%

Cuadro Nº01: tabla de resultados.

error0 0.063

1800 0.0635 0.063 0.0000037 0.0000119 34.19 3600 0.064 0.064 0.0000019 0.0000060 66.96 5400 0.065 0.064 0.0000025 0.0000080 55.61 7200 0.066 0.065 0.0000019 0.0000061 66.44 9000 0.0667 0.065 0.0000010 0.0000034 81.11

ti (seg) Li (m) Lmi NA i (mol /m2) DAB i (m2/s)

3. Preparar una grafica de la variación experimental de la altura del liquido evaporado con respecto al tiempo t vs δL=(L-Lo),realizar la regresión lineal: luego con el valor de la

pendiente (δL/t) en m/s y la longitud media total de difusión: Lmt=(Lo+LF)/2 , determinar

la difusividad media, utilizando la Ec.(5) con N A=( ρA

M A) ,pendiente.

t(seg)1800 0.00053600 0.0015400 0.0027200 0.0039000 0.0037

δL

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100000

0.0005

0.001

0.0015

0.002

0.0025

0.003

0.0035

0.004

f(x) = 4.66666666666667E-07 x − 0.00048

t vs δL

N Ai=( ρA

M A) . pendiente= 783kg /m3

58kmol/ kg×5×10−7=6.75×1 0−6 kmol/m2 s

Calculando la difusividad media:

DAB=N AiL( RTP )=6 . 75×10−6¿ 0 . 065×0 .082057×302. 15

0 . 721053=1 ,51×10−5m2¿ s

Determinación del error:

Error=|V grafico−V Teorico

V Teorico

|×100=|1 .51×10−5−1. 8×10−5

1. 8×10−5|×100=16 . 11%

4. Explicar los siguientes términos:

Inmiscibilidad (entre líquidos): Descripción de líquidos que no se mezclan unos con otros, como el aceite y el agua. Cuando dos líquidos inmiscibles se agitan juntos, se produce emulsión. Esta formada normalmente capas separadas en el momento de dejarlos en el reposo.

Dispersión: fenómeno de separación de las ondas de distinta frecuencia al atravesar un material. Todos los medios materiales son más o menos dispersivos, y la dispersión afecta a todas las ondas

Coalescencia: Se produce cuando dos o más gotitas chocan una con otra y resulta en la formación de una gota más grande. Es dominante cuando F es alto. Coalescencia involucra la ruptura que la película superficial y es irreversible. Varios factores, como: la solubilidad y la concentración del emulsificador, pH, sales, relación fase-volumen, temperatura y propiedades de la película, afectan la estabilidad por coalescencia de la emulsión.

Superficie interfacial: Es el área o superficie de conexión física y funcional entre dos aparatos o sistemas independientes, en otras palabras es el área de contacto de dos cuerpos o sustancias que no se juntan ya sea porque tienen características diferentes o no son solubles uno del otro.

Transferencia de masa interfacial: Es el estudio de dos fases insolubles, con el fin de que entre dichas fases se establezca la trasferencia de las sustancias que las forman. Los gradientes de concentración del sistema de dos fases, indican el alejamiento de la posición de equilibrio que existe entre las fases. Si se estableciese el equilibrio, los gradientes de concentración y por ende la rapidez de difusión descenderían a cero. Por lo tanto, es necesario considerar tanto los fenómenos de difusión como los equilibrios, con el fin de describir por completo las diferentes situaciones.

X. Conclusiones: Al culminar está practica se llego a diferenciar la difusión molecular de la difusión

convectiva. Se obtuvieron resultados de difusividades a diferentes tiempos que son: 1.19x10 -5 m2/s,

6.0x10-6m2/s, 8.0 x10-6m2/s, 6.1 x10-6m2/s y 3.4 x10-6m2/s; también se calculo el error comparando con el dato bibliográfico con los distintos datos experimentales la cual resulto 34,19 %, 66,96 %, 55,61 %, 66,44 % y 81,11 % respectivamente.

Se llego a determinar la difusividad media 1.51 x 10 -5 m2/s y en comparación con la difusión bibliográfica 1.51 x 10-5 m2/s nos reporta un error de 16.11%

XI. Bibliografía: Robert E. TREYBAL “Operaciones de Trasferencia de Masa” Edit. Mc Graw Hill. 2da Edición.David M. HIMMELBLAU “ Principios Básicos y Cálculos en Ingeniería Química” Edit. Prentice Hall. Sexta edición. Impreso en México 1997