UNI-FIQT PI 144/A. CICLO 2013-1

PROBLEMAS DE DIFUSIÓN MOLECULAR 1 A través de la apertura accidental de una válvula se ha derramado benceno sobre el

piso de una planta industrial en un área remota, de difícil acceso. Se desea calcular el tiempo requerido para que el benceno se evapore hacia la atmósfera circundante de aire en reposo. La capa de benceno es de 0,04 pulgadas de espesor, puede suponerse que permanece a una temperatura constante de 75 °F. El aire también se encuentra a 75 °F y 1 atm de presión con una humedad absoluta de 0,002 lb benceno/lb aire seco. Se supone que la evaporación tiene lugar a través de una película gaseosa de 0,2 pulgadas de grueso.

2 Amoniaco se difunde en estado estacionario a través de nitrógeno en un conducto metálico de 4 pies de longitud, a una T de 25 ºC y una presión total de 1 atm. La presión parcial de NH3 en el extremo izquierdo es de 0,25 atm y en el otro extremo es de 0,05 atm. La sección transversal del conducto es en forma de triángulo equilátero. La longitud de cada lado del triángulo es de 0,2 pies en el extremo izquierdo y decrece uniformemente a 0,1 pies en el extremo derecho. a. Calcule el flux molar de NH3 para contradifusión equimolar b. Calcule la presión parcial de NH3 a una distancia de 2 pies y graficar los tres

valores de presión parcial del NH3 vs z (distancia). 3. Benceno se difunde en estado estacionario a través de una capa de aire estancado en

un tubo de 2,00 m a 25°C y una presión absoluta total de 101320 Pa. El aire está saturado con benceno en la base y se puede suponer que se encuentra libre de benceno en el tope. El tubo tiene una sección transversal que corresponde a un triangulo equilátero, el cual disminuye uniformemente desde 1,00 metros en la base hasta 0,500 m en el tope. Calcule proporción de pérdida del benceno al aire.

4. Considere la siguiente reacción, en la cual los compuestos A2 y B se difunden a través de una película de gas hacia la superficie de un catalizador sólido y reaccionan para formar A y C:

2 A2 + B = A + 3 C Los compuestos A y C se difunden en sentido contrario a través de la película de gas. Encuentre la ecuación que permite calcular la difusividad eficaz del compuesto A2 en la mezcla (�A2m), para este caso.

5. ¿Cuál es el flujo de evaporación de Cloropicrina (CCl3NO2) en g/h, en aire seco que fluye suavemente (en forma de una ligera brisa) a 25 ºC en el tope de un tubo metálico. La cloropicrina ha sido colocada en una ampolla que está conectada al fondo del tubo (Celda Arnold). Las condiciones son: la presión total es 760 mm Hg, la difusividad de la Cloropicrina en aire es 0,088 cm2/s. La presión de vapor de la cloropicrina es de 23,81 mm Hg. La distancia desde el nivel del líquido al tope del tubo es de 11,14 cm. La densidad de la cloropicrina es de 1,65 g/cm3, y el área del líquido expuesta a la evaporación es de 2,29 cm2.

6. Cuatro cm3 de una mezcla formada al añadir 2 cm3 de acetona a 2 cm3 de ftalato de dibutilo se encuentran contenidos en un tubo vertical de vidrio de 6 mm de diámetro sumergido en un baño termostático a 315 K. Sobre el extremo abierto del tubo se pasa una corriente de aire a 315 K y presión atmosférica con el fin de mantener una presión parcial nula del vapor de la acetona en dicho punto. El nivel del líquido está inicialmente 1,15 cm por debajo de la parte superior del tubo y el vapor de acetona se transfiere hacia la corriente de aire por difusión molecular exclusivamente. El ftalato de dibutilo puede considerarse como completamente no volátil y la densidad del ftalato de dibutilo es suficientemente más grande que la de la acetona.

Calcule el tiempo que se requiere para que el nivel del líquido descienda 5 cm por debajo de la cima del tubo. Peso molecular de la acetona y ftalato de dibutilo = 58 y 279, respectivamente. Densidad de los líquidos acetona y ftalato de dibutilo = 764 y 1048 kg/m3, respectivamente. Presión de vapor de la acetona a 315 K = 60,5 kN/m2.

7.2 Se está fraccionando NH3 sobre un catalizador sólido de acuerdo con la reacción: 2 NH3 = N2 + 3 H2

En cierta zona del aparato, en donde la presión es 1 atm y la temperatura de 200 ºC, el análisis del gas es 33,33% NH3 (A), 16,67% N2 (B) y 50% H2 (C), en volumen. Las condiciones son tales que el NH3 se difunde de la corriente del gas hasta la superficie del catalizador, además los productos de la reacción se difunden en sentido contrario, como si hubiese difusión molecular a través de una película gaseosa de 1 mm de espesor, bajo régimen laminar. Calcular la rapidez local de fraccionamiento (kg NH3/m

2.s), rapidez que se presentaría si la reacción es controlada por difusión (velocidad de reacción química muy rápida) con la concentración de NH3 sobre la superficie del catalizador igual a cero.

8.1 Se han investigado varios métodos para reducir la evaporación de agua de recipientes grandes en regiones semiáridas. Uno de los métodos que se ha probado es el de rociar una sustancia química no volátil sobre la superficie del recipiente. En un intento por determinar la eficiencia de este método, la superficie de un recipiente rectangular de 1 m x 5 m lleno con agua, se cubrió con una capa de la sustancia química de 0,002 m de espesor. En vista que el agua y el químico sólo son ligeramente miscibles, la velocidad de evaporación del agua se puede determinar al calcular la difusión del agua a través de la película de la sustancia química estática. Usando los datos que se dan abajo, calcule el flujo a la cual el agua se evapora. El coeficiente de difusión del agua a través de la película es 2,3 x 10-9 m2/s. La concentración de agua en la sustancia química en la intercara líquido-líquido es 0,3 kmol/m3. La concentración de agua en la sustancia química en la intercara gas-líquido es 0,05 kmol/m3. Suponga que la concentración total es 0,35 kmol/m3.

9. Un terrón de azúcar (asumido como una esfera sólida de sacarosa pura) con un diámetro de 2 cm es suspendido cuidadosamente en un recipiente en el cual el agua se encuentra estancada, a 20 °C. ¿Cuánto tiempo tomará para que el terrón se disuelva completamente? La densidad de la solución puede ser asumida que permanece constante en 1 g/ml. DATOS: A 20 °C la Difusividad de sacarosa en agua: DAB = 1x10-4 cm2/s, la concentración de Saturación de sacarosa en el agua: 50 % de peso. Peso molecular de sacarosa: 342 g/mol, Densidad de la sacarosa sólida: 1,6 g/ml

10. Una barra cilíndrica de cobre, de 2 cm de diámetro, se le recubre con una capa protectora de laca de grosor insignificante. Después de la aplicación de la capa protectora (en la cual se ha usado acetona como solvente), la laca es secada al contacto con aire libre de acetona y mantenida a 80ºC y presión atmosférica. ¿Si la presión de vapor de acetona en la superficie de la capa permanece constante en 410 mm Hg hasta que finaliza el secado y si la acetona se difunde desde la barra a través de una película estancada de gas de 0,5 cm de espesor, cuánto tiempo toma la laca para secar? La capa de laca original contiene 10 mg de acetona por cm2 de superficie de barra. El coeficiente de difusión de acetona en el aire es 0,085 cm2/s.

UNI 05 de abril de 2013 Ing. Rafael J. Chero Rivas

Profesor del curso