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DIFUSIVIDAD DE VAPORES FENMENOS DE TRANSPORTE II
25-11-2014
DIFUSIVIDAD DE
VAPORESFENMENOS DE TRANSPORTE
INTEGRANTES:
- CAIPO INFANTES, GIMENA
- JULCA GONZLES, ALEJANDRO
- DAZ SNCHEZ, LEONARDO JAIR
- PUELLES ROMN, JENIFFER
- RETTO HERNNDEZ, PATRICIA
DOCENTE:
Ing. Jess Alexander Snchez Gonzles
TRUJILLO PER
2 14
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DIFUSIVIDAD DE VAPORES FENMENOS DE TRANSPORTE II
DIFUSIVIDAD DE VAPORES
I. INTRODUCCIN
La difusin es el movimiento, bajo la influencia de un estmulo fsico, de un
componente individual a travs de una mezcla. La causa ms frecuente de la
difusin es un gradiente de concentracin de componente que difunde. Un
gradiente de concentracin tiende a mover el componente en una direccin tal que
iguale las concentraciones y anule el gradiente. Cuando el gradiente se mantiene
mediante el suministro continuo de los componentes de baja y de alta
concentracin, el flujo del componente que se difunde es continuo. Aunque la
cauda habitual de la difusin es un gradiente de presin, por ser un gradiente de
temperatura o por la a aplicacin de un fuerza externa. La difusin molecular
inducida por un gradiente de presin (no presin parcial) recibe el nombre de
Difusin de Presin, la inducida por la temperatura es la Difusin Trmica y la
debida a un campo externo es la Difusin Forzada.
La difusin de un vapor "A" de un lquido voltil a otro gas "B" puede estudiarse
confinando una pequea muestra del lquido en un tubo vertical estrecho, y
observando su velocidad de evaporacin a un flujo de gas "B" que pasa a travs de
la parte superior del tubo. Normalmente, para propsitos didcticos sencillos, "B"
es aire y "A" es un disolvente orgnico, por ejemplo acetona o alcohol metlico. El
aparato consiste esencialmente en un tubo capilar de vidrio colocado en un bao
de agua de paredes transparentes de temperatura controlada. Un tubo de vidrio
horizontal est sujeto al extremo superior del tubo capilar, y el aire es impulsado
por este tubo por una pequea bomba de aire incluida con la unidad.
II. OBJETIVOS
Determinar experimentalmente el coeficiente de difusividad de sustancias
voltiles
Comparar los coeficientes de Difusividad obtenidos experimentalmente con los
valores encontraos en la bibliografa.
III. MATERIALES Y METODOLOGA
Materiales
-
Sustancias voltiles (acetona, alcohol)
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-
Capilares o tubos delgados
- Cronmetro
- Regla graduada
Metodologa
- Registrar la temperatura a la que se realizara el experimento y mantenerla
constante.
Instalar el experimento como el mostrado en la figura 1.
-
Hacer circular aire en la posicin 2 de tal manera de asegurar que Ca2=0.
- Medir la diferencia a diferentes intervalos de tiempo la distancia entre la posicin
1 y 2. Para un tiempo inicial (t=0) l correspondera una altura inicial (L=Lo).
- Calcule la difusividad de cada una de las sustancias en funcin de las siguientes
ecuaciones de la forma, donde b es la pendiente:
a)
En funcin de las concentraciones
b) En funcin de las presiones:
Donde:
Figura 1. Esquema del experimento.
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Finalmente:
IV. PROCESAMIENTO DE DATOS
Para la determinacin de la difusividad para cada sustancia se utiliz el Mtodo
de Winkelmann para el anlisis de transferencia de masa en un tubo de Stefan.
Clculo de la Difusividad de la Acetona
Para la acetona, a temperatura ambiente (25 C = 298 K) y presin atmosfrica,
se tiene:
( ) (
)
Calculamos la concentracin total y parcial de A y B:
( ) ()
( )
( )
De la grfica 2 que corresponde a la acetona, se tiene:
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Y la pendiente es:
( )
Calculando la Difusividad D:
( )
()
Clculo de la Difusividad del Alcohol
Para el alcohol, a temperatura ambiente (25 C = 298 K) y presin atmosfrica,
se tiene:
(
) (
)
Calculamos la concentracin total y parcial de A y B:
( ) ()
( )
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( )
De la grfica 3 que corresponde a la acetona, se tiene:
Calculando la Difusividad D:
( )
( )
( )
V. RESULTADOS Y DISCUSIN
Se trabaj con dos tipos de sustancias voltiles: alcohol etlico (96) y acetona,
con el fin de determinar el coeficiente de difusividad de la acetona y del alcohol
a temperatura ambiente y a presin atmosfrica, basndose en el mtodo de
Winklemann a partir de datos experimentales de altura de interfase en un
determinado intervalo de tiempo.
Ambas sustancias se colocaron en dos tubos de ensayo delgados, estos debieron
ser transparentes para de esta manera lograr visualizar los niveles de fluido en
cada medicin. Se deja evaporar lquido en un tubo de vidrio vertical sobre cuya
boca superior se hace circular una corriente de gas exenta de vapor con una
velocidad suficientemente elevada para que la presin parcial del vapor
permanezca prcticamente igual a cero. Se asumieron ciertas condiciones del
sistema, las cuales son: presin y temperatura constantes; el vapor se mueve en
rgimen pseudoestacionario; no se absorbe aire hacia el lquido y se consideran
que los tubos de ensayo de trabajo son cilindros perfectos. Cabe sealar que la
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velocidad de evaporacin se puede seguir a partir de la velocidad de descenso de
la superficie del lquido y puesto que el gradiente de concentracin es conocido,
se puede calcular la difusividad. Es por esto, que en la prctica se midi el
descenso de cada lquido durante ciertos periodos de tiempo.
Los datos de cada tratamiento experimental se reportan en las siguientes tablas.
Tabla 1. Resultados experimentales para la difusividad de la acetona
ACETONA
Tiempo (s) L L-Lo (cm) t/(L-Lo)
0 4,40
18000 4,90 0,50 36000
43200 5,20 0,80 54000
79200 5,90 1,50 52800
93600 6,10 1,70 55059
129600 6,50 2,10 61714
144000 6,60 2,20 65455
158400 6,80 2,40 66000
176400 7,00 2,60 67846
217800 7,40 3,00 72600
233100 7,50 3,10 75194
248400 7,70 3,30 75273
266400 7,80 3,40 78353
277200 7,90 3,50 79200
298800 8,00 3,60 83000
313200 8,10 3,70 84649
Tabla 2. Resultados experimentales para la difusividad del alcohol etlico
ALCOHOL
Tiempo (s) L L-Lo (cm) t/(L-Lo)
0 4,60
18000 4,70 0,10 180000
43200 4,90 0,30 14400079200 5,00 0,40 198000
93600 5,10 0,50 187200
129600 5,20 0,60 216000
144000 5,30 0,70 205714
158400 5,30 0,70 226286
176400 5,40 0,80 220500
217800 5,50 0,90 242000
233100 5,50 0,90 259000
248400 5,60 1,00 248400
266400 5,70 1,10 242182277200 5,80 1,20 231000
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298800 5,80 1,20 249000
313200 5,90 1,30 240923
Con los datos obtenidos durante 4 das de experimentacin es posible realizar la
siguiente grfica
Figura 2. Dispersin obtenida con los datos experimentales de Difusividad de
Acetona
Figura 3. Dispersin obtenida con los datos experimentales de Difusividad de
Alcohol
y = 12830x + 35152R = 0.9485
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
t/(L-Lo)
L-Lo (cm)
Acetona
y = 74229x + 161448
R = 0.6996
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40
t/(L-Lo)
L-Lo (cm)
Alcohol
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Luego se resumieron los resultados obtenidos en el procesamiento para ambas
sustancias y se compararon con los valores tericos extrados de Cengel (2007),
en la tabla 3.
Tabla 3. Comparacin entre los resultados tericos y obtenidosexperimentalmente.
Acetona Alcohol etlico
Como se puede apreciar en la tabla anterior, el coeficiente de difusin del aire yla acetona obtenido mediante los clculos respectivos arroj un valor de 3.6*10 -5
m2/s. Sin embargo, Cengel y Ghajar (2011) indican que el valor del coeficiente
de difusin binaria del aire y la acetona a 1 atm es 1.1 x 10 -5 m2/s. Con respecto
al etanol, el coeficiente de difusin obtenido arroj un valor de -. Paraeste caso, Cengel y Ghajar (2011) indican que el valor del coeficiente de
difusin binaria del aire y la acetona a 1 atm es 1.2 x 10 -5 m2/s.
Existen mltiples factores que influyen el valor de las difusividades obtenidas.
Un factor es que la temperatura vari durante el proceso, debido a que si el
aparato se mantiene a temperatura constante, no habr corrientes de remolino en
el tubo vertical y la transferencia de materia desde la superficie tendr lugar
exclusivamente por difusin molecular. Otro factor que afect al sistema fue que
la corriente de aire que pasaba sobre el tubo, la cual no se mantuvo a una
velocidad constante. Por otro lado, en el caso de la acetona, esta no fue una
sustancia pura, ya que contena alcohol y otros compuestos voltiles indicadosen su composicin, lo que influy significativamente en los resultados
obtenidos. La difusividad o coeficiente de difusin DAB, es un valor que
representa la facilidad con que cada soluto en particular se mueve en un
disolvente determinado. En la literatura es posible encontrar valores del
coeficiente de difusin para diferentes pares de sustancias as como ecuaciones
basadas en la teora cintica y empricas que nos permiten calcular dichos
valores. Sin embargo, Winklemann proporciona un mtodo experimental para
determinar la difusividad de lquidos voltiles a travs de gases.
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Segn Mott (1996), el valor de la difusividad (D) debe ser mayor para los
lquidos ms voltiles (benceno, acetona y alcohol), ya que estos tienden a
evaporarse con mayor facilidad, adems de presentar una alta velocidad de
transferencia de masa, observndose este suceso en el experimento del alcohol.
Segn Geankoplis (1998), sustancias con mayor volatilidad, presentan una
velocidad de difusin mucho mayor que otras sustancias menos voltiles. Se
observa en la prctica que la velocidad de evaporizacin de la acetona fue mayor
que la del etanol y por tanto, este es el lquido ms voltil el cual presenta mayor
velocidad de difusin
VI. CONCLUSIONES
Se determin experimentalmente el coeficiente de difusividad de compuestos
voltiles como el alcohol etlico y la acetona.
Se realiz la comparacin respectiva con los valores obtenidos en la
bibliografa reportando resultados alejados con los de otros autores, debido a
que el experimento no se llev a cabo en las mejores condiciones.
VII. BIBLIOGRAFA
Cengel, Y. (2007). Transferencia de calor y masa. Un enfoque prctico
(Tercera edicin ed.). Mxico: Editorial McGraw-Hill Interamericana.
Geankoplis, C. (1998). Procesos de transporte y operaciones unitarias.
Tercera edicin. Compaa editorial continental, S.A. Mxico.
Mott, R. (1996). Difusin molecular. Cuarta edicin. Prentice-Hall 580 p.
Mxico.
Treball, R. (2004). Operaciones de transferencia de masa. McGraw-Hill.
Segunda edicin Mxico.
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VIII. ANEXOS
Figura 4. Tubos de ensayo utilizados para la toma de datos.