Difusividad En Gases

Universidad Nacional de Trujillo

Ingeniería de Alimentos II

PRÁCTICA

DIFUSIVIDAD EN GASES

Introducción:

Cuando un sistema contiene dos o más componentes cuyas concentraciones varían de punto a punto, hay una gran tendencia a la transferencia de masa, minimizando las diferencias de concentración en el sistema. El transporte de un constituyente, de una región de alta concentración a una de concentración baja, se denomina transferencia de masa.

El mecanismo de transferencia de masa, así como el de transferencia de calor, dependen del sistema dinamico en que tiene lugar. La masa se puede transferir por movimiento molecular en fluidos en reposo, ó bien puede transferirse desde una superficie contenida en el seno del fluido que se mueve, ayudada por las características dinámicas de flujo, esto es el movimiento forzado de grandes grupos de moléculas.

La difusión molecular es el viaje de uno o más componentes a través de otros ocasionados por una diferencia de concentraciones o de potencial químico cuando se ponen en contacto dos fases inmiscibles, que se encuentran estancadas o en régimen laminar.

La rapidez con la que se transfiere un componente en una mezcla dependerá del gradiente de concentración existente en un punto y en una dirección dados. Su movimiento está descrito por el flux, el cual está relacionado con la difusividad por medio de las primera Ley de FICK para un sistema isobárico e isotérmico.

MARCO TEÓRICO

Primera Ley de Fick.

Las leyes de transferencia de masa, muestran la relación entre el flujo de sustancia que se difunde y el gradiente de concentración responsable de dicha transferencia.

La relación básica para difusión molecular, define el flux molar relativo a la velocidad molar promedio, el cual se designa por JA. Una relación empírica para este flux molar, postulada por Fick, define la difusión del componente A en un sistema isobárico o isotérmico, así:

JAz = - DAB dCA/dz (1)

Para difusión en la dirección z, donde JA es el flux molar en la dirección z relativa a la velocidad molar promedio, dCA/dz es el gradiente de concentración de A en la dirección z y DAB es un factor de proporcionalidad, conocido como difusividad másica o coeficiente de difusión del componente A en el componente B, el signo negativo hace hincapié que la difusión ocurre en el sentido de decremento en concentración.

Una relación de flujo más general, que no es restringida a sistemas isobáricos e isotérmicos, conocida como Ley de Groot, es la siguiente:

JAz = - c DAB dyA/dz (2)

Donde c es la concentración global de la mezcla y yA es la fracción molar de A.

Difusividad o Coeficiente de Difusión

La difusividad, se define como el factor de proporcionalidad de la ecuación de Fick sus dimensiones se obtienen de la ecuación (1), así:

DAB = - JAz / (dCA/dz) = (M/ L2t) / (M/L3 * 1/L )= L2/t (3)

Donde M son unidades de masa, L de longitud y t unidades de tiempo.

La difusividad másica es una propiedad del sistema que depende de la temperatura, de la presión y de la naturaleza de los componentes.

En la literatura se reporta diferentes métodos analíticos para el cálculo de la difusividad, cada una con algunas limitaciones, coincidiendo generalmente en que la difusividad varía directamente con la temperatura, elevada a los tres medios e inversamente proporcional con la presión, así:

DAB P2 T2 = DAB P1 T1 (T2/T1)3/2 *(P1/P2) (4)

Difusión a través de una película de gas estancado. Fundamentos de la celda de Arnold.

Estado estable.

El coeficiente de difusión, para un sistema gaseoso, puede ser medido experimentalmente en una celda de difusión. Consta de un tubo angosto parcialmente lleno con líquido puro A, (figura 1), el cual se mantiene a temperatura y presión constante por medio de un baño de agua. Un gas B se hace fluir a través del terminal abierto del tubo; debe tener una solubilidad despreciable en el líquido A al tiempo que debe ser inerte químicamente a él. El componente A se vaporiza y difunde dentro de la fase gaseosa La velocidad de vaporización de A, puede ser expresada matemáticamente en términos del flujo másico o molar.

OBJETIVOS

Revalidar los conceptos teóricos estudiados.

Determinar el valor de la difusividad de las sustancias ( alcohol, Benceno y Acetona) en el aire a T° ambiente

Comparar el valor de la difusividad teórico con el obtenido en la práctica.

MATERIALES

Tubos Capilares de 10cm.

Sustancias volátiles (Acetona, Benceno y Alcohol).

Sistema continúo de ventilación.

Jeringas

METODOLOGIA

Hacemos marcas en el capilar a cada 0.5 cm con el fin de facilitar la lectura al momento de la evaporación de las sustancias.

Fijamos la base donde se pondrán los capilares en reposo

Administramos las sustancias a los capilares por medio de una jeringa con el fin de que facilite y garantice un buen llenado de los tubos capilares.

Acercamos el sistema de ventilación.

Dejamos en reposo y tomamos datos cada cierto tiempo.

RESULTADOS Y DISCUCIONES

Temperatura del experimento 20°C (293.15 °K).

TABLA 1. Resultados experimentales para el alcohol

L (cm) L0 (cm) L-Lo (cm) t/(L-Lo)

0 0 0 0 0

272 0.25 0 0.25 1088.0000

1259 0.5 0 0.5 2518.0000

2656 0.9 0 0.9 2951.1111

4456 1.1 0 1.1 4050.9091

7521 1.4 0 1.4 5372.1429

8923 1.5 0 1.5 5948.6667

12958 1.6 0 1.6 8098.7500

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