DIFUSIVIDAD DE VAPORES
FENÓMENOS DE TRANSPORTE II
25-11-2014
DIFUSIVIDAD DE VAPORES FENÓMENOS DE TRANSPORTE
INTEGRANTES: -
CAIPO INFANTES, I NFANTES, GIMENA GIMENA JULCA GONZÁLES, GONZÁL ES, ALEJ A LEJANDR ANDRO O DÍAZ SÁNCHEZ, LEONARDO JAIR PUELLES ROMÁN, JENIFFER RETTO RETT O HERNÁND HERNÁNDEZ, EZ, PATR PA TRICIA ICIA
DOCENTE:
Ing. Jesú Je súss Alexander Sánchez Gonzáles
DIFUSIVIDAD DE VAPORES
FENÓMENOS DE TRANSPORTE II
DIFUSIVIDAD DE VAPORES I.
INTRODUCCIÓN La difusión es el movimiento, bajo la influencia de un estímulo físico, de un componente individual a través de una mezcla. La causa más frecuente de la difusión es un gradiente de concentración de componente que difunde. Un gradiente de concentración tiende a mover el componente en una dirección 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 concentración, el flujo del componente que se difunde es continuo. Aunque la cauda habitual de la difusión es un gradiente de presión, por ser un gradiente de temperatura o por la a aplicación de un fuerza externa. La difusión molecular inducida por un gradiente de presión (no presión parcial) recibe el nombre de Difusión de Presión, la inducida por la temperatura es la Difusión Térmica y la debida a un campo externo es la Difusión Forzada. La difusión de un vapor "A" de un líquido volátil a otro gas "B" puede estudiarse confinando una pequeña muestra del líquido en un tubo vertical estrecho, y observando su velocidad de evaporación a un flujo de gas "B" que pasa a tr avés de la parte superior del tubo. Normalmente, para propósitos didácticos sencillos, "B" es aire y "A" es un disolvente orgánico, por ejemplo acetona o alcohol metílico. El aparato consiste esencialmente en un tubo capilar de vidrio colocado en un baño de agua de paredes transparentes de temperatura controlada. Un tubo de vidrio horizontal está sujeto al extremo superior del tubo capilar, y el aire es impulsado por este tubo por una pequeña bomba de aire incluida con la unidad.
II.
OBJETIVOS
Determinar experimentalmente el coeficiente de difusividad de sustancias volátiles
Comparar los coeficientes de Difusividad obtenidos experimentalmente con los valores encontraos en la bibliografía.
III.
MATERIALES Y METODOLOGÍA Materiales -
Sustancias volátiles (acetona, alcohol)
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-
Capilares o tubos delgados
-
Cronómetro
-
Regla graduada
Metodología -
Registrar la temperatura a la que se realizara el experimento y mantenerla constante. Instalar el experimento como el mostrado en la figura 1.
Figura 1. Esquema del experimento.
-
Hacer circular aire en la posición 2 de tal manera de asegurar que Ca2=0.
-
Medir la diferencia a diferentes intervalos de tiempo la distancia entre la posición 1 y 2. Para un tiempo inicial (t=0) l correspondería una altura inicial (L=Lo).
-
Calcule la difusividad de cada una de las sustancias en función de las siguientes ecuaciones de la forma, donde b es la pendiente: a) En función de las concentraciones
b) En función de las presiones:
Donde:
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Finalmente:
IV.
PROCESAMIENTO DE DATOS Para la determinación de la difusividad para cada sustancia se utilizó el Método de Winkelmann para el análisis de transferencia de masa en un tubo de Stefan.
Cálculo de la Difusividad de la Acetona Para la acetona, a temperatura ambiente (25 ºC = 298 K) y presión atmosférica, se tiene:
̅ )( ) ( Calculamos la concentración total y parcial de A y B:
)() ( ) ( ( ) De la gráfica 2 que corresponde a la acetona, se tiene:
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Y la pendiente es:
) ( ̅ Calculando la Difusividad D:
) ( ̅ ( ) Cálculo de la Difusividad del Alcohol Para el alcohol, a temperatura ambiente (25 ºC = 298 K) y presión atmosférica, se tiene:
̅ )( ) ( Calculamos la concentración total y parcial de A y B:
)() ( ) (
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( ) De la gráfica 3 que corresponde a la acetona, se tiene:
Calculando la Difusividad D:
) ( ̅ ( ) ) ( V.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN Se trabajó con dos tipos de sustancias volátiles: alcohol etílico (96º) y acetona, con el fin de determinar el coeficiente de difusividad de la acetona y del alcohol a temperatura ambiente y a presión atmosférica, basándose en el método 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 medición. Se deja evaporar líquido 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 presión parcial del vapor permanezca prácticamente igual a cero. Se asumieron ciertas condiciones del sistema, las cuales son: presión y temperatura constantes; el vapor se mueve en régimen pseudoestacionario; no se absorbe aire hacia el líquido y se consideran que los tubos de ensayo de trabajo son cilindros perfectos. Cabe señalar que la
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velocidad de evaporación se puede seguir a partir de la velocidad de descenso de la superficie del líquido y puesto que el gradiente de concentración es conocido, se puede calcular la difusividad. Es por esto, que en la práctica se midió el descenso de cada líquido 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
Tiempo (s)
ACETONA 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 etílico
Tiempo (s)
ALCOHOL L L-Lo (cm)
t/(L-Lo)
0
4,60
18000
4,70
0,10
180000
43200
4,90
0,30
144000
79200
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
242182
277200
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 días de experimentación es posible realizar la siguiente gráfica Acetona 90000 80000 70000 60000
) o L L ( / t
50000 40000
y = 12830x + 35152 R² = 0.9485
30000 20000 10000 0 0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
L-Lo (cm)
Figura 2. Dispersión obtenida con los datos experimentales de Difusividad de Acetona
Alcohol 300000 250000 200000 ) o L - 150000 L ( / t
y = 74229x + 161448 R² = 0.6996
100000 50000 0 0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
L-Lo (cm)
Figura 3. Dispersión obtenida con los datos experimentales de Difusividad de Alcohol
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Luego se resumieron los resultados obtenidos en el procesamiento para ambas sustancias y se compararon con los valores teóricos extraídos de Cengel (2007), en la tabla 3. Tabla 3. Comparación experimentalmente.
entre
los
resultados
teóricos
y
obtenidos
Acetona
Alcohol etílico
Como se puede apreciar en la tabla anterior, el coeficiente de difusión del aire y la acetona obtenido mediante los cálculos respectivos arrojó un valor de 3.6*10 -5 m2/s. Sin embargo, Cengel y Ghajar (2011) indican que el valor del coeficiente de difusión binaria del aire y la acetona a 1 atm es 1.1 x 10 -5 m2/s. Con respecto -
al etanol, el coeficiente de difusión obtenido arrojó un valor de . Para este caso, Cengel y Ghajar (2011) indican que el valor del coeficiente de difusión binaria del aire y la acetona a 1 atm es 1.2 x 10 -5 m2/s. Existen múltiples factores que influyen el valor de las difusividades obtenidas. Un factor es que la temperatura varió durante el proceso, debido a que si el aparato se mantiene a temperatura constante, no habrá corrientes de remolino en el tubo vertical y la transferencia de materia desde la superficie tendrá lugar exclusivamente por difusión molecular. Otro factor que afectó 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 contenía alcohol y otros compuestos volátiles indicados en su composición, lo que influyó significativamente en los resultados obtenidos.
La difusividad o coeficiente de difusión 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 difusión para diferentes pares de sustancias así como ecuaciones basadas en la teoría cinética y empíricas que nos permiten calcular dichos valores. Sin embargo, Winklemann proporciona un método experimental para determinar la difusividad de líquidos volátiles a través de gases.
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Según Mott (1996), el valor de la difusividad (D) debe ser mayor para los líquidos más volátiles (benceno, acetona y alcohol), ya que estos tienden a evaporarse con mayor facilidad, además de presentar una alta velocidad de transferencia de masa, observándose este suceso en el experimento del alcohol. Según Geankoplis (1998), sustancias con mayor volatilidad, presentan una velocidad de difusión mucho mayor que otras sustancias menos volátiles. Se observa en la práctica que la velocidad de evaporización de la acetona fue mayor que la del etanol y por tanto, este es el líquido más volátil el cual presenta mayor velocidad de difusión
VI.
CONCLUSIONES
Se determinó experimentalmente el coeficiente de difusividad de compuestos volátiles como el alcohol etílico y la acetona.
Se realizó la comparación respectiva con los valores obtenidos en la bibliografía reportando resultados alejados con los de otros autores, debido a que el experimento no se llevó a cabo en las mejores condiciones.
VII.
BIBLIOGRAFÍA
Cengel, Y. (2007). Transferencia de calor y masa. Un enfoque práctico (Tercera edición ed.). México: Editorial McGraw-Hill Interamericana.
Geankoplis, C. (1998). Procesos de transporte y operaciones unitarias. Tercera edición. Compañía editorial continental, S.A. México.
Mott, R. (1996). Difusión molecular. Cuarta edición. Prentice-Hall 580 p. México.
Treball, R. (2004). Operaciones de transferencia de masa. McGraw-Hill. Segunda edición México.
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VIII. ANEXOS
Figura 4. Tubos de ensayo utilizados para la toma de datos.
