Difusion Molecular a Traves de Un Medio Poroso

“Año del Buen Servicio al Ciudadano”

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU FACULTAD DE INGENIERÍA QUIMICA E.A.P. INGENIERÍA QUÍMICA

PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE MASA

INTEGRANTES: CANTURIN CABRERA, Carmen NAVARRO ARIAS, Yadira OLORTICO SOTO, Stefany RAMOS CHAVEZ, Madely Fernanda RUIZ QUISPE, Rey Airton • • • • •

RESUMEN 

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El objetivo fundamental del presente informe es predecir e interpretar con datos experimentales el Fenómeno de Difusión Molecular en líquidos para los sistemas Hid idró róxxid ido o de Po Pota tasi sio o  –  Ácido Acético a través de una Película Porosa (carbón) en Estado Estacion ona ario, el cua uall se realiz izo o en el lab abo orato torrio de operacione ness de proc oce esos unitarios. El método utilizado en dicho laboratorio es el experimental, ya que se procedió a rea eallizar las corrid ida as y to tom mar dato toss cada cierto in intterva vallo de tiempo de las sustanc nciias que se difunden en el agua, luego se procedió a realizar los cálculos propiamente men enc cio iona nado doss en lo loss ob obje jeti tivo vos. s. Pa Para ra ta tall fin es ne nec ces esar ario io co cono noc cer lo loss pr prin inc cip ipio ioss bá bási sico coss de difusión molecular, así como un método para la determinación de las concentraciones del ácido acético y del hidróxido de potasio, en nuestro caso se utilizo el método de titulación; con el cual se pudo determinar el perfil de conc co ncen entr trac acio ione ness y el flflujo ujo di difu fusi sivo vo pa para ra ca cada da ca caso so re resp spec ectiv tivam amen ente. te. Con el presente trabajo de hecho en el laboratorio se asimilo mejor el concepto de diffus di usió ión n mo mollec ecul ular ar en un una a pe pelílícu culla po poro rossa, as asim imis ism mo, se co cono noc ció la im impo port rtan anc cia qu que e tien ti ene e la di difu fusi sión ón en lo loss di dist stin into toss pr proc oces esos os y op oper erac acio ione ness in indu dust stririal ales es..

NOMENCLATURA Numero de especies presentes en la mezcla.

n: V  i

:

Velocidad absoluta de la especie i con relación a ejes estacionarios de coordenadas. coordenadas.

C:

Concentración Concentración total de A y B en Kg. (A + B) /m 3

XA:

Fracción mol de A en la mezcla de Ay B.

ε:

Fracción de espacios varios.

DAB:

Difusividad del componente A en el componente B.

τ:

Factor de corrección de la trayectoria mas larga de (Z 2  –  Z  Z1).

Def:

Difusividad efectiva, m 2/s

H:

Constante de Henry.

CA:

Concentración del soluto A.

CA0:

Concentración Concentración del soluto A inicial.

C2:

Constante.

C1:

Constante.

L:

Espesor en medio poroso.

JA:

Flujo molar difusible de la especie A.

OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL: Predecir e interpretar con datos experimentales el Fenómeno de Difusión Molecular en una película porosa en líquidos para los sistemas Hidróxido de Potasio-Ácido Acético, a través de una Película Porosa (carbón) en Estado Estacionario 

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OBJETIVO ESPECÍFICOS:

TRANSFERENCIA DE MASA 

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La transferencia de masa, estudia el movimiento de las moléculas entre fase y fase por medio de mecanismos de difusión, convección y condiciones que les favorece. La transferencia de masa es la transferencia de un constituyente de una región de alta concentración ajena de baja concentración.

CONCENTRACIÓN TOTAL DE MASA O DENSIDAD Es la concentración total de la mezcla contenida en la unidad de volumen. FRACCIÓN DE MASA (WA) Es la concentración de la especie A, dividida entre la densidad total de la masa. La sumatoria debe ser 1. CONCENTRACIÓN MOLAR DE LA ESPECIE A (CA) Se define como el número de moles de A, presentes por unidad de volumen de la mezcla.

CONCENTRACIÓN MOLAR TOTAL (C) Es el número total de moles de la mezcla, contenidos en la unidad de volumen.

VELOCIDADES VELOCIDAD PROMEDIO Se define en función de las densidades y velocidades de la masa VELOCIDAD MOLAR MEDIA Se define en función de las concentraciones molares de todos los componentes

FRACCIÓN MOLAR (XA) Son las concentraciones molares de la especie A divididas entre la concentración molar total. La suma de las fracciones molares debe ser igual a uno.

LEY DE FICK PARA LA DIFUSIÓN MOLECULAR 

La difusión molecular puede definirse como la transferencia de moléculas individuales a través de un fluido por medio de los movimientos individuales y desordenados de las moléculas.

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Se muestra esquemáticamente el proceso de difusión molecular. Se ilustra la trayectoria desordenada que la molécula A puede seguir al difundirse del punto (1) al (2) a través de las moléculas de B.

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Ecuación general para una mezcla A y B

DIFUSIÓN EN SÓLIDOS POROSOS 

Este tipo de difusión en sólidos no depende de la estructura real del sólido. La difusión se verifica cuando el fluido o soluto que se difunde se disuelve en el sólido para formar una solución más o menos homogénea.

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Concentración

CA0

Poros del medio en el que tiene lugar la difusión.

Difusión de líquidos en sólidos porosos 

La difusión de líquidos en sólidos porosos se uso la ley de fick considerando al sólido como un material de tipo homogéneo y usando una difusividad experimental DAB. En este trabajo nos interesan los sólidos porosos que ti canales o espacios vacíos interconectados en el sólido, los cuales afectan a la difusión. 

En el caso de que los espacios Estén totalmente llenos de agua liquida, la concentración de sal en agua en el limite 1 es CA1 y en el punto 2 es CA2 . Al difundirse en el agua por los volúmenes vacíos, la sal toma una trayectoria sinuosa desconocida que es mayor que (Z2 – Z1) por un factor r, llamado sinuosidad.

MATERIALES Y EQUIPOS 

PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL MODULO 

Trabajamos con 10 módulos para distintas medidas en el grosor del medio poroso.

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10 recipientes de igual tamaño .

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1 Película porosa (carbón)

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Cinta adhesiva.

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Tijeras.

REACTIVOS HCl concentrado (36%, ρ = 1.19 g/ml.) KOH QP 

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PARA LA DETERMINACIÓN DE CONCENTRACIONES Y TIEMPOS 

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2 fiolas de 1L

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4 vasos de precipitación de 250 ml.

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1 pipeta de 5 ml.

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1 pipeta de 10 ml.

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1 frasco lavador 

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1 cronometro

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1 varilla.

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CH3COOH QP (ρ = 1.05 g/ml.)

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Indicador Fenoftaleína Agua Destilada

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2 equipos de titulación (2 buretas de 50 ml, 2 soportes universales, 2 llaves de soporte.)

Difusión de KOH en la Cuba de Vidrio 

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Paso 1: Ingresar un volumen de 100ml de agua en una de las cámaras de la cuba de vidrio , en la otra cámara ingresamos 100 ml de K(OH) con una concentración inicial de 0.2304 molg/l. Paso2: Ya que consideramos que el K(OH) es una solución incolora , le agregamos unas gotas del indicador fenoftaleina la cual le da una coloración violeta ,que nos servirá para la posterior titilación. Paso3: Transcurridos los 5 primeros minutos tomamos la primera muestra usando la pipeta para extraer una alícuota de 5ml de la solución que corresponde a la cámara donde se encuentra el agua. Paso4: procedemos a titular la muestra con HCl 0.32 molg/l M hasta la decoloración, registramos el volumen consumido que será el correspondiente al tiempo t=0. Nota: la titulación se realiza sobre un papel blanco para observar bien el cambio de color de la solución; luego la solución casi incolora se coloca cerca del área de titulación para poder distinguir bien la intensidad de color que se debe de alcanzar para las titulaciones posteriores. Paso5: Los procedimientos 4 y 5 son repetidos en intervalos de 5minutos hasta

Determinación de la concentración 

Extracción de una muestra de la cuba de vidrio

K (OH)

H 2O

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Depositamos la alícuota en un vaso de 100ml

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Titulamos la muestra

CALCULOS 







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CALCULANDO LA DENSIDAD DEL FLUJO MOLAR. Según la ecuación (6):   =



   



e.1) Para un espesor de 0.1 cm en un tiempo de 50.24min. La concentración inicial 0.1M remplazando y la concentración final fue 10− M remplazando estos datos en la ecuación (6) tenemos:  

.555

  =



  = 13.342 ∗ 10

. cm

0.1

mol g



L

∗

 mol g cm .s

  L cm

   1.42 ∗ 10−

 mol g L

∗

  L cm

1.42 ∗

RESULTADOS 

Las composiciones a diferentes tiempos y espesores son

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



Cuando mayor es la concentración de los reactivos la discusión es más visible para seguir trabajando con mayor número de celdas y así tener más datos para hallar el grafico del perfil de concentración en forma más precisa. Cuando las conductancias de los reactivos son altas la difusividad efectiva son altas. Que al tomar las muestras en distintas concentraciones de los diferentes reactivos pudimos comprobar que cuando más concentrados se encuentran el tiempo de viraje es menor y la visibilidad es más notoria que a bajas concentraciones.

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 



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Se describió e interpreto el fenómeno de difusión a través de la membrana de carbón. El fenómeno ocurre en estado estacionario. La solución hidróxido de sodio está perfectamente agitada por lo tanto es una solución homogénea. La difusión ocurrió en solución diluida de agua y hidróxido de sodio. La película está formada por un medio de membrana (carbón) a través de la cual se difunde el soluto A (aforación de agua e hidróxido de sodio). El medio físico del material poroso incremento la resistencia al paso del soluto A. a través de la solución de agua destilada. ambos efectos determinado como una difusividad ordinaria en líquidos que depende de la superficie real expuesta a la transferencia de masa y el reactivo a emplear. Se determinó la concentración inicial y final en diferentes tiempos y espesores de la película los cuales fueron: Para un espesor de 0.1 cm en un tiempo de 50.24 min, la Co=0.1M y la Cf=1.42*10-2M, para un espesor de 0.2 cm en un tiempo de 78.42 min la Co=1.42*10-2M y la Cf=1.56*10-3M, para un espesor de 0.3 cm en un tiempo de 112.24 min la Co=1.56*10-3M y la Cf=1.498*10-4M, para un espesor de 0.4 cm en un tiempo de 255.17 min la Co=1.498*10-4M y la Cf=1.258*10-5M, para un espesor de 0.5 cm en un tiempo de 381.23 min la Co=1.258*10-5M y la Cf=9.824*10-7M, para un espesor de 0.6 cm en un tiempo de 525.87 min la Co=9.824*10-7M y la Cf=6.484*10-8M, para un espesor de 0.7 cm en un tiempo de 600.10 min la Co=6.484*10-8M y la Cf=3.501*10-9M, para un espesor de 0.8 cm en un tiempo de 748.29 min la Co=3.501*10-9M y la Cf=1.400*10-10M, para un espesor de 0.9 cm en un tiempo de 836.41 min la Co=1.400*10-10M y la Cf=4.202*10-12M, para un espesor de 1 cm en un tiempo de 934.34 min la Co=4.202*10-12M y la Cf=9.244*10-14M. Se determinó el perfil de concentraciones para la difusión a través de la membrana de carbón lo cual fue: Para el experimento L=0 cm, C A=CAO=0.1M; y para L=5.5cm,

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Se determinó la densidad del flujo molar para los diferentes espesores los cuales fueron: Para un espesor de 0.1 cm en un tiempo de 50.24 min, la Co=0.1M , la    Cf=1.42*10-2M y la densidad de flujo molar es de     = .  ∗  ∗ , para un espesor de 0.2 cm en un tiempo de 78.42 min la Co=1.42*10-2M , la Cf=1.56*10-3M y la    densidad de flujo molar es     = .  ∗  ∗ , para un espesor de 0.3 cm en un tiempo de 112.24 min la Co=1.56*10-3M , la Cf=1.498*10-4M y la densidad de flujo   molar es     = .  ∗ , para un espesor de 0.4 cm en un tiempo de 255.17 min la Co=1.498*10-4M , la Cf=1.258*10-5M y la densidad de flujo molar es     = .  ∗    −  , para un espesor de 0.5 cm en un tiempo de 381.23 min la Co=1.258*10-5M ,  ∗    la Cf=9.824*10-7M y la densidad de flujo molar es     = .  ∗ − ∗, para un espesor de 0.6 cm en un tiempo de 525.87 min la Co=9.824*10-7M , la Cf=6.484*10-8M    y la densidad de flujo molar es     = .  ∗ − ∗ , para un espesor de 0.7 cm en un tiempo de 600.10 min la Co=6.484*10-8M , la Cf=3.501*10-9M y la densidad de flujo    molar es     = .  ∗ − ∗ , para un espesor de 0.8 cm en un tiempo de 748.29 min la Co=3.501*10-9M , la Cf=1.400*10-10M y la densidad de flujo molar es     = . ∗    −  , para un espesor de 0.9 cm en un tiempo de 836.41 min la Co=1.400*10-10M  ∗    , la Cf=4.202*10-12M y la densidad de flujo molar es     = .  ∗ − ∗ , para un espesor de 1 cm en un tiempo de 934.34 min la Co=4.202*10-12M , la Cf=9.244*10-14M y    la densidad de flujo molar es     = .  ∗ − ∗ . Se determinó el coeficiente de difusión el cual fue DAB=1.555 cm2/s.

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Llegar temprano a la práctica y tener todos los materiales y reactivos respectivos para la práctica. Trabajar con orden y siguiendo cuidadosamente el procedimiento experimental de la presente práctica. Manipular los materiales y reactivos adecuadamente, aunque los reactivos de Hidróxido de potasio y acido acético estén diluidos son peligrosos. Los materiales a usar deben estar necesariamente limpios, libre de impurezas con la finalidad de que no existe una contaminación con los reactivos a usar para la titulación de la determinación de concentraciones. Preparar adecuadamente la solución de HCl, para la titulación de las alícuotas de KOH. Asegurar correctamente la película porosa en cada uno de los sistemas. Controlar adecuadamente el tiempo con respecto a la toma de datos y hacerlo hasta que el sistema llegue a ser estacionario, para aplicar las relaciones establecidas.

BIBLIOGRAFÍA 



[1] Teoría del Cuaderno. [2] CRISTIE J. GEANKOPLIS, “Proceso de Transportes y operaciones Unitarios”, compañía Editorial Continental S.A., 2 da Edición – México 1995,

pag. 320-321-350. 

[3] JAMES R. WELTY, “Fundamentos de Transferencia de Momento, Calor y Masa”, Editorial Limusa S.A., Octava reimpresión – México 1997, pag. 533 al

542 

[4] R. B. BIRD, “Fenómenos de Transporte”, Editorial Reverte S.A., Segunda

reimpresión, México, 1995, capitulo 16. 

[5] J. M. SMITH, “Ingeniería de Cinética Química”, Editorial continental S.A.,

1ra. Edición, México, 1992, pag. 301- 305

FOTO 1: Difusión a través de carbón en una cuba rectangular.

FOTO 2: Diversas corridas trabajadas en forma simultanea

FOTO 3: Vista superior del módulo

FOTO 4: Equipo de titulación para determinar la concentración