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Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas

Departamento de operaciones unitarias Laboratorio de fenómenos de transporte Práctica III: Determinación del número de Reynolds

Equipo: 1 Fecha de entrega: 24/10/2018

2IV33 Nombre del profesor: José Alberto Murillo Hernández Nombre del alumno:

 Alonso Rosales Randy Ezequiel

 Castillo Castillo Paloma

Objetivos generales.

Se determinará experimentalmente el coeficiente de difusión molecular por medio del medidor de conductancia analógico, así como se pretenderá comprender y entender la primera ley de Fick. Implicando los diferentes conceptos detrás de la difusión molecular como lo son: potencial químico y entropía. Respetando de manera cuidadosa las medidas de seguridad.

Objetivos particulares.

 Se observara por medio del equipo proporcionado en el laboratorio de fenómenos de transporte, los diferentes conceptos detrás de la difusión molecular.  Con apoyo del medidor de conductancia, se determinará el coeficiente de difusión molecular.

 Mediante el uso de la primera ley de Fick se explicará el proceso de difusión de la materia o energía en un medio en el que inicialmente no existe equilibrio químico o térmico.  Conocer el fenómeno de transporte conocido como: transporte de masa.

Introducción.

Es completamente necesario hablar sobre la transferencia de masa, ya que esta nos indica un cambio en la composición de soluciones y mezclas mediante métodos que no implican estrictamente las reacciones químicas y se caracteriza por transferir una sustancia de una a otra a escala molecular. Cuando se ponen en contacto dos fases que tienen diferente composición, la sustancia que se difunde abandona el lugar de una región de mayor concentración a otro de baja concentración.

Los procesos de trasferencia de masa son la base para la comprensión de los Procesos de Separación tales como: destilación, absorción, extracción líquido-líquido, adsorción, entre otros. Estos procesos son de mucho interés para el Ingeniero Químico cuando su actividad se encuentre centrada en el diseño de procesos y equipos. Por esta razón, se requiere de un conocimiento básico de la difusión de materia, determinando con ello la manipulación de los procesos microscópicos, como los macroscópicos que se encuentran relacionados en los procesos químicos. Cuando un sistema tiene dos o más componentes y la concentración de estos varía de un punto a otro, existe la tendencia para transferir masa minimizando las diferencias de concentración hasta que el sistema alcanza el Equilibrio. Cuando se habla de transferencia de masa se entiende que uno de los componentes de una mezcla se transporta de la región de más alta concentración hacia la región de menor concentración, llamando a esta diferencia fuerza impulsora. En la difusión molecular se trabaja con el movimiento de las moléculas individuales a través de una sustancia debido a su energía térmica. La teoría cinética de los gases proporciona una forma de imaginar lo que sucede; de hecho, esta teoría fue rápidamente aceptada gracias a la adecuada descripción en términos cuantitativos del fenómeno difusional. De acuerdo con una teoría cinética simplificada, se puede imaginar que una molécula viaja en línea recta con una velocidad uniforme, que choca con otra molécula y que entonces su velocidad cambia tanto en magnitud como en dirección. La distancia promedio que viaja la molécula entre cada choque es su trayectoria libre promedio; su velocidad promedio depende de la temperatura. Como la molécula viaja en una trayectoria en zigzag, la distancia neta en la dirección en la cual se mueve durante cierto tiempo -rapidez de difusión-, sólo es una pequeña fracción de la longitud de su trayectoria real. Por esta razón, la rapidez de difusión es muy pequeña, aunque podría aumentar con un descenso de presión, que reduciría el número de choques y un incremento de temperatura, que aumentaría la velocidad molecular. En un sistema de dos fases que no está en el equilibrio -por ejemplo, en una capa de amoniaco y aire como solución gaseosa en contacto con una capa de agua líquida-, también sucede una alteración espontánea mediante difusión molecular, que conduce

finalmente a todo el sistema a un estado de equilibrio en donde la alteración se detiene. Al final, se puede observar que la concentración de cualquiera de los componentes es la misma a través de toda una fase, aunque no es necesariamente la misma en las dos fases.

Por tanto, la concentración de amoniaco será uniforme a través de todo el líquido y uniforme con un valor diferente, en todo el gas. Por otra parte, el potencial químico del amoniaco (o su actividad, si se utiliza el mismo estado de referencia), depende en forma diferente de la concentración en las dos fases y será uniforme en cualquier parte del sistema en el equilibrio; esta uniformidad es la que ha detenido el proceso difusivo. En conclusión, la fuerza motriz real para la difusión es la actividad o potencial químico y no la concentración. En sistemas de varias fases, generalmente se trata con procesos de difusión en cada una de las fases por separado, y dentro de una fase generalmente son descritos en función de lo que se observa más fácilmente, esto es, de los cambios de concentración. Ya se dijo que si una solución es completamente uniforme con respecto a la concentración de sus componentes, no ocurre ninguna alteración; en cambio, si no es uniforme, la solución alcanzará espontáneamente la uniformidad por difusión, ya que las sustancias se moverán de un punto de concentración elevada a otro de baja concentración. La rapidez con la cual un soluto se mueve en cualquier punto y en cualquier dirección dependerá, por tanto, del gradiente de concentración en ese punto y esa dirección. Para describir cuantitativamente este proceso, se necesita una medida apropiada de la rapidez de transferencia. La rapidez de transferencia puede describirse adecuadamente en función del flujo molar, o moles / ( tiempo ) ( área ) , ya que el kea se mide en una dirección normal a la difusión. Sin embargo, aunque una solución no uniforme sólo contenga dos componentes, éstos deberán difundirse, si se quiere alcanzar la uniformidad. Surge entonces la necesidad de utilizar dos “fluxes” para describir el movimiento de un componente: N, el flux; relacionado con un lugar fijo en el espacio, y J, el flux de un compuesto con relación a la velocidad molar promedio de todos los componentes. El primero es importante al aplicarse al diseño de equipo; el segundo es característico de la naturaleza del componente. Por ejemplo, un pescador estaría más interesado en la rapidez con la cual nada un pez en contra de la corriente para alcanzar el anzuelo (análogo a N ); la velocidad del pez con relación a la del arroyo (análogo a J ) es característica de la habilidad natatoria del pez. Así, la difusividad, o coeficiente de difusión, D AB de un componente A en solución en B, que es una medida de la movilidad de difusión, se define como la relación de su flux J A y su gradiente de concentración. ∂ ∂ J A =−D AB C A =−C D AB X A Que es la primera ley de Fick, en este caso para la ∂z ∂z dirección z. El signo negativo hace hincapié que la difusión ocurre en el sentido del decremento en concentración. La difusividad es una característica de un componente y de su entorno (temperatura, presión, concentración, ya sea en solución liquida, gaseosa o sólida y la naturaleza de los otros componentes).

Material y equipo.

2

1 3 4

10

8 11 9

7

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Depósito de agua. Válvula de inyección de tinta. Tornillo de ajuste. Inyector. Tobera. Tubo visualizador de caudal.

7. Válvula de control de caudal. 8. Tubo de entrada. 9. Conector de salida. 10. Rebosadero. 11. Válvula de drene.

Azul de Metileno: Propiedades físicas y químicas: a. Peso molecular: 373.9 g/mol b. Temperatura de ebullición: No aplica. c. Temperatura de fusión: 190°C. d. Densidad: 1.9 g/cm3 (25°C). e. Color: Azul. f. Solubilidad en agua: 1.5 g/l (20°C). h. Olor: Inodoro. i. Estado físico y aspecto: líquido. Agua:

Propiedades físicas y químicas: a. Peso molecular: 18.01 g/mol b. Temperatura de ebullición: 100°C c. Temperatura de fusión: 0°C. d. Densidad: 0.997 g/cm3. e. Color: No aplica. f. Olor: Inodoro. h. Estado físico y aspecto: líquido. i. Solubilidad: No aplica.

Tablas de densidad y viscosidad.

Diagrama de bloques.

-Número de Reynolds-

4. Se espera que el aparato de Reynolds este lleno, y empiece a descargarse el rebosadero.

8. Alimentar el déposito de tinta con azul metileno.

2. Colocar un recipiente en la toma de la muestra.

3. Alimentar agua al aparato del número de Reynolds, abriendo la válvula de alimentación.

5. Evitar que se formen remolinos.

6. Regular con la válvula de control de caudal, el volumen previamente calculado.

7. Una vez regulado el caudal con el volumen calculado, repetir 3 veces hasta conseguir que no haya cambio de volumen en la probeta.

9. Observar el tipo de cuadal en el tubo visualizador.

10. Repetir el paso 6 una vez concluido y observado alguno de los flujos: turbulento o laminar.

-FIN-

1. Verificar que todas las vávulas estén cerradas.

Tabla de resultado experimental. Tipo de flujo: Laminar. V =160 ml V 1=155 ml V 2=155 ml V 3=155 ml V x´ =155ml

Volumen

Observaciones experimentales.

Tipo de flujo: Turbulento. V =950ml V 1=940 ml V 2=960 ml V 3=960 ml V x´ =953.3 ml

Diagrama de cálculos teóricos.

1. De la formula del número de Reynolds, despejamos "v" (velocidad).

2. De la formula despejada, calculamos la velocidad. Con los datos (,, y Re )

3. Una vez sacado la velocidad, de la formula del área, obtenemos lo anterior descrito (área)

4. De la formula del gasto volumétrico (), obtenemos el gasto con el área y velocidad, previamente calculadas.

De la formula despejamos el volulmen, y lo calculamos con el gasto previamente calculado, asuminedo el tiempo (t) proporcionado por la práctica.

Diagrama experimental.