TRANSFERENCIA DE MASA (2015744 - 03)

1. Un recipiente cuyo volumen es 1000 pies3 contiene aire a 250oF y 1 atm. de presin.Determine las siguientes propiedades de la mezcla:(a) fraccin molar de N2; (b) fraccin en volumen de N2;(c) peso de la mezcla; (d) densidad msica del N2;(e) densidad msica del O2; (f) densidad msica de la mezcla;(g) densidad molar de la mezcla; (h) peso molecular promedio;(i) presin parcial del N2.

2. Para una mezcla gaseosa binaria, compruebe las relaciones siguientes:a. DAB = DBA b. JA + JB = 0

3. Si xies la fraccin molar, wi la fraccin msica y Mi el peso molecular del componente i,demuestre que, para una mezcla binaria:

4. La composicin molar y la velocidad (en pies/min) de los constituyentes de una mezclagaseosa que fluye en un ducto, se muestra a continuacin:

COMPONENTE VELOCIDADu, pies/sCOMPOSICION

% (molar) COMPONENTEVELOCIDADu, pies/s

COMPOSICION% (molar)

CO 1080 5% CO2 600 7%O2 1000 8% N2 1200 80%

Para medir la velocidad de la corriente se utiliz un tubo de Pitot conectado a unmanmetro con agua como lquido. Cul es la lectura del manmetro leda, enpulgadas? El gas se encuentra a 70oF y 1 atm.

5. En el capilar de una celda de Arnold, en un instante se presentan las condicionessiguientes: yA = 1/6 ; Velocidad molar promedio (U) = 12 ; (uA - U) = 3 ; MA = 5MBCalcule la velocidad de B, la velocidad msica promedio y la velocidad de difusin de B(referida tanto a la velocidad molar promedio como a la velocidad msica promedio).

6. Considere el sistema de difusin que se presenta en la figura. El lquido A se estevaporando en el gas B siendo posible, mediante algn artificio, mantener el nivel dellquido en z=z1. Por el extremo superior del tubo (z=z2) circula lentamente una mezcla

BB

AA

2

BA

AA

Mw

MwMMdw=dx

GAS B

NA,ZZ+Z

NA,ZZZ

Z

Z = Z1

Z = Z2

LIQUIDO A

gaseosa A-B cuya concentracin es yA2, de maneraque la fraccin molar de A en la parte superior de lacolumna permanece constante e igual a yA2. Sesupone que todo el sistema se mantiene atemperatura y presin constantes, que los gases A y Bse comportan como ideales y que la solubilidad de Ben el lquido A es despreciable.Demuestre que el perfil de concentracin viene dadopor la ecuacin:

7. Calcule las siguientes difusividades:a. Alcohol proplico/aire. (35oC y 1atm) b. Acetaldehdo/aire. (18oC y 560mmHg)Aparte de la expresin de Wilke-Lee, use por lo menos otras dos ofrecidas por laliteratura. Compare los resultados entre s y con los valores tabulados. Presente lasexpresiones, nomenclatura, unidades y referencias correspondientes.

8. Prediga el coeficiente de difusin para el nitrgeno a travs de una mezcla quecontiene 77% de hidrgeno, 12% de dixido de carbono, 6% de monxido de carbonoy 5% de oxgeno. La mezcla estar a 100oC y 1.5atm.

9. Presente, con las referencias y condiciones de utilizacin especficas, por lo menosdos expresiones para el clculo de los coeficientes de difusin (fase lquida), diferentesa la de Wilke y Chang. Muestre el clculo de un coeficiente con cada una de lasexpresiones.

10. Un capilar se llen con acetona hasta 1.1 cm por debajo de su extremo superior. Elsistema se mantuvo a 20oC en tanto una corriente de aire flua sobre el extremosuperior del tubo. El nivel del lquido cay 2.05 cm en 8 horas de operacin. La presinbaromtrica era de 750 mmHg. Determine la difusividad de la acetona en aire.

11. Una capa de etanol de 0.05 pulgadas de espesor se mantiene, a 75 F, en contacto conaire a 75 F y 1 atm. La gravedad especfica del etanol es 0.789 y su presin de vapor(a 75 F) es 53 mm Hg. Suponiendo que la vaporizacin tiene lugar por difusinmolecular a travs de una pelcula de gas de 0.15 pulgadas de espesor, calcule eltiempo necesario para evaporar completamente el etanol.

12. Se remueve NH3, selectivamente, de una mezcla con aire por absorcin en agua. Eneste proceso en estado estable, el amonaco se difunde a travs de una capa de gasestancado de 1 cm de espesor y luego a travs de una capa de agua estancada,tambin de 1 cm de espesor. La concentracin del amonaco en el lmite exterior de lacapa de gas es de 4.5% (en volumen) y en el lmite exterior de la capa de agua es,esencialmente, cero. La temperatura del sistema es 15 oC y la presin total del sistemaes 1 atmsfera. Tenga en cuenta que en la interfase se presenta una condicin deequilibrio. Los datos de equilibrio para el amonaco (A) en aire sobre soluciones

1 - y1 - y =

1 - y1 - y

AA1

z-zz -zA2

A1

12 1

r1r

r

r2

acuosas es dado por la Tabla siguiente:

pA, mm Hg 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0cA, (moles/cc)(106) 6.1 11.9 20.0 32.1 53.6 84.8

Determine el flux de amonaco.13. Una mezcla en fase vapor etanol-agua se rectifica por contacto con una solucin

lquida etanol-agua. El alcohol se transfiere de la fase lquida a la fase vapor y el aguase transfiere en la direccin opuesta. Ambos componentes se difunden a travs de unapelcula de gas de 0.1 mm de espesor. La temperatura es 95oC y la presin 1 atm. Aesa temperatura los calores latentes de vaporizacin del alcohol y del agua son 483Btu/lbm y 976 Btu/lbm, respectivamente. La fraccin molar del alcohol es 0.8 en unlado de la pelcula y 0.2 en el otro lado de la misma. Calcule la velocidad de difusindel etanol y del agua en lbs/hr a travs de un rea de 1 pi2.

14. Demuestre que para el caso de latransferencia de masa por difusinmolecular a travs de unaenvoltura esfrica constituida poruna pelcula de gas (sistemabinario en el que A se transfiere atravs de B que no se transfiere),el perfil de concentracin es dadopor:

yy=y

yB1B2 r

1-r1

r1-r

1

B1B

21

1

15. Estime qu tiempo se necesita para reducir el dimetro de una gota semiesfrica deagua que reposa sobre una superficie plana, desde 0.25 hasta 0.05 pulgadas, si ellquido se evapora por difusin molecular a travs de una "pelcula efectiva" deNitrgeno de 0.25 pulgadas de espesor, la cual cubre la gota. El agua en la gota semantiene a una temperatura tal que su presin de vapor es 76mm Hg. La presin totaldel sistema es 760mm Hg. A esta presin y a la temperatura del sistema el coeficientede difusin es 0.8pies2/h. En principio, desprecie el efecto del movimiento de la fasegaseosa que se presenta para reemplazar el lquido evaporado.Cmo se afecta el resultado si se considera el movimiento global de la fase gaseosanecesario para reemplazar el lquido evaporado.

16. Una partcula de carbn pulverizado se quema en aire a 2200oF. El proceso es limitadopor la difusin del oxgeno en direccin contraria a la del CO2 formado en la superficiede la partcula. Suponga que se trata de carbn puro con una densidad de 80 lbm/pi3y que la partcula es esfrica con un dimetro inicial de 0.006 pulgadas. A variosdimetros de la esfera se considera que existe solamente aire (21% O2 y 79% N2).Bajo las condiciones del proceso de combustin, la difusividad del oxgeno en la

mezcla gaseosa es 4 pies2/hr. Cunto tiempo se requiere para reducir el dimetro de lapartcula hasta 0.001 pulgadas?

17. Compruebe que el perfil de concentracin en el caso de una partcula de catalizadorporoso que tiene la forma de un disco delgado de espesor 2b, sobre cuya superficiecataltica el compuesto A desaparece de acuerdo con una reaccin qumica de primerorden, es dado por la expresin:

AAs

1 A

1 A

cc =

k a /D zk a /D b

coshcosh

18. Deduzca la expresin de A para el caso de cilindros, anloga a la deducida paraesferas catalticas porosas sobre cuya superficie se lleva a cabo una reaccin concintica de primer orden.

NB: (Estos problemas son recopilados de textos de diferentes autores. En algunos casos se modifican o adaptan acondiciones especiales. Entre los autores estn: Treybal, Welty, Hinnes y Bird).

2015744-03_PRBLMS_I_2013PBJ/pbj

Z=0

2R

Z=b

Z=-b