UNI-FIQT

PI 144 A/B. PERÍDO ACADÉMICO: 2015-1

PROBLEMAS PROPUESTOS COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MASA

1. Mercurio líquido a 26,5 ºC fluye por un lecho empacado de esferas de plomo que tienen un

diámetro de 2,096 mm con una fracción de espacio vacío de 0,499. La velocidad superficial del

mercurio es 0,02198 m/s. La solubilidad de plomo en mercurio es 1,721% en peso, el número de

Schmidt es 124,1. La viscosidad de la solución es 1,577 x 10-3

Pa.s, y la densidad del mercurio es

13530 kg/m3.

Predecir el valor de JD. Comparar con el valor experimental JD = 0,076

Predecir el valor del coeficiente individual de transferencia de masa

2. Monrad y Pelton encontraron la siguiente correlación para la transmisión de calor para el agua y el

aire en un espacio anular:

(hi/Cp G) = 0,023 (D2/D

1)0,5

(Do G/)0,2

(Cp /k)-0,667

donde: D1 es el diámetro interno del anillo, D2 es el diámetro externo del mismo, Do es el

diámetro equivalente del anillo y hi es el coeficiente de transferencia de calor de la pared interior

del anillo.

Al estudiar la rapidez de difusión de la naftalina en aire, un investigador reemplazó una sección

interior de 1 pie de tubo, con un tubo de naftalina. El anillo estaba formado por un tubo de bronce

de 2 pulgadas de diámetro externo (DE) rodeado de otro tubo de bronce de 3 pulgadas de

diámetro interno (DI). Mientras operaba a un flujo másico dentro del anillo de 2,5 lb de

aire/(s.pie2), a 1 atm de presión y 32 F, el investigador determinó que la presión parcial de la

naftalina en la corriente del gas era de 0,003 mm Hg. En las condiciones que realizó la

investigación, el número de Schmidt era de 2,57. La viscosidad del aire es de 0,0175 centipoises

y la presión de vapor de la naftalina era de 10 mm Hg. Determine el coeficiente de transferencia

de masa de la película individual de gas predicho a partir de estos datos.

3.2 Pasa aire a través de un tubo de naftalina cuyo diámetro interior es de 1 pulgada, a una velocidad

de 50 pies/s. El aire está a 50 ºF y a una presión total de 1 atm. Suponiendo que el cambio de

presión total a lo largo del tubo es despreciable y que la superficie de la naftalina está a 50 ºF,

determine la longitud del tubo necesario para producir una concentración de naftalina en la

corriente emergente del gas, de 3,7 x 10-8

lbmol/pie3. A 50 ºF la naftalina posee una presión de

vapor de 0,0209 mm de Hg y una difusividad en el aire de 0,2 pie2/h.

4.2 Pasa aire, con una velocidad de 40 pies/s, a través de un tubo de naftalina que tiene un diámetro

interior de 1 pulgada y una longitud de 10 pies. El aire se encuentra a 100 °F y 1 atm. Si

suponemos que el cambio de presión a lo largo del tubo es despreciable y que la superficie de la

naftalina se encuentra a 100 ° F, encuentre la rapidez de sublimación de la naftalina dentro del

tubo, en libras/h. La difusividad de la naftalina en aire a 32 °F y 1 atm es de 0,199 pies2/h, y la

presión de vapor a 100 °F es de 5 mm de Hg.

5. Por motivos que son objeto de investigación, se ha derramado totalmente el contenido de un

cilindro (200 L) de Dowfroth 250 (reactivo usado como Espumante en Flotación) en un Almacén

de Insumos de una Concentradora de Minerales.

Afortunadamente, en la zona donde se deposita dicho insumo, el piso es completamente plano e

impermeable y el Dowfroth 250 ha quedado confinado en una pequeña área de 2 m x 2 m (libre de

cilindros). Los ventiladores de los que está provisto el almacén soplan aire a una velocidad de 10

m/s, en una determinada dirección. El aire se mantiene a 289 K y 1 atm. La presión de vapor del

espumante es de 2000 Pa, a la temperatura mencionada. La viscosidad cinemática (ρ/μ) del aire es

de 1,48 x 10-5

m2/s, y la difusividad del espumante en aire es de 1,26 x 10

-5 m

2/s, a las condiciones

citadas.

En el instante en que es detectado el derrame, la capa de Dowfroth 250 (en el espacio que se

encuentra confinado) es de 4,7 cm. ¿Cuánto tiempo ha transcurrido desde que ocurrió el derrame?

6. Por una columna de paredes mojadas de 2” de diámetro interno circula una mezcla aire-CO2,

conteniendo el 10% de CO2 en volumen, a una velocidad de 1 m/s. En una sección de la

columna, la fracción molar de CO2 en el agua es 0,005. El sistema opera a 10 atm y 25ºC.

Calcular el coeficiente de transferencia de materia y el flux de transferencia de materia (NA) en la

sección considerada. Especifíquese en qué sentido tiene lugar la transferencia de materia (¿de

líquido a gas o de gas a líquido?).

Datos y Notas: La difusividad del CO2 en aire a 25ºC y 1 atm es DG = 0,164 cm2/s. Admítase que

en el intervalo de concentraciones considerado se cumple la ley de Henry para el sistema CO2-

aire-agua, siendo el valor de H = 1640 atm/unidad de fracción molar de CO2 en el líquido.

Admítase que la viscosidad del gas coincide prácticamente con la del aire, siendo igual a 0,018

cp.

7. Suero (agua salina) se inyecta en la vena de un paciente. La sangre fluye en estado estable con un

flujo de 5 L/h en la vena. La aplicación del suero (inyección intravenosa) se realiza en un punto en

la vena (z = 0 m). La sal (NaCl) del suero tiene una difusividad en la sangre de 1x10-5

m2/s. El

suero (solución salina) se inyecta en la corriente sanguínea con un flujo de 0,1 L/h. El suero

(solución salina) se mezcla muy rápidamente con la sangre en el punto de aplicación de la

inyección. Considerar que la sangre tiene una concentración de sal (antes de aplicar el suero) de

0,01 mg/L. La concentración de la sal en el suero inyectado es de 5 mg/L. Considerar que el

diámetro de la vena es de 5 mm. Como una aproximación grosera, considerar las propiedades de

la sangre iguales a las del agua. Calcular el coeficiente individual de transferencia de masa.

8.2 Un cilindro cuya superficie es humedecida con agua es colocado perpendicular a una corriente de

aire que contiene NH3, el cual se mueve en régimen turbulento, y fluye con una velocidad de 6,15

m/s. La capa acuosa absorbe el NH3. Para este proceso el coeficiente de transferencia de masa no

se encuentra disponible; sin embargo, una prueba de transferencia de calor realizado en un equipo

que tiene la misma geometría y la misma velocidad de aire arrojó como resultado un coeficiente

de transferencia de calor h = 68,164 J/s.m2. K. Determine el coeficiente de transferencia de masa

kG para la absorción de NH3. Asumir que la presión es de 1 atm.

La densidad del aire es 1,204 kg/m3

La capacidad calorífica del aire (Cp) es 1,01 kJ/kg. K

La conductividad térmica k es 0,0316 W/m. K

μ del aire es 1,82 x 10–5

kg/(m. s)

Asumir que la mezcla aire-NH3 es diluida (M = 29) y el número de Sc para la mezcla aire-NH3 es

0,61.

9. Un cilindro de 6 mm de diámetro de UF6 (Hexafloruro de Uranio) es colocado en una corriente

de aire que fluye con una velocidad de 3 m/s. La temperatura de la superficie del sólido es 45 ºC.

A esa temperatura la presión de vapor del UF6 es de 400 mm Hg y la viscosidad del aire es de

2,7 x 10-8

kg/(m.s). Debido al movimiento del aire, se puede asumir que la concentración del UF6

en el aire es cero. Encontrar el flux de sublimación de UF6 en kmol/(m3.s).

UNI, 10 de abril 2015

Ing. Rafael J. Chero Rivas

Profesor del Curso