PRIMERA SERIE DE TRANSFERENCIA DE MASA

PRIMERA SERIE DE TRANSFERENCIA DE MASA
Prof. Francisco Javier Garfias Vázquez
Problemas
1. Una muestra de gas natural licuado, GNL, proveniente de Alaska, contiene la siguiente composición
molar: 93.5% CH4, 4.6% C2H6, 1.2% C3H8, y 0.7% CO2. Calcular:
a. El peso molecular promedio de la mezcla GNL.
b. La fracción en peso de CH4 en la mezcla. (Respuesta: 87.11%)
c. La mezcla de GNL se calienta a 300 K y 140 kPa, y se vaporiza completamente. Estimar la
densidad de la mezcla gaseosa bajo éstas condiciones. (Respuesta: 0.967 kg/m3)
2. Una corriente de gas fluye a una rapidez de 10 m3/s a 300 K y 102 kPa. Ésta corriente de gas consiste de
una mezcla equimolar de amoniaco y aire. La corriente de gas entra por el fondo de una columna de
absorción empacada, donde éste gas fluye a contracorriente de una alimentación de agua pura líquida
que absorbe el 90% del amoniaco, y nada de aire. El absorbedor es un recipiente cilíndrico con un
diámetro interno de 2.5 m.
a. Despreciando la evaporación del agua, calcular la fracción mol de amoniaco que sale del
absorbedor en la corriente gaseosa.
b. Calcular la rapidez másica de gas a la salida (definida como la rapidez de flujo másico por unidad
de área transversal de tubo vacio. (Respuesta: 1.28 kg/m2 s)
3. Una mezcla de gas a una presión total de 150 kPa y 295 K contiene 20% de H2, 40% de O2, y 40% H2O en
volumen. Las velocidades absolutas de cada especie son -10 m/s, -2 m/s, y 12 m/s, respectivamente;
todas en dirección del eje z.
a. Determinar la velocidad másica promedio, v, y la velocidad molar promedio, V, de la mezcla.
b. Calcular los cuatro flux:
. (Respuesta: -3.74 kg/ m2 s)
4. En 1964, Larson midió la difusividad del cloroformo en aire a 298 K y 1 atm obteniendo un valor de 0.093
cm2/s. Estimar el coeficiente de difusión a partir de la ecuación de Wilke-Lee y comparar el valor con el
valor experimental.
5. Si uno o ambos componentes de una mezcla gaseosa son polares, se puede utilizar como alternativa la
correlación de Lennard-Jones modificada por Brokaw (1969). Ésta correlación modifica la integral de
colisión agregando un nuevo término a la expresión original de Lennard-Jones, el cuál es,
donde
Siendo
= momento dipolar, debyes [ 1 debye = 3.162x10-25 (J m3)1/2 ]
Estimar el coeficuente de difusión para una mezcla de clorometano y dióxido de azufre a 1 bar y 323 K, y
comparar con el valor experimental 0.078 cm2/s. Los datos requeridos para usar la correlación de
Brokaw son:
Parámetro
Tb, K
Vb, cm3/mol
p, debyes
M
Clorometano
249.1
50.6
1.9
50.5
Dióxido de azufre
263.2
43.8
1.6
64.06
(Respuesta: 87.11%)
6. Determinar la difusividad efectiva de nitrógeno a través de una mezcla de gases no difundentes a 373 K y
1.5 bar. La composición de la mezcla es: 15% O2, 30% CO, 35% CO2, 20% N2 en mol. (Resp: 0.192 cm2/s)
7. Estimar la difusividad líquida de tetracloruro de carbono a dilución infinita en etanol a 298 K. Comparar
con el valor experimental 1.5 x 10-5 cm2/s. El volumen crítico del tetracloruro de carbono es 275.9
cm3/mol. La viscosidad del etanol a 298 K es 1.08 cP. (Respuesta: -29.8%)
8. Estimar el coeficiente de difusión: (a) A 298 K, para una solución diluida de HCl en agua; y (b) a 273 K,
para una solución diluida de CuSO4 en agua. La viscosidad del agua líquida a 280 K es 1.79 cP.
(Respuesta: 3.33x10-5 cm2/s; 3.59x10-6 cm2/s)
9. Estimar el coeficiente de difusión del oxígeno en agua líquida utilizando la correlación de Hayduk y
Minhas para solutos en soluciones acuosas a 298 K. A ésta temperatura, la viscosidad del agua es 0.9 cP.
El volumen crítico del oxígeno es 73.4 cm3/mol. El valor experimental de la difusividad es 1.2 x 10-5
cm2/s. (Respuesta: -8.1%)
10. La combustión de una placa plana de carbón sólido se realiza en presencia de oxígeno puro de acuerdo a
la siguiente reacción:
La difusión molecular de los gases reactivos y productos se lleva a cabo a través de una película de gas
adyacente a la superficie del carbón de espesor 1 mm. En el lado externo de la película, la concentración
de gas es 40% CO, 20% O2, y 40% CO2. La reacción de combustión en la superficie de la placa de carbón
se asume instantánea, de tal manera que no se considera ahí la presencia de oxígeno. La temperatura
de la película de gas es 600 K y la presión 1 bar. Estimar la rapidez de combustión del carbón, en kg/m 2
min, y la concentración en la interfase. (Respuesta: 0.243 kg/m2 min)
11. Un cristal de sal de Glauber (Na2SO410H2O) se disuelve en un tanque de agua pura a 288 K. Estimar la
rapidez a la cual el cristal se disuelve calculando el flux de Na2SO4 de la superficie del cristal hacia el seno
de la solución. Asumir que la difusión molecular ocurre a través de una película líquida de espesor 0.085
mm alrededor del cristal. Del lado interno de la película y adyacente a la superficie del cristal, la solución
se encuentra saturada con Na2SO4; mientras que en la parte externa de la película, la solución es
prácticamente agua pura. La solubilidad del cristal de Glauber en agua a 288 K es de 36 g de cristal/100 g
de agua y la densidad correspondiente a la solución saturada es 1240 kg/m3. La difusividad del Na2SO4 en
solución acuosa diluida a 288 K se debe estimar considerando un electrolito. La densidad del agua pura a
288 K es 999.8 kg/m3, y la viscosidad es 1.153 cP. (Respuesta: 12.9 kg/m2 h)
12. Se ha observado que para el sistema aire – vapor de agua a condiciones cercanas a las ambientales,
Le = 1.0. Ésta observación, llamada la relación de Lewis, tiene importantes implicaciones en las
operaciones de humidificación. Basándose en la relación de Lewis, estimar la difusividad del vapor de
agua en aire a 300 K y 1 atm. Comparar tu resultado con el valor predicho por la ecuación de Wilke-Lee.
Para el aire a 300 K y 1 atm : Cp = 1.01 kJ/kg K, k = 0.0262 W/m K,  = 1.846 x 10-5 kg/m s, y  = 1.18
kg/m3.
13. Calcular el flux y el perfil de concentración para un sistema ternario de hidrógeno (1), nitrógeno (2), y
dióxido de carbono (3) bajo las siguientes condiciones: La temperatura es 308 K y la presión es 1 atm. La
longitud de la trayectoria de difusión es 86 mm. De un lado de la trayectoria de difusión, la
concentración es 20% H2, 40% N2, y 40% CO2 en mol; del otro lado, la concentración es 50% H2, 20% N2, y
30% CO2 en mol. El flux molar total es cero, N = 0. Los coeficientes de difusión MS son D12= 83.8 mm2/s,
D13= 68.0 mm2/s, y D23= 16.8 mm2/s. (Respuesta: -0.0104 mol/m2 s)