Universidad de Cartagena.

Programa ingeniería química.

Séptimo semestre.
Transferencia de masa.

Un método basado en redes neuronales para la estimación de la difusividad binaria de

gases.

Presentado por:
Elder Carriazo
Jose Martínez
Melissa Martínez

Presentado a:
Adriana Herrera, PhD

CARTAGENA-BOLIVAR
2020
 Ejercicio creativo.
Por medio de una red neuronal que es capaz de predecir el coeficiente de difusión binario
(DAB) de gases, 2 ingenieros determinaron que la difusividad de los sistemas binarios:
C 2H 6 –H 2, CH 3 OH – H 2 y N 2 –He, es de 0.502, 0.9344 y 0.7634 cm 2/s, a 25, 100 Y 37
°C respectivamente y presión atmosférica. También afirman que el modelo de red neuronal
propuesto es mejor que los otros métodos.
a) Utilice el modelo presentado por Chen y Othmer, para determinar los coeficientes
de difusión de estos sistemas. Los coeficientes de difusividad experimentales son
0.54, 1.02, y 0.784 Cm2/s respectivamente, calcule el porcentaje de error con
respecto a los coeficientes de difusividad experimentales.

b) Para la recolección de los datos experimentales, se hicieron pruebas en un

laboratorio. En un descuido, los auxiliares de laboratorio colocaron la primera
muestra de C 2H 6 con O2 en un reactor donde los nanocanales tienen una longitud
de 10 cm, donde reaccionaron formando CO2 y H2O. La muestra colocada en el
reactor es equimolar y se obtuvo al final 90% de conversión. Calcule el flux de
C 2H 6. Utilice la ecuación de Chen y Othmer para calcular la difusividad.

Solución:
El problema indica utilizar la ecuación de Chen y Othmer para hallar la difusividad.

( )
1/ 2
3 /2 1 1
0.0043 T +
MA MB
D AB=
0.4 2
4 0.1405
P ( T CA T CB /10 ) [( V CA
0.4
/100 ) + ( V CB /100 ) ]
Donde:
TC = Temperatura critica.
VC= Volumen crítico.
Para el cálculo se tendrán en cuenta las siguientes variables.

P (atm)
T (K)
TCA(K)
TCB (K)
MA(g/mol)
MB(g/mol)
VCA
(cm3/mol)
VCB
(Cm3/mol)
TABLA #1 variables para el cálculo de difusividad.

El volumen critico de los compuestos se puede estimar mediante su relación con el

parámetro b de la ecuación de van der Waals.
VC RTC
=b=
3 8 PC

para este problema se utilizaron los datos proporcionados por el artículo.

Cálculo del primer sistema, C 2H 6 –H 2.
MA(g/ MB(g/ VCA VCB
A B T (K) TCA(K) TCB (K) mol) mol) (cm /mol) (Cm3/mol)
3

C 2H 6 H 2 298 305,32 33,19 30,07 2,016 145,5 64,2

Tabla #2. Datos para el cálculo del primer sistema.

( )
1 /2
3 /2 1 1
0.0043( 298 K ) +
30.07 g /mol 2.016 g / mol
D AB=

[( ]
0.4 2

) ( )
0.4
4 0.1405 145.5 cm3 64.2 cm3
1∗( (305.32 K∗33.19 K )/10 ) ( )/100 + /100
mol mol

D AB=0,563689069cm2 / s
Para el segundo sistema, CH 3 OH – H 2
MA(g/ MB(g/ VCA VCB
A B T (K) TCA(K) TCB (K) mol) mol) (cm3/mol) (Cm3/mol)
CH 3 OH H 2 373 512 33,19 32 2,016 118 64,2
Tabla #3. Datos para el cálculo del segundo sistema.

( )
1 /2
3 /2 1 1
0.0043 (373 K ) +
32 g /mol 2.016 g/mol
D AB=

[( ]
0.4 2

) ( )
3 0.4 3
4 0.1405 118 cm 64.2 cm
1∗( (512 K∗33.19 K )/10 ) ( )/100 + /100
mol mol

2
D AB=0,864300763cm / s

Para el tercer sistema, N 2 –He.

MA(g/ MB(g/ VCA VCB

A B T (K) TCA(K) TCB (K) mol) mol) (cm /mol) (Cm3/mol)
3

N 2 He 310 126,05 5,2 28,014 4 90,1 57

Tabla #4. Datos para el cálculo del tercer sistema.

( )
1/ 2
3/ 2 1 1
0.0043(310 K ) +
28.014 g / mol 4 g/ mol
D AB=

[( ]
0.4 2

) ( )
3 0.4 3
4 0.1405 90.1 cm 57 cm
1∗( (126.05 K∗5.2 K )/ 10 ) ( )/100 + /100
mol mol

D AB=0,845520486 cm2 / s

Para los sistemas dados la siguiente tabla presenta los porcentajes de error calculados en
Excel para comparar los resultados.

COMPUESTO DAB (cm2/s) DAB (cm2/s) DAB (cm2/s)

ANN % ERROR %ERROR
S BINARIOS CHEN EXPERIMENTAL CHEN ANN
C 2H 6 –H 2 0,563689069 0,502 0,54 -4,39% 7,04%
CH 3 OH – H 2 0,864300763 0,9344 1,02 15,26% 8,39%
N 2 –He 0,845520486 0,7634 0,784 -7,85% 2,63%
Tabla #5. Porcentajes de error con respecto a la difusividad experimental.

Para el cálculo del flux tenemos los siguientes datos.

VCA VCB
MA(g/ MB(g/ (cm3/mol (Cm3/mol
A B T (K) TCA(K) TCB (K) mol) mol) ) )

C 2H 6 O 2 298 305,32 154,57 30,07 31,99 145,5 73,37

Tabla #6. Datos para el cálculo del flux.

La ecuación para hallar el flux.

dC A
N A =J A , Z =−D AB
dz
z2 CA 2

J A ,Z ∫ dz=−D AB ∫ dC A
z1 C A1

D AB
J A ,Z = ( C A 1 −C A 2)
z
Para hallar CA1 y CA2 consideramos gas ideal PV =nRT
N P
=
V RT
P0 X A 1
C A 1=
RT
 P0 X A 2
C A 2=
RT

Para el calculo de la difusividad de este sistema utilizamos la ecuación de Chen y Othmer

( )
1/ 2
1 1
0.0043 T 3 /2 +
MA MB
D AB=
0.4 2
4 0.1405
P ( T CA T CB /10 ) [( V CA
0.4
/100 ) + ( V CB /100 ) ]

Los resultados se presentan en la siguiente tabla.

DAB (cm2/s) 0,151503009

z (cm) 10
XA1 0,5
XA2 0,05
CA1 (mol/cm3) 2,04467E-05
3
CA2 (mol/cm ) 2,04467E-06
FLUX (mol/cm2s) 2,78796E-07
 ANALISIS DE IMPACTO AMBIENTAL.

El presente trabajo aplicado al artículo Un método basado en redes neuronales para la

estimación de la difusividad binaria de gases, con el propósito de estudiar el modelo de
difusividad de gases, se pasa a detallar minuciosa mente sus impactos en el ambiente de
manera indirecta a la hora de manejar situaciones que involucran estos gases, De acuerdo
con la Agencia de Protección de Estados Unidos (USEPA por sus siglas en inglés), la
contaminación atmosférica ha alcanzado límites peligrosos para la salud humana y el
ambiente, y los vehículos motorizados son los principales causantes de esta contaminación,
En el entorno natural, la existencia de gases contaminantes en el aire también afecta
notoriamente a nuestro planeta. El daño más conocido es el efecto invernadero. Se trata de
un fenómeno que ocurre cuando las radiaciones negativas que salen de la actividad de la
tierra no pueden escaparse a través de la atmósfera por culpa de la capa de contaminación.
Igualmente, llegan muchos más rayos solares. Teniendo en cuenta esta definición, se puede
decir, que la contaminación ambiental, es una serie de desórdenes inducidas por agentes
externos a la naturaleza, que desestabilizan el transcurso normal de la misma, provocando
acciones que perjudican a los seres vivientes que componen el medio ambiente. La
Producción más Limpia es una estrategia empresarial, enfocada hacia procesos productivos,
productos y servicios, a fin de fortalecer la competitividad empresarial a partir de incentivar
innovaciones, y reducir costos y riesgos relevantes al ser humano y al medio ambiente. La
esencia de esta estrategia se desprende del carácter preventivo de sus alternativas que
buscan el uso eficiente de energía, agua, e insumos y el aprovechamiento de residuos,
integrando beneficios económicos, ambientales y sociales (Sánchez; et al., 2009).
Debido a la actividad del laboratorio, no hay consumo de combustibles fósiles; por lo tanto,
las emisiones atmosféricas solo se conducen a un impacto ambiental puntual, debido a los
gases propios del laboratorio con sus reacciones químicas, los cuales son bien manejados
con un sistema de extractores.

Referencias bibliográficas. 
Eslamloueyan, R., & Khademi, M. H. (2010). A neural network-based method for estimation of
binary gas diffusivity.