24.26 Steam reforming of hydrocarbons is one way to make hydrogen gas
for fuel cells. However, the product gas contains
contaminated with carbon monoxide ( CO ), which must be further enriched in
in order for the fuel cell to work better. It is desired to separate a mixture of CO and
using a microporous ceramic membrane. The average pore diameter of the porous membrane material is 15 nm , and the void fraction
. The system operates at 5.0 atm total system pressure and
.
Determine the effective diffusion coefficient of CO in the gas mixture within the microporous membrane. Is Knudsen diffusion important? You may assume that the CO is dilute in the gas mixture.
Passo 1
O enunciado pede a difusão efetiva de CO em uma membrana porosa (diâmetro médio de poro
, fração de vazios
) operando a
,atm e
(
,K). Vamos usar o modelo de difusão em meios porosos, que combina difusão molecular e difusão de Knudsen, e depois incluir o efeito de porosidade/tortuosidade para obter
.
Passo 2
Para a difusão molecular de CO em H
usamos a dependência aproximada
Adotando valor de referência
a
,atm e
,K, temos
Passo 3
A difusão de Knudsen em poros cilíndricos de raio
,m é
com
,J
olimits mol K
e
,kg
olimits mol . Assim
olimits mol
olimits mol
Passo 4
O coeficiente aparente no poro combina as resistências em série:
Como
, obtemos
Passo 5
A difusão efetiva no meio poroso é
Assumindo tortuosidade
, resulta
Passo 6
Como
é muito menor que
, a difusão de Knudsen domina o transporte dentro dos poros. Portanto, sim, Knudsen é importante.
Resposta
O coeficiente de difusão efetivo é aproximadamente
e a difusão de Knudsen é importante no sistema.