Como se da los Coeficientes de transferencia de masa en función de la composición

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Coeficientes de transferencia de masa en función de la composición

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Índice

1. Introducción……………………………………………………………………….1

2. Aplicaciones……………………………………………………………………….1

        2.1. Absorción………………………………………………………………...2

        2.2. Transferencia de masa en biología y medicina…………………………..3

        2.3. Destilación……………………………………………………………….3

        2.4. Extracción………………………………………………………………..4

3. Efecto de la composición en el cálculo del coeficiente de transferencia de masa...4

        3.1. Soluciones diluidas………………………………………………………5

        3.2. Gradiente de concentración……………………………………………...9

        3.3. Soluciones concentradas…………………………………………………9

        3.4. Interfaces fluido-fluido…………………………………………………10

4. Métodos de cálculo de vanguardia……………………………………………….11

        4.1. Método de diferencias finitas...............................................................11

        4.2. Método de elementos finitos..............................................................12

        4.3. Método de volúmenes finitos.............................................................12

5. Conclusión...................................................................................................12

Nomenclatura........................................................................................................13

Bibliografía.....................................................................................................14

1. Introducción

La difusión es el proceso por el cual la materia se mezcla de manera natural. Este proceso de transferencia de materia ocurre de una zona con una concentración mayor a otra que presenta una concentración menor [1].

Para estudiar este fenómeno se pueden  seguir dos diferentes caminos siendo uno de ellos el uso de la ley de Fick y del coeficiente de difusión. El segundo método consiste en describir la difusión  utilizando un coeficiente de transferencia de masa.

Cuando se planea utilizar el coeficiente de trasferencia de masa para estudiar el proceso de difusión es necesario asumir que la diferencia de concentración sólo existe entre los límites de los componentes del sistema, donde estos entran en contacto [2]. También se debe tomar en cuenta que el cálculo del coeficiente de masa seguirá un procedimiento diferente para una mezcla diluida que para una mezcla concentrada. El estado de los componentes y el medio físico también afectarán dichos cálculos.

2. Aplicaciones

El coeficiente de transferencia de masa permite calcular la cantidad de materia de un componente que se transfiere dentro de un sistema de varios componentes. Una gran cantidad de procesos industriales se rigen por los fenómenos de transferencia de masa pudiéndose mencionar como algunos ejemplos las operaciones de absorción, evaporación, adsorción, secado, precipitado, filtración por membranas y destilación.

        2.1. Absorción

Los coeficientes de transferencia de masa pueden ser utilizados para describir que tan rápido se lleva a cabo el proceso de absorción de un vapor como el dióxido de azufre o el amoniaco que se transfiere de aire a agua. El nivel de precisión de estos coeficientes permite que a partir de ellos sea posible el diseño de equipo para procesos de absorción [2].

En la industria, esta operación habitualmente se lleva a cabo en torres empacadas como la mostrada en la figura 1. Para su funcionamiento, estas torres se llenan con material inerte. Posteriormente, se hace fluir un líquido en la parte superior de la torre el cual gotea a través del material inerte mientras que una corriente de gas es bombeada en el fondo de la misma torre. El contacto que ocurre entre el líquido y el gas provoca la absorción [2].

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        2.2. Transferencia de masa en biología y medicina

En el ámbito ambiental, utilizando el proceso de absorción de gases, es posible controlar las emisiones de dióxido de carbono, esto como método para combatir el calentamiento global [2].

En el ámbito médico o fisiológico, los fenómenos de transferencia de masa pueden ser descritos en procesos como la respiración, la digestión y el metabolismo de medicamentos. Los coeficientes de transferencia de masa también pueden ser utilizados para el diseño de  pulmones y riñones artificiales. La función del primer aparato es la de proveer oxígeno y expulsar dióxido de carbono de la sangre mientras se lleva a cabo una cirugía. El segundo dispositivo es utilizado para remover toxinas que se acumulan en la sangre debido a una falla renal [2].

        2.3. Destilación

Este proceso de separación se puede llevar a cabo de dos diferentes formas siendo una de ellas la destilación diferencial y la segunda, la destilación fraccionada. En el primer caso, la influencia de la transferencia de masa puede ser explicada de la misma manera que en el proceso de absorción. Para el segundo caso esto ya no ocurre así; en éste un vapor y un líquido se mueven en contracorriente a través de una serie de etapas muy bien mezcladas buscando que estos dos componentes lleguen al equilibrio. Más sin embargo, en la mayoría de los casos esto no ocurre por lo que se realiza una corrección mediante una eficiencia la cual se obtiene mediante coeficientes de transferencia de masa [2].

        2.4. Extracción

La extracción es el proceso de separación menos usado. Si lo que se intenta separar es un gas se opta por la absorción y si se trata de un componente volátil se optará por la destilación. Sin embargo, sigue siendo un proceso importante en el área petroquímica, farmacéutica y de metales [2].

Al igual que la destilación, la extracción se puede analizar de dos formas siendo la primera el contacto diferencial y la segunda, el contacto fraccionado. El análisis para la transferencia de masa es también similar para ambos procesos de extracción. El contacto diferencial se explica de la misma forma que el proceso de absorción de un gas y el contacto fraccionado es descrito de manera similar a la destilación fraccionada [2].

3. Efecto de la composición en el cálculo del coeficiente de transferencia de masa

Se puede notar en la literatura que existe una gran variedad de fórmulas para calcular el coeficiente de transferencia de masa. Esto se debe a las condiciones del sistema que se estudia y tienen que ver con la concentración de la solución, el estado de los componentes e incluso el medio físico donde ocurre la transferencia de materia. De esta forma, es posible encontrar fórmulas para calcular el coeficiente de una solución diluida así como de una solución concentrada. Igualmente es posible encontrar diferencias entre los cálculos que se realizan para obtener el coeficiente de un gas en una torre empacada y los realizados para obtener el  mismo coeficiente pero para el caso un líquido en el mismo medio.

        3.1. Soluciones diluidas

Los coeficientes de transferencia de masa pueden ser calculados mediante el uso de correlaciones de números adimensionales previamente establecidas mediante la experimentación. Así se cuenta con el número de Reynolds que describe el flujo, el número de Schmidt en el que se involucra el efecto de la difusión y el número de Sherwood que está dado por el mismo coeficiente que se busca [1]:

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A partir de un análisis matemático se puede deducir que efecto tienen los valores relacionados con la composición, como la densidad, la viscosidad y la difusividad, en el cálculo final del coeficiente de transferencia de masa.

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