INTRODUCCIÓN A LA TRANSFERENCIA DE MASA

ASIGNATURA: FENOMENOS DE TRANSPORTE DE MASA

TEMA: INTRODUCCIÓN A LA TRANSFERENCIA DE MASA

SEXTO CUATRIMESTRE

CATEDRATICO: D. ANA MARÍA VALENZUELA MUÑIZ

ALUMNO: ALVARADO JIMÉNEZ ABNER

GRUPO: IB-622

FECHA DE ENTREGA: MAYO 13, 2014

Contenido

Introducción 2

CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MASA 2

Contacto directo de dos fases inmiscibles 3

Fases separadas por una membrana 6

Contacto directo de fases miscibles 6

Operaciones directas e indirectas 6

Mecanismos de difusión 8

Intercambio directo. 8

Anillo 8

Difusión por vacantes 8

Difusión intersticial 9

Principios y fundamentos de la transferencia de masa 9

Función de la difusión en la transferencia de masa 10

TEORÍA DE LA DIFUSIÓN 11

Diferentes tipos de difusión 11

Base másica 11

Base molar 12

Ley de Fick de la difusión 13

Ejemplos de procesos de transferencia de masa (al menos 2) 14

Bibliografía 15

Introducción

Las operaciones unitarias en ingeniería química e industrial, ésta relacionada con el problema de modificar la composición de soluciones y mezclas mediante métodos que no impliquen reacciones químicas, encaminadas a separar los componentes de tal sustancia.

En el caso de mezclas, las separaciones pueden ser totalmente mecánicas, como la filtración de un sólido a partir de una suspensión en un líquido, la clarificación de un sólido por tamaño de partícula mediante cribado o la separación de partículas en un sólido basándose en su densidad. Por otra parte, si las operaciones cambian la composición de soluciones, entonces se conocen como operaciones de transferencia de masa; éstas son las que nos interesan aquí.

Raro es el proceso químico que no requiere de la purificación inicial de las materias primas o de la separación final de los productos y subproductos; para esto, en general, se utilizan las operaciones de transferencia de masa. Con frecuencia, el costo principal de un proceso deriva de las separaciones. Los costos por separación o purificación dependen directamente de la relación entre la concentración inicial y final de las sustancias separadas; si esta relación es elevada, también lo serán los costos de producción. Las operaciones de transferencia de masa se caracterizan por transferir una sustancia a través de otras a escala molecular. La transferencia de masa es un resultado de la diferencia de concentraciones o gradiente, en donde la sustancia que se difunde abandona un lugar en que está muy concentrado y pasa a un lugar de menor concentración. La fuerza impulsora primaria para el flujo de fluidos es la diferencia de presión, en tanto que, para la transferencia de masa, es la diferencia de concentración.

CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MASA

Es útil clasificar las operaciones y dar ejemplos de cada una de ellas, con el fin de proporcionar un medio para definir algunos de los términos que se utilizan en forma común.

Contacto directo de dos fases inmiscibles

Esta categoría es la más importante de todas e incluye a la mayoría de las operaciones de transferencia de masa. Las composiciones de las fases son distintas en un sistema de dos fases de varios componentes en el equilibrio. En las operaciones de transferencia de masa, ninguna de las fases en el equilibrio consta de un único componente. Por ello, cuando inicialmente se ponen en contacto las dos fases, no constan (excepto en forma casual) de la composición que tienen en el equilibrio. Entonces, el sistema trata de alcanzar el equilibrio mediante un movimiento de difusión relativamente lento de los componentes, los cuales se transfieren parcialmente entre las fases en el proceso. Por tanto, las separaciones nunca se completan, aunque, como se mostrara, pueden llevarse tanto como se desee hacia la terminación (pero no totalmente) mediante manipulaciones apropiadas.

Los tres estados de agregación de la materia -gas, líquido y sólido- permiten seis posibilidades de contacto interfacial.

Gas-gas. Puesto que, con pocas excepciones, todos los gases son completamente solubles entre sí, esta categoría no se realiza prácticamente.

Gas-líquido. Si todos los componentes del sistema se distribuyen entre las fases en el equilibrio, la operación se conoce como destilación fraccionada (o con frecuencia, simplemente como destilación). En este caso, la fase gaseosa se crea a partir del líquido por calentamiento o a la inversa, el líquido se crea a partir del gas por eliminación de calor.

Por ejemplo, si una mezcla de amoniaco y aire se pone en contacto con agua líquida, una gran cantidad de amoniaco, pero básicamente nada de aire, se disolverá en el líquido; en esta forma se puede separar la mezcla aire-amoniaco. Esta operación se conoce como absorción de gases. Por otra parte, si se pone en contacto aire con una solución de amoniaco-agua, parte del amoniaco abandona el líquido y entra en la fase gaseosa, operación que se conoce como desorción, la diferencia entre estas operaciones esta únicamente en el sentido de la transferencia del soluto.

Si la fase líquida es un líquido puro que sólo contiene un componente, mientras que la gaseosa contiene dos o más, la operación se conoce como humidificación o deshumidificación, según el sentido de la transferencia (he aquí la excepción que se mencionó antes). Por ejemplo, el contacto entre aire seco y agua líquida da como resultado la evaporación de parte del agua al aire (humidificación del aire). Al contrario, el contacto entre aire muy húmedo y agua líquida pura tiene como resultado la condensación parcial de la humedad del aire (deshumidificación). En los dos casos, se trata de la difusión de vapor de agua a través del aire. Estas operaciones se incluyen entre las de transferencia de masa.

Gas-sólido. Nuevamente conviene clasificar las operaciones en esta categoría de acuerdo con el número de componentes que aparecen en las dos fases.

Si se va a evaporar parcialmente una solución sólida sin la aparición de una fase líquida, la nueva fase vapor formada y el sólido residual contienen todos los componentes originales, pero en proporciones diferentes; la operación se llama sublimación fraccionada. Al igual que en la destilación, las composiciones finales se establecen por la interdifusión de los componentes entre las fases. Aun cuando esta operación es teóricamente posible, prácticamente no es común, debido a la poca conveniencia de trabajar de esta manera con fases sólidas.

Sin embargo, puede suceder que no todos los componentes estén presentes en las dos fases. Si un sólido humedecido con un líquido volátil se expone a un gas relativamente seco, el líquido abandona el sólido y se difunde en el gas, operación que algunas veces se conoce como secado y otras como desorcidn. Un ejemplo casero es el secado de la ropa por exposición al aire; en muchos casos, el homólogo industrial es el secado de madera o la eliminación de humedad de una “torta de filtrado” húmeda por exposición a aire seco. En este caso, la difusión es, por supuesto, de la fase sólida a la gaseosa. Si la difusión tiene lugar en el sentido opuesto; la operación se conoce como adsorción Por ejemplo, si una mezcla de vapor de agua y aire se pone en contacto con sílica gel activada, el vapor de agua se difunde en el sólido, el cual lo retiene fuertemente; el aire, por tanto, se seca. En otros casos, una mezcla de gases puede contener varios componentes, cada uno de los cuales se adsorbe sobre un sólido en proporción diferente a los demás (adsorción fraccionada). Por ejemplo, si mediante carbón activado se pone en contacto una mezcla de propano y propileno en estado gaseoso, los dos hidrocarburos son adsorbidos, pero en proporciones diferentes; se obtiene así una separación de la mezcla gaseosa.

Cuando la fase gaseosa es vapor puro, como en la sublimación de un sólido volátil a partir de una mezcla de éste con un sólido no volátil se tiene una operación que depende más de la velocidad de aplicación de calor que de la diferencia en concentraciones; se trata de un proceso esencialmente no difusivo. Lo mismo es cierto para la condensación de un vapor hasta obtener un sólido puro, porque la velocidad de condensación depende de la velocidad de eliminación de calor.

Líquido-líquido. Las separaciones en que interviene el contacto entre dos fases líquidas insolubles se conocen como operaciones de extracción líquida. Un ejemplo sencillo, que resulta bastante familiar, es el procedimiento siguiente: si se agita una solución de acetona-agua con tetracloruro de carbono en un embudo de separación y se dejan asentar los líquidos, gran parte de la acetona se encontrara en la fase rica en tetracloruro de carbono por tanto, se habrá separado del agua. También se habrá disuelto una pequeña cantidad del agua en el tetracloruro de carbono y una pequeña cantidad de éste habrá pasado a la capa acuosa; empero, estos efectos son relativamente menores. Otro ejemplo es la separación de una solución de ácido acético y acetona, agregándole a la solución una mezcla insoluble de agua y tetracloruro de carbono. Después de agitar y dejar asentar, la acetona y el ácido acético se encontrarán en las dos fases líquidas, pero en diferentes proporciones. Una operación de este tipo se conoce como extracción fraccionada.

Otro caso de extracción fraccionada

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