Fenomenos De Transporte

Introducción

Los fenómenos de transporte tienen lugar en aquellos procesos, conocidos como procesos de transferencia, en los que se establece el movimiento de una propiedad ( masa o energía) en una o varias direcciones bajo la acción de una fuerza impulsora. Al movimiento de una propiedad se le llama flujo

Los procesos de transferencia de masa son importantes ya que la mayoría de los procesos químicos requieren de la purificación inicial de las materias primas o de la separación final de 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 (Transferencia de masa). Los costos por separación o purificación dependen directamente de la relación entre la concentración inicial y final de las sustancias separadas; sí esta relación es elevada, también serán los costos de producción.

En muchos casos, es necesario conocer la velocidad de transporte de masa a fin de diseñar o analizar el equipo industrial para operaciones unitarias, en la determinación de la eficiencia de etapa, que debe conocerse para determinar el número de etapas reales que se necesita para una separación dada.6

Algunos de los ejemplos del papel que juega la transferencia de masa en los procesos industriales son: la remoción de materiales contaminantes de las corrientes de descarga de los gases y aguas contaminadas, la difusión de neutrones dentro de los reactores nucleares, la difusión de sustancias al interior de poros de carbón activado, la rapidez de las reacciones químicas catalizadas y biológicas así como el acondicionamiento del aire, entre otros

En la industria farmacéutica también ocurren procesos de transferencia de masa tal como la disolución de un fármaco, la transferencia de nutrientes y medicamento a la sangre, entre otros.

La ley de Fick es el modelo matemático que describe la transferencia molecular de masa, en sistemas o procesos donde puede ocurrir solo difusión o bien difusión más convección. En este trabajo, una idea central será el cálculo de los coeficientes de transferencia de masa para diferentes sistemas (estados de agregación de la materia ).

La transferencia de masa juega un papel fundamental en la industria. Muchas son las aplicaciones que industrialmente están gobernadas por los principios de transferencia de materia. Alguno s de los más importantes son: Destilación, extracción liquido‐liquido, secado, absorción, adsorción y humidificación.

Transferencia de Masa: La transferencia de masa cambia la composición de soluciones y mezclas mediante métodos que no implican necesariamente reacciones químicas y se caracteriza por transferir una sustancia a través de otra u otras a escala molecular. Cuando se ponen en contacto dos fases que tienen diferente composición, la sustancia que se difunde abandona un lugar de una región de alta concentración y pasa a un lugar de baja concentración.

El proceso de transferencia molecular de masa, al igual que la transferencia de calor y de momentum están caracterizados por el mismo tipo general de ecuación

En esta ecuación la velocidad de transferencia de masa depende de una fuerza impulsora (diferencia de concentración) sobre una resistencia, que indica la dificultad de las moléculas para transferirse en el medio. Esta resistencia se expresa como una constante de proporcionalidad entre la velocidad de transferencia y la diferencia de concentraciones denominado: "Difusividad de masa". Un valor elevado de este parámetro significa que las moléculas se difunden fácilmente en el medio.

Procesos de separación más comunes en la industria. Incluir aplicación para cada proceso

• Destilación: El objeto de la destilación es separar, mediante vaporización, una mezcla líquida de sustancias miscibles y volátiles en los componentes individuales o, en algunos casos, en grupos de componentes. La separación de una mezcla de alcohol y agua en sus componentes; de aire líquido en nitrógeno, oxígeno y argón; y un crudo de petróleo en gasolina, queroseno, fuel oil y aceites lubricantes, son ejemplos de destilación.

• En la absorción de gases: un vapor soluble se absorbe, de su mezcla con un gas inerte, en un líquido en el que el gas soluto es más o menos soluble. Un ejemplo típico es la absorción de amoníaco contenido en una mezcla con aire, mediante tratamiento con agua líquida. El soluto se recupera posteriormente del líquido por destilación y el líquido absorbente puede desecharse o bien ser reutilizado.

Cuando el soluto se transfiere desde el disolvente líquido hacia la fase gaseosa, la operación recibe el nombre de desorción. En adsorción se separa un soluto de un líquido o de un gas mediante contacto con un sólido adsorbente suya superficie tiene una especial afinidad para el soluto. En un líquido puro se separa por condensación de un gas inerte o portador.

Con frecuencia el gas portador es insoluble en el líquido. Ejemplos de son la separación del vapor de agua del aire mediante condensación sobre una superficie fría y la condensación de un vapor orgánico, tal como tetracloruro de carbono, de una corriente de nitrógeno. En las operaciones de humidificación, el sentido de la transferencia es desde la fase líquida hacia la gaseosa.

En el secado de sólidos, un líquido, generalmente agua, se separa por medio de un gas seco y caliente (generalmente aire) de forma que la operación está acompañada de la humidificación de la fase gaseosa.

En la extracción a veces llamada extracción con disolvente, una mezcla de dos componentes se trata con un disolvente que disuelva preferentemente a uno o más de los componentes de la mezcla. La mezcla así tratada recibe el nombre de y la fase rica en disolventes se llama extracto. El componente que se transfiere desde el refinado hacia el extracto es el soluto, mientras que el componente que predomina en el refinado es diluyente. El disolvente presente en el extracto que sale del extractor, generalmente se recupera y reutiliza.

• Humidificación: Como hemos explicado en el apartado 1.1, en un proceso de humidificación el agua caliente se pone en contacto con aire seco o poco húmedo; la materia (agua) y el calor se transfieren hacia la fase gaseosa a través de la interface, como se muestra en la figura 3, la cual se enfría.

Figura 3: Condiciones de la interface en una altura determinada de una torre de humidificación

Como resultado, el líquido cede calor a la interface, enfriándose también. Y el gas se humidifica.

Podemos esquematizar el proceso de humidificación por el dispositivo mostrado en la figura 4.

L: caudal másico de líquido

G: caudal másico de gas

H: humedad del gas

TL: temperatura del líquido

TG: temperatura del gas

q: calor transferido a la columna desde el exterior

z: altura de la columna

A: superficie interfacial

a: área interfacial del volumen de la columna (m2/m3)

S: sección transversal de la torre

hL y hG son los coeficientes de transferencia de calor por convección de la fase líquida y gaseosa respectivamente.

kG es el coeficiente de transferencia de materia de la fase gaseosa. (Es evidente que no hay coeficiente de transferencia de materia de la fase líquida, ya que en ella no hay transferencia de materia, al tratarse de un componente puro.) La columna opera adiabáticamente (q=0) en régimen estacionario. La aproximación a la operación adiabática será mayor a medida que el diámetro de la columna aumente. Escribiremos pues los balances para la altura diferencial dz. Balance de materia para el componente que se transfiere (agua):

dL= G•dH (9)

Ley de Fick para difusión molecular. Forma de la primera ley de Fick para sistemas binarios

Ley de Fick para la difusión molecular: La difusión molecular (o transporte molecular) puede definirse como la transferencia (o desplazamiento) de moléculas individuales a través de un fluido por medio de los desplazamientos individuales y desordenados de las moléculas. Podemos imaginar a las moléculas desplazándose en línea recta y Cambiando su dirección al rebotar otras moléculas cuando chocan. Puesto que las moléculas se desplazan en trayectorias al azar, la difusión molecular a veces se llama también proceso con trayectoria aleatoria. En la figura 6.1-l se muestra esquemáticamente el proceso de difusión molecular. Se ilustra la trayectoria desordenada que la molécula A puede seguir al difundirse del punto (1) al (2) a través de las moléculas de B. Si hay un número mayor de moléculas de A cerca del punto (1) con respecto al punto (2), entonces, y puesto que las moléculas se difunden de manera desordenada ,en ambas direcciones, habrá más moléculas de A difundiéndose de (1) a (2) que de (2) a (1). La difusión neta de A va de una región de alta concentración a otra de baja concentración. Considérese otro ejemplo, en el que se añade una gota de tinta azul a una taza de agua. Las moléculas de la tinta se difundirán

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