Fundamentos de transferencia de masa

Procesos Industriales IV

Transferencia de masa

Los fenómenos de transferenciade masa se refieren almovimiento de las moléculas ode corrientes de fluido causadaspor una fuerza impulsora.

Transferencia de masa

Los principales campos de interésde la transferencia de masa sonla difusión molecular, eltransporte de masa porconvección y el transporte demasa entre fases.

Transferencia de masa

En las operaciones detransferencia de masa, ningunade la fases en el equilibrio constade un único componente.

La difusión de masa ocurre en:

* Líquidos* Sólidos* Gases

Como la transferencia de masa estáfuertemente influida por el espaciomolecular, la difusión ocurre más fácilmenteen gases que en líquidos y más fácilmenteen líquidos que en sólidos.

DIFUSIÓN Y DIFUSIVIDAD

La difusión es el movimiento, bajo la influencia de un estimulo físico, de uncomponente individual a través de una mezcla. La causa más frecuente dela difusión es un gradiente de concentración del componente que difunde.Un gradiente de concentración tiende a mover el componente en unadirección tal que igual las concentraciones y anule el gradiente.

La difusión puede ser originada por un:

Gradiente de concentración,

Gradiente de presión (difusión de presión),

Gradiente de temperatura (difusión térmica),

Y la debida a un campo externo (difusión forzada).

LEY DE FICKLa rapidez de difusión se expresa por la ley de difusión de Fick, la

cual establece que el flujo de masa por unidad de área de un componentees proporcional al gradiente de concentración.

Tipos de transporte (analogías)

• La ecuación de conducción de calor describe el transporte de energía.

• La ecuación de viscosidad describe el transporte de momento a través delas capas fluidas.

• La ley de difusión describe el transporte de masa.

Para gases, la ley de Fick puede expresarse en función de laspresiones parciales utilizando la ecuación de estado de los gasesperfectos. (Esta transformación funciona sólo con gases a presionesbajas o en estados en los que es aplicable la ecuación de estado de losgases perfectos.)

PRIMERA LEY DE FICK

La densidad de flujo JA se supone que es proporcional al gradiente deconcentración dcA/db, y a la difusividad del componente A en su mezclacon el componente B, que se representa por D:

JA= - DAB dcA

dbPara el componente B se deduce una ecuación similar:

JB= - DBA dcB

dbEstas dos ecuaciones corresponden a la primera ley de Fick de la

difusión para una mezcla binaria. Obsérvese que esta ley esta basada entres decisiones:

1. La densidad de flujo está en moles/área-tiempo.

2. La velocidad de difusión es relativa a la velocidad volumétrica media.

3. El potencial impulsor está en términos de concentraciones molares (moles de componente A por unidad de volumen).

Las dimensiones de DAB son longitud al cuadrado portiempo, y generalmente se expresa en m2 por segundo o encm2 por segundo.

Otra forma de representar la primera ley es la siguiente:

PRIMERA LEY DE FICK

Para un flujo de masa

Donde:

jA = flujo de masa de la especie A

DAB = coeficiente de difusión binaria o difusividad de masa DAB

AABA mDj

Am

= gradiente en la fracción masa de la especie A

= densidad de la masa de la mezcla en Kg./m3

AAABA xmCDJ

AAxm

Para un flujo molar

Donde:

J*A = flujo de masa de la especie A (kmol/s . m2)

DAB = coeficiente de difusión binaria o difusividad de masa DAB

C = Concentración molar total de la mezcla (Kmol/m3)

= gradiente de la fracción molar de la especie A

CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES DE SEPARACIÓN

Fase Operaciones básicas

Gas-líquido AbsorciónDestilación/RectificaciónHumidificaciónEvaporación

Líquido-líquido ExtracciónÓsmosis/Ósmosis inversa

Líquido-sólido AdsorciónIntercambio iónicoLixiviación CristalizaciónFiltraciónSedimentaciónCentrifugación

Gas-sólido AdsorciónSecadoLiofilización

Según las fases que intervienen

Según el mecanismo controlante

Mecanismo Operaciones básicas

Transferencia de materia Destilación/RectificaciónAbsorciónAdsorciónExtracciónLixiviaciónIntercambio iónicoÓsmosis/Ósmosis inversa

Transmisión de calor Evaporación

Transferencia simultánea de materia y calor HumidificaciónSecadoCristalizaciónLiofilización

Transporte de cantidad de movimiento FiltraciónSedimentaciónCentrifugación

Objetivo Tipo de residuo Operación

Separación de fases Suspensiones, lechadasSuspensiones coloidalesLodos

Sedimentación, filtración, centrifugaciónUltrafiltraciónFiltración, centrifugación

Separación de metales y aniones solubles

Disoluciones Intercambio iónico, ósmosis inversa

Separación de compuestos orgánicos

Disoluciones acuosas Adsorción, extracción, ultrafiltración

Recuperación de disolventes Disoluciones Destilación, arrastre por vapor, evaporación, ósmosis inversa

Eliminación de microorganismos patógenos

Disoluciones acuosas, lodos Ultrafiltración

Separación de contaminantes Corrientes gaseosas Adsorción, absorción gas-líquido

Separación de partículas sólidas

Corrientes gaseosas y efluentes líquidos

Sedimentación, centrifugación, filtración

Separación de partículas sólidas de pequeño tamaño

Efluentes líquidos, disoluciones coloidales y salinas

Microfiltración, ultrafiltración, ósmosis inversa

Según el objetivo

FILTRACIÓN

Separación de las partículas suspendidas en un fluido mediante su retención sobre un material poroso

Tratamiento de aguas residuales mediante lechos de arena

SEDIMENTACIÓN

Separación de partículas sólidas o gotas de un fluido por acción de la gravedad

Separación de lodos producidos en el tratamiento de aguas residuales

EVAPORACIÓN

Separación de los componentes volátiles de una disolución en la que el soluto es no volátil por generación de su vapor mediante calefacción

Concentración de zumos de frutas por eliminación de agua

EXTRACCIÓN

Separación de los componentes de una mezcla líquida mediante un disolvente inmiscible con ella.

Extracción de aromáticos de los aceites lubricantes con furfural

CENTRIFUGACIÓN

Separación de sólidos o líquidos de emulsiones o suspensiones por actuación de la fuerza centrífuga

Separación del agua mezclada con aceites vegetales en su proceso de extracción

RECTIFICACIÓN

Separación, a través de sucesivas vaporizaciones parciales, de uno o varios componentes de una mezcla fluida mediante calefacción o enfriamiento

Separación del crudo petrolífero en fracciones de distinta volatilidad

ABSORCIÓN

DESORCIÓN

Separación de uno o varios componentes de una mezcla gaseosa mediante su disolución selectiva en un líquido

Absorción de amoniaco del aire en agua

ADSORCIÓN

Separación de uno o varios componentes de una mezcla líquida o gaseosa mediante un sólido adsorbente

Adsorción de compuestos fenólicos en disolución acuosa con carbón activo

SECADO

Separación de un líquido que impregna un sólido, mediante su vaporización en un gas, normalmente aire

Secado de materiales cerámicos porosos en corriente de aire caliente

ÓSMOSIS INVERSA

Fenómeno natural en el cual agua pasa através de una membrana semi-permeable,desde una solución menos concentrada a unasolución más concentrada.

Dessalinización del mar

DESTILACIÓN

Separación de una mezcla líquida por vaporización parcial de la misma y condensación del vapor generado

Obtención de etanol a partir de mezclas hidroalcohólicas