APLICACIONES QUIMICAS DE LA TRANSFERENCIA DE MASA

H. Escorciaa, D. Figueroaa, C. Carazoa, Y. Requenaa, A. Herrerab.aPrograma de Ingeniera Qumica, Universidad de Cartagena. Cartagena. Colombia.bDocente del Curso Transferencia de Masa I, Universidad de Cartagena. Cartagena. Colombia.

TRANSFERENCIA DE MASA EN PLATOS PLANOS. [2], [5], [6].

En el mundo la madera se emplea principalmente en la fabricacin de cimbra para la construccin de estructuras de concreto. Con este fin la madera debe cortarse de acuerdo al tipo de elemento a fabricar. En general, en la construccin se emplean tablas, tablones, polines, y todo tipo de vigas y duelas, aunque tambin se emplean otros tipos de productos derivados como el triplay y los aglomerados.Tambin en la produccin de las piezas de madera empleadas en la construccin, la dureza, la densidad, el contenido de humedad y las imperfecciones de la madera influyen en los costos de produccin. Las maderas ms densas son ms caras porque requieren de un mayor tiempo de cultivo para lograr su plena madurez, tambin por su densidad consumen ms energa en su corte adems de que las herramientas requieren de un mantenimiento ms costoso. Las maderas verdes son muy difciles de trabajar y pulir, y como se ha mencionado, con el tiempo se agrietan y sufren una mayor deformacin diferida (creep) por su exagerado comportamiento viscoelstico.

Sea cual fuere el sistema de secado que se emplee en secar una madera, se ha de tener presente que: se debe secar madera en el menor tiempo posible, al menor costo y con la mejor calidad. El secado de la madera es un procedimiento de vital importancia en la manufactura de las maderas, pero en ocasiones llega a ser la fuente de algunos problemas y defectos cuando se aplica mal, generndose prdidas en el valor de la madera y a veces toda la madera. Pero no todo es malo y es as como se dispone de una serie de sistemas de secado segn sea la madera y su uso, los cuales secan la madera a satisfaccin.

En nuestro caso encontramos una empresa que maneja losetas de madera, de 15,2 cm x 15,2 cm x 1,9 cm, con un contenido de humedad uniforme inicial del 39,7 % de agua, la cual se expone a aire relativamente seco. Los bordes delgados se sellan, y el secado tiene lugar, por las 2 caras planas grandes, por difusin interna del agua lquida hasta la superficie y por evaporacin en la superficie. El contenido de humedad en la superficie permaneci constante en 8%. Al cabo de 7 hr 40 min (tiempo de almacenamiento), el contenido medio de humedad cay al 24%.

a) Calcular la difusividad eficaz cm 2/s:

b) Suponiendo que D permanece constante y es la misma para la difusin en cualquier direccin. Qu contenido medio de agua quedar en la loseta secndola por una sola cara, y cual por las seis caras, durante el mismo lapso?

SOLUCIN.

;

Se supone d = cte, luego la concentracin es X

t = 7 h 40 min = 27600 seg

2a = 1.9 cm

Del treybal se sabe que para lminas , luego

b) Secado por 1 sola cara

Del treybal, para laminas: E = 0.7

Luego:

Y = 32.75%

b.2) Difusin a travs de las 6 caras

2a = 1.9;2b = 15.2; 2c = 15.2

Del treybal, para laminas: Ea = 0.4

Del treybal, para laminas: Eb = Ec = 0.94Luego: E = 0.4 * 0.94 * 0.94 =0.353Por lo tanto:

Y = 22.41%

TRANSFERENCIA DE MASA EN ESFERAS. [2], [3], [4], [5].

El desarrollo de la pulverizacin de carbn es paralelo al de la tecnologa de combustin del carbn pulverizado; los primitivos sistemas utilizaban molinos con carga de bolas para pulverizar el carbn, y silos para el almacenaje antes de quemarlo. La evolucin tecnolgica para eliminar los silos y quemar el carbn, transportado directamente por va neumtica desde los pulverizadores, requiere equipamientos ms sensibles y fiables, necesidad que cumplimentan los pulverizadores verticales con extraccin por chorro de aire. Actualmente se dispone de una amplia gama de pulverizadores, como:- El tipo MPS, o el Loesche, que cubren las necesidades de las plantas termo-elctricas- El tipo EL, que cubre los requisitos industriales de cargas menores que emplean elementos rodantes sobre mesas o platos giratorios que muelen finamente el carbn que se extrae del molino mediante aire, para su transporte directo a los quemadores. Para mantener operativas las modernas plantas termoelctricas que queman carbn, es fundamental disponer de unas caractersticas operativas fiables en los pulverizadores de combustible. Un pulverizador tiene que ser capaz de manipular una amplia variedad de carbones y de acomodarse a las oscilaciones de la demanda de la red elctrica. Una diferencia fundamental entre los sistemas de caldera y los pulverizadores de carbn, radica en que stos se dimensionan y operan como mquinas de flujo msico, mientras que cualquier caldera se regula trmicamente, por lo que el poder calorfico del combustible juega un papel importante.

Para una nueva planta de produccin de energa se propone utilizar un reactor de combustin que trabaja con partculas pulverizadas de carbono. Para poder llevar las partculas hasta el reactor es necesario fluidizarlas con ayuda de una corriente de aire atmosfrico. Se trabaja a 1145 K con el objetivo de que el proceso se encuentre controlado por las velocidades de difusin. Supngase que el carbn es puro, con una densidad de 1280Kg/m^3 y que la partcula es esfrica con un dimetro inicial de 0.00015 m. a una distancia de varios dimetros de la esfera hay aire atmosfrico. Bajo las condiciones a las que se lleva el proceso, la difusividad del oxgeno en la mezcla gaseosa (aire) puede evaluarse como 0.00013 m^2/s a la temperatura indicada. Calcular el coeficiente de transferencia de masa y el flux si la operacin se lleva a cabo de manera isotrmica.Como dato adicional se sabe que el carbn al inicio del proceso tiene una concentracin de , la viscosidad es de y la velocidad del aire en los alrededores es aproximadamente .

Partculas esfricas de carbn pulverizado

SOLUCINDatos:

En primera instancia se calculan los parmetros adimensionales.

Nmero de Reynolds.

El nmero de Schmidt

A partir de esto se puede calcular el Nmero de Sherwood, utilizando una correlacin.

Entonces, sustituyendo se tiene que el nmero de Sherwood es

Remplazando datos,

Pero tambin el nmero de Sherwood se define como.

De donde despejando , se obtiene la expresin

Se considera que la droga est muy diluida en la sangre (), por lo tanto . Y tambin .

Dividiendo entre el peso molecular

TRANSFERENCIA DE MASA EN LECHOS EMPACADOS. [1], [5], [7].

En muchos procesos de Ingeniera Qumica se utilizan torres de lechos empacados ya sea para aprovechar la accin de un catalizador o para la purificacin de una sustancia de gran importancia en procesos posteriores.Dentro del amplio campo de industria qumica se encuentra la produccin de combustibles. La Hidracina es un combustible txico que se obtiene por oxidacin de amoniaco con cloro o hipociorito sdico. Tiene carcter reductor y se emplea como combustible para cohetes y aviones. Entre los aviones que disponen de este combustible figura el cazabombardero estadounidense F-16, una de las naves ms modernas de las fuerzas areas de los pases de la OTAN.L os F-16 suelen llevar al menos un contenedor con 10 litros de lquido, el 30% de hidracina y el resto de agua, que sirven como propulsor de un generador de emergencia que facilita al piloto, caso de que se produzca una avera en los generadores del circuito elctrico, el aterrizaje. La hidracina, base orgnica dbil formada por dos grupos amino entre s (N2H4), es un producto txico y voltil que se inflama al mnimo contacto con el aire.La descomposicin de la Hidracina suele hacerse en reactor de lecho empacado de catalizador de iridio soportado en xido de aluminio. En un estudio propuesto, se hace pasar una mezcla de 2% de Hidracina y 98% de Helio por dicho reactor con un dimetro de partcula de 0.3cm y una longitud de 0.6cm en fase gaseosa a una velocidad de 15m/s y temperatura de 750K. La longitud, porosidad y fluidicidad del lecho empacado son respectivamente de 5cm, 30% y 97.5% mientras que la viscosidad cinemtica del helio es de 4.5x10-4 m2/s. Se cree que la transferencia de masa externa es la que limita la reaccin de descomposicin de la Hidracina, donde la difusividad de la Hidracina al lecho es de 0.69x10-4 m2/s. Calcular el coeficiente de transferencia de masa y el flux si la operacin se lleva a cabo de manera isotrmica y, si la concentracin inicial de Hidracina es de 20mg/cm3 y en la interfase de 23mg/cm3, mientras que la de salida es de 2mg/cm3.

SOLUCIN

Datos:

Se determina el dimetro promedio de partcula por unidad de volumen a partir de la correlacin de Thoenes-Kramers:

Para el rea superficial de las partculas por unidad de vomulen sera:

Calculando el Re

Corrigiendo la difusividad a T=780K

Calculando los otros dos nmeros adimensionales:

14.281

Hallamos finalmente el coeficiente de transferencia de masa:

La ecuacin para el flux en un lecho empacado es la siguiente,

Dividiendo entre el peso molecular

TRANSFERENCIA DE MASA EN TUBERAS [8],[9],[10]

La urea, tambin conocida como carbamida, es el fertilizante nitrogenado ms importante. Es un compuesto qumico orgnicocristalinode color blanco que contiene alrededor de un 46 % de nitrgeno. Se utiliza ampliamente en el sector de la agricultura, tanto como fertilizante y aditivo para alimentos de animales, lo que hace que su produccin sea considerablemente alta encomparacincon otros fertilizantes.La sntesis de urea a nivel industrial se realiza a partir de amonaco (NH3) lquido y anhdrido carbnico (CO2) gaseoso. La reaccin se verifica en 2 pasos. En el primer paso, los reactivos mencionados forman un producto intermedio llamado carbamato de amonio y, en la segunda etapa, el carbamato se deshidrata para formar urea.En una tubera con un dimetro interno de 30 mm y 1.5 m de largo, ubicada en una planta de sntesis de urea, fluye amoniaco alimentado (A) y aire (B) a una velocidad de 1 m/s y a una temperatura de 25C. En estas condiciones las propiedades del aire son: la viscosidad y la densidad . Si la concentracin de amoniaco en el aire al final de la tubera es de y Cul es la difusividad del amoniaco en el aire?

SOLUCIN

Caracterizacin del flujo.

Para flujo laminar (, se utiliza la siguiente correlacin.

Asumimos

El flujo msico es,

Calculamos la relacin

Remplazando en la correlacin,

sta difusividad debe revisarse; para lquidos la relacin :

Efectivamente, la correlacin utilizada es vlida. Si hubiese dado tal relacin menor que 400, entonces se hubiese requerido la bsqueda de otra correlacin que se ajuste al sistema.REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

[1] H. SCOTT FOGLER. 3ra Edicin. Elementos de Ingeniera de las Reacciones Qumicas.

[2] WELSCH, S. HISTOLOGA. 2da Edicin. Editorial Mdica Panamericana. Espaa, 2010.

[3] ZULUAGA, F., VALDERRUTEN, N., MUOZ, F. Sntesis y estudio de hidrogeles de acrilamida/cido metacrlico y su aplicacin en la liberacin de frmacos. El Hombre y la Mquina 27. Julio - Diciembre de 2006.

[4] ZHANG, X., XUE, L., WANG, J. Effects of surface modification on the properties of magnetic nanoparticles/PLA composite drug carriers and in vitro controlled release study. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects.

[5] GEANKOPLIS, C. J. Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. 3ra Edicin. CECSA. Mxico, 1998.

[6] http://forwooddry.es/5-heating-kiln.html

[7] http://elpais.com/diario/1984/06/27/espana/457135202_850215.html

[8] http://www.ipni.net/publication/nss.nsf/0/5FE74632D6D80872852579AF00706626/$FILE/NSS-01%20Urea.pdf[9] http://www.esi2.us.es/~jfc/Descargas/TC/Coleccion_tablas_graficas_TC.pdf[10]http://datateca.unad.edu.co/contenidos/332569/MODULO_332569_EXE/difusin_molecular_en_gases.html