Trabajo de Tarnsferencia de Materia 1

5/7/2018 Trabajo de Tarnsferencia de Materia 1 - slidepdf.com

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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACION SUPERIOR

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL

RAFAEL MARÍA BARALT

SEDE: LOS PUERTOS DE ALTAGRACIA

INTEGRANTES:

YOSBELYS BASTIDAS C.I.: 19.573.291

SUSANA FERNANDEZ C.I.: 6.465.961

GENESIS FOSSI C.I.: 20.332.607

PEDRO PEREZC.I.: 19.899.285

GERARDO SOCORRO C.I.: 19.412.906

SECCIÓN: 03

LOS PUERTOS DE ALTAGRACIA, JUNIO DEL 2011

ESQUEMA



Conceptos básicos de la transferencia de materia.

Introducción

Definición:

Definición de técnicas utilizadas en la Transferencia de Materia

y Destilación

y Absorción de gases.

y Deshumidificación.

y Extracción líquido-líquido.

y Extracción de sólidos, o lixiviación y Cristalización.

Terminología y símbolos

Concentración.

Ley de Fick de la difusión.

Fundamentos de la difusión y de la transferencia de materia entre fases.

Papel de la difusión en la transferencia de materia.

Teoría de la difusión

Difusión molecular

Magnitudes de difusión.

Velocidades de difusión.Velocidad de flujo molar, velocidad y densidad de flujo.

Definición de difucividad:

Difusividades de gases.

Difusividades de líquidos.

Métodos de realización de las operaciones de transferencia de masa.

Recuperación del soluto y separación fraccionada Operaciones en estado no estacionario

Operación es estado estacionaria

Operación por etapas

Operaciones en contacto continuo (contacto diferencial)

Conclusión Conceptos básicos de la transferencia de materia.



Introducción

Un sistema con dos o más constituyentes (mezclas) cuyas concentraciones

varían de un punto a otro presentan una tendencia natural a transferir materia

haciendo mínimas las diferencias de concentración dentro del sistema. Este

fenómeno se llama transferencia de masa o materia. Así, cuando se coloca azúcar

en el café o se destapa un frasco de perfume en una habitación ocurre este

fenómeno (El tiempo necesario para alcanzar una concentración uniforme en la

habitación).Por lo tanto se puede deducir cualitativamente que la transferencia de

materia dependerá de la fluidodinámica del sistema.

Definición:Un grupo de operaciones para la separación de componentes de mezclas está

basado en la transferencia de materia desde una fase homogénea a otra.

Contrariamente a las separaciones puramente mecánicas, estos métodos utilizan

diferencias en la presión de vapor o la solubilidad, en vez del tamaño o la densidad

de las partículas. La fuerza impulsora para la transferencia es una diferencia de

concentración o un gradiente de concentración, de la misma forma que una

diferencia de temperatura o un gradiente de temperatura constituye la fuerzaimpulsora para la transmisión de calor. Estos métodos, agrupados bajo la

denominación de operaciones de transferencia de materia, incluyen técnicas tales

como destilación, absorción de gases, deshumidificación, extracción líquido-líquido,

lixiviación, cristalización, así como muchas otras.

Definición de técnicas utilizadas en la Transferencia de Materia

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. Ejemplo, el crudo de petróleo se separa en gasolina, queroseno,

fuel oíl y aceites lubricantes.



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.

Deshumidificación.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

deshumidificación 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.

Extracción líquido-líquido. 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.

Extracción de sólidos, o lixiviación.El material soluble se disuelve de su mezcla

con un sólido inerte mediante un disolvente líquido. El material disuelto, o soluto, se

recupera después por cristalización o evaporación.

Cristalización. Se utiliza para obtener materiales en forma de cristales uniformes y

atractivos de buena pureza. Como la formación de cristales consiste en la separación

de un soluto de una disolución o de una fase fundida, dejando las impurezas en la

fase líquida, se trata de una operación de separación.

Terminología y símbolos.

Convencionalmente, las dos corrientes que intervienen en una operación se

designan como la fase L y la fase V. También es costumbre seleccionar la corriente

de mayor densidad como la fase L y la de menor densidad como la fase V. Una

excepción puede presentarse en extracción líquido-líquido. La siguiente tabla

muestra cómo se designan las corrientes en las distintas operaciones.



Terminología para corrientes en operaciones de transferencia de materia

Operación Fase V Fase L

Destilación Vapor Liquido

Absorción, deshumidificacion Gas Liquido

Adsorción Gas o liquido Solido

Extracción liquido-liquido Extracto Refinado

Lixiviación Liquido Solido

Cristalización Aguas madres Cristales

Secado Gas (Gral. Aire) Solido seco

Concentración.Quiere decir masa por unidad de volumen. La masa puede estar

expresada en libras o kilogramos, y el volumen en pies cúbicos o metros cúbicos.

Para expresar la masa se usa también con frecuencia la libra mol o el kilogramo mol.

Es conveniente ampliar el uso de la palabra «concentración» para incluir fracciones

de masa o de moles. La relación entre ambas concentraciones para un componente i

es:

Ci = PXi

Donde

xi = fracción de masa o molar del componente ip = densidad de masa o molar de la mezcla

ci = concentración correspondiente del componente i

La fracción molar es la relación entre los moles de un componente y el número total

de moles de la mezcla, con una definición análoga para la fracción de masa.

Por definición, la suma de las fracciones molares o de masa de una mezcla es la

unidad.

Ley de Fick de la difusión.

De manera análoga a como se definió la viscosidad en fluidos newtonianos como el

factor de proporcionalidad entre el flujo de cantidad de movimiento () y el gradiente

de velocidad (ley de Newton) y la conductividad térmica k como el factor de

proporcionalidad entre el flujo de calor y el gradiente de temperatura (ley de Fourier)



se ha determinado que existe un factor de proporcionalidad entre el flujo de materia

molecular o difusivo y el gradiente de concentración. Este factor de proporcionalidad

se denomina difusividad y la expresión para sistemas binarios viene dada por la

denominada primera ley de Fick:

Fundamentos de la difusión y de la transferencia de materia entre fases.

La difusión es el movimiento, bajo la influencia de un estímulofísico, de un

componente individual a través de una mezcla. La causa más frecuente de la difusión

es un gradiente de concentración del componente que difunde. Un gradiente de

concentración tiende a mover el componente en una dirección tal que iguale las

concentraciones y anule el gradiente. Cuando el gradiente se mantiene mediante el

suministro continuo de los componentes de baja y alta concentración, el flujo del

componente que se difunde es continuo. Este movimiento es aprovechado en las

operaciones de transferencia de materia. Por ejemplo, un cristal de sal en contacto

con una corriente de agua o de una disolución diluida, genera un gradiente de

concentración en las proximidades de la interfase, difundiéndose la sal a través de

las capas de líquido en la dirección perpendicular a la interfase.

Papel de la difusión en la transferencia de materia.

En todas las operaciones de transferencia de materia la difusión ocurre por lo menos

en una fase, y con frecuencia en dos fases. En absorción de gases el soluto se

difunde a través de la fase gaseosa hacia la interfase y a través de la fase líquida

desde la interfase. En destilación el componente menos volátil difunde a través de la

fase líquida hacia la interfase y desde ésta hacia el vapor. El componente menos

volátil difunde en sentido contrario y pasa a través del vapor hasta el seno del líquido.

En lixiviación la difusión del soluto a través de la fase sólida va seguida de la difusión

en el seno del líquido. En extracción líquido-líquido el soluto difunde a través de la

fase de refinado hacia la interfase y después hacia el interior de la fase extracto. En

cristalización el soluto difunde a través de las aguas madres hacia los cristales y se

deposita sobre las superficies sólidas. En humidifícación no hay difusión a través de

la fase líquida debido a que la fase líquida es un componente puro y no existe



gradiente de concentración en ella; pero el vapor difunde hacia o desde la interfase

gas-líquido hacia fuera o hacia dentro de la fase gaseosa. En el secado, el agua

líquida difunde a través del sólido hacia la superficie del mismo, se evapora, y

después se difunde como vapor en la fase gaseosa.

Teoría de la difusión

En esta sección se consideran relaciones cuantitativas para la difusión. La atención

se localiza sobre la difusión en dirección perpendicular a la interfase y en una

localización definida en el equipo. Se supone que transcurre en estado estacionario,

de forma que las concentraciones en un determinado punto no varían con el tiempo.

La teoría está restringida a mezclas binarias.

Difusión molecular

Ya se dijo que si una solución es completamente uniforme con respecto a la

concentración de sus componentes, no ocurre ninguna alteración; en cambio, si no

es uniforme, la solución alcanzará espontáneamente la uniformidad por difusión, ya

que las sustancias se moverán de un punto de concentración elevada a otro de baja

concentración. La rapidez con la cual un soluto se mueve en cualquier punto y en

cualquier dirección dependerá, por tanto, del gradiente de concentración en esepunto y esa dirección. Para describir cuantitativamente este proceso, se necesita una

medida apropiada de la rapidez de transferencia.

La rapidez de transferencia puede describirse adecuadamente en función delflujo

molar, o moles/(tiempo)(área), ya que el kea se mide en una dirección normal a la

difusión.

El primero es importante al aplicarse al diseflo de equipo; el segundo es

característico de la naturaleza del componente. Por ejemplo, un pescador estaría

más interesado en la rapidez con la cual nada un pez en contra de la corriente para

alcanzar el anzuelo (análogo a N); la velocidad del pez con relación a la del arroyo

(an&logo a J) es caracteristica de la habilidadnatatoria del pez. Así, la difusividad, o

coeficiente de difusión, DAB de un componente A en solución en B, que es una

medida de la movilidad de di



Magnitudes de difusión.

En la teoría de difusión se utilizan cinco conceptos relacionados entre sí:

La velocidad U, definida en la forma habitual de longitud/tiempo.

La densidad de flujo N a través de un plano, en moles/área-tiempo.

La densidad de flujo J con relación a un plano de velocidad nula, en

molesfárea-tiempo.

La concentración c y la densidad molar pM, moles/volumen (también se puede

utilizar la fracción molar).

El gradiente de concentración dc/db, donde b es la longitud del camino

perpendicular al área a través de la cual tiene lugar la difusión.

Velocidades de difusión. Para describir los movimientos de sustancias individuales

y de la fase total se requieren distintas velocidades. Puesto que el movimiento

absoluto no tiene sentido, cualquier velocidad ha de estar basada en un estado

arbitrario de reposo. En este tratamiento, el término «velocidad» sin cualificación se

refiere a la velocidad relativa a la interfase entre las fases, que es la que apreciaría

un observador que estuviese en reposo con respecto a la interfase.

Velocidad de flujo molar, velocidad y densidad de flujo.

Si la densidad de flujo molar total, en moles por unidad de área y unidad de tiempo

en dirección perpendicular a un plano estacionario, se representa por N y la

velocidad volumétricamedia por uo

Definición de difucividad:

Las difusividades se definen no con respecto a un plano estacionario sino con

relación a un plano que se mueve con una velocidad volumétrica media uO. Por

definición, no hay flujo volumétrico neto a través de este plano de referencia, aunque

en algunos casos puede haber un flujo neto molar o de masa.

Difusividades de gases. Las difusividades de gases se pueden predecir con una

exactitud considerable a partir de la teoría cinética¶, r7, si bien las correlaciones



teóricas se han modificado teniendo en cuenta la información experimental, lo que da

lugar a ecuaciones semiempíricas.

Difusividades de líquidos.

Las difusividades de líquidos son generalmente de 4 a 5 órdenes de magnitud

inferiores a las de gases a la presión atmosférica. La difusión en líquidos ocurre

debido al movimiento al azar de las moléculas, pero la distancia media recorrida

entre las colisiones es inferior al diámetro molecular, en contraposición con 10 que

ocurre en gases, donde el recorrido libre medio es de mayor orden de magnitudque

el tamaño de la molécula. Las difusividades para disoluciones diluidas de líquidos

pueden calcularse aproximadamente a partir de la ecuación.

Métodos de realización de las operaciones de transferencia de masa.

El método para trabajar con estas operaciones depende de ciertas características de

las mismas; ademas, la descripción del método se da en términos que necesitan ser

definidos previamente.



Recuperación del soluto y separación fraccionada

Si los componentes de una solución corresponden a grupos distintos con

propiedades muy diferentes, de tal manera que parezca que un grupo de

componentes contiene al disolvente y el otro al soluto, entonces la separación de

acuerdo con estos dos grupos, por lo general es relativamente sencilla: se reduce a

una operación de recuperación del soluto o de eliminación del soluto. Por ejemplo,

sea una mezcla gaseosa de metano, pentano y hexano: puede considerarse que en

ella el metano es el disolvente y que el soluto está formado por el pentano y el

hexano; en este caso, el disolvente y el soluto son lo suficientemente distintos, al

menos en una propiedad, su presión de vapor.

Este tipo de separaciones se conoce como separación fraccionada y en este caso se

puede usar la destilación fraccionada. El que se escoja un procedimiento de

separación fraccionada o de recuperación del soluto depende de la propiedad que se

quiera explotar.

Operaciones en estado no estacionario

La característica de la operación en estado no estacionario es que las

concentraciones en cualquier punto del aparato cambian con el tiempo. Esto puede

deberse a cambios en las concentraciones de los materiales alimentados,velocidades de flujo o condiciones de temperatura o presión.

En las operaciones por lotes, todas las fases son estacionarias, si se observan desde

el exterior del aparato; esto es, no hay flujo hacia dentro o hacia fuera, aun cuando

puede existir un movimiento relativo en la parte interior.

Operación es estado estacionaria

La característica de la operación en estado estacionario es que las concentraciones

en cualquier punto del aparato permanecen constantes con el paso del tiempo. Esto

requiere del flujo continuo e invariable de todas las fases en y fuera del aparato, una

persistencia del régimen de flujo dentro del aparato, concentraciones constantes de

las corrientes alimentadoras y las mismas condiciones de temperatura y presión.



Operación por etapas

Si inicialmente se permite que dos fases insolubles entren en contacto de tal forma

que las diferentes sustancias por difundirse se distribuyan por sí mismas entre las

fases y que después se separen las fases mecánicamente, a toda la operación y al

equipo requerido para realizarla se les considera como una etapa. En

separacionesque requieren grandes cambios de concentración, se pueden organizar

una serie de etapas de tal forma que las fases fluyan de una a otra etapa; ejemplo: el

flujo a contracorriente. Un arreglo de este tipo se conoce como una cascada. Con el

fin de establecer un estándar para la medición del funcionamiento, el estado ideal o

teórico se define como aquel estado en donde las fases efluentes están en equilibrio,

de tal forma que tampoco habrá cambios adicionales en la composición si se permite

mayor tiempo de contacto. La aproximación al equilibrio realizada en cada etapa se

define como la eficiencia de la etapa.

Operaciones en contacto continuo (contacto diferencial)

En este caso, las fases fluyen a través del equipo, de principio a fin, en contacto

íntimo y continuo y sin separaciones físicas repetidas ni nuevos contactos. La

naturaleza del método exige que la operación sea semicontinua o en estado

estacionario; el cambio resultante en las composiciones puede ser equivalente aldado por una fracción de una etapa ideal o por varias etapas. Por otra parte, en el

caso de la operación de contacto continuo, el alejamiento del equilibrio se mantiene

deliberadamente; por ello, el flujo difusivo entre las fases puede continuar sin

interrupción. La elección del método por utilizar depende en cierta medida de la

eficiencia de la etapa que puede obtenerse prácticamente.

En conclusión. Todas estas definiciones son algunos de los principios básicos para

que ocurra una transferencia de materia, desde las técnicas utilizadas como medio,

donde ocurre la difusión de componentes de las cuales se explica con la ley de Fick y

la difusividad en distintos estados de la materia.



BIBLIOGRAFIA

Procesos de transporte y operaciones unitarias, Christie j. Geankoplis,

Compañía editorial continental, s.a. De c.v. México, tercera edición méxico,

1998.

Operaciones Unitariasen IngenieriaQuimica, Warren L. McCabe, Julian C.

Smith Y Peter Harriott, Cuarta edición.

Operaciones detransferenciade masa,Robert E. Treybal, segunda edición.

Operaciones de separaciónpor etapas de equilibrioen ingeniería química,

Ernest J. Henley J. D. Seader, Editorial Reverté, S. A.

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