Transferencia de Masa 4

TRANSFERENCIA DEMASA

Dr. Raymundo Erazo ErazoFac. Qumica e Ing. Qumica

UNMSM

TRANSFERENCIA DE MASA ENINTERFASE

La transferencia de un soluto A desde una fasefluida por conveccin y luego a travs de unasegunda fase fluida por conveccin

Las 2 fases estan en contacto unas con otras. El rea interfacial no esta bien definida La transferencia de masa es causeda por una

gradiente de concentrain en cada fase Existe equilibrio en la interfase

Relaciones de equiibrioDatos del equilibrio Gas- lquidoLey de Henry

Hxp xHy 'DondeH = Constante de la ley de Henry(atm/mol frac)H = Constante de la ley de Henry (mol fraccin de

gas/mol fraccin liquido)= H/P

AA Hxp AA xHy

NA

yAG

yAi

xAi

Gas-phase mixture of Ain gas G

Liquids-phase solutionof A in liquid L

Fig. Perfil de Concentracin

xAL

xAi

Distance from the interface

Perfil de ConcentrationEn la interfase:

No hay resistencia a la transferencia de masa

yAi esta en equilibrio con xAi

)( AiAi xfy

Coeficiente de transferencia en lapelcula y concentraciones en la interfase

contra difusin EquimolarPara una difusin de gas A al lquido B y de Lquido a gas:

)()( '' ALAixAiAGyA xxkyykN Reordenando:

)()(

'

'

AiAL

AiAG

y

x

xxyy

kk

Gradiente deconcentraciones

Coeficentes de transferencia de masa en la pelculay coeficientes de transferencia en la Interfase

yAG Slope = - kx/ky

xAL xAi

yAi

Linea deequilibrio

Difusin de A a traves stagnant y no-difusin de BFor A diffusing through a stagnant gas phase then through astagnant liquid phase:

Coeficientes de transferencia de masa en la pelculay coeficientes de transferencia en la Interfase

)()( ALAixAiAGyA xxkyykN

iMA

yy y

kk

)1(

'

iMA

xx x

kk)1(

'

yAG

Slope =iMAy

iMAx

ykxk

)1/()1/(

'

'

Coeficientes de transferencia de masa en la pelculay coeficientes de transferencia en la Interfase

Linea deequilibrio

xAL xAi

yAi

Coeficientes de transferencia total de masa

)()( *'*' ALAxAAGyA xxKyyKN

Donde:

Ky = Coeficiente de transferencia de masa basado en elpromedio total de la fuerza de conduccin de la fasepromedio total de la fuerza de conduccin de la fasegaseosa

Kx = Coeficiente de transferencia de masa basado en elpromedio total de la fuerza de conduccin de la faselquida

y*A = fraccin molar de A en equilibrio con xALx*A = fraccin molar de A en equilibrio con yAG

)()( '' xxkyykN

Contra difusin equimolar y/o difusinen soluciones diluidas


)()( ALAixAiAGyA xxkyykN

)()( *'

ALAi

AAi

xxyym

'

'

''

11

xyy km

kK

where

yAG

Slope = -kx/ky

Equilibriumline

Slope=m


xAL xAi

yAi

x*A

y*A

Slope=m

Tambin:

'''''

111kkmK


)()(

*''

AiA

AiAi

xxyym

'''''xxx kkmK

Donde:

Casos especiales:La fase gas es lacontrolantem es muy pequea

La fase lquida es lacontrolantem es muy grande


''

11

yy kK

m es muy pequea m es muy grande

''

11

xx kK

AiAGAAG yyyy * *

AAi xx

)()1(

)()1(

''

ALAiiMA

xAiAG

iMA

yA xxx

kyyyk

N

Difusin unimolar


)()1(

)()1(

*

*

'*

*

'

ALAMA

xAAG

MA

yA xxx

Kyyy

KN

Difusin unimolar

km

kK

'11


iMAxiMAyMAy xkm

ykyK )1/()1/(1

)1/(1

'

'

'*

'

xyy kkK

Ky

Difusin unimolar

kmkK111


iMAxiMAyMAx xkykmxK )1/(1

)1/(1

)1/(1

''''*

'

xyx kmkK

Kx

Donde :

)1()1(ln

)1()1()1( **

*A

AGAMA

yy

yyy


)1(ln

AGy

)1()1(ln

)1()1()1(*

*

*

A

AL

AALMA

xx

xxx

yAG

Slope =

Equilibriumline

Slope=m

iMAy

iMAx

ykxk

)1/()1/(

'

'


xAL xAi

yAi

x*A

y*A

Slope=m

Transferencia de oxgeno.Determinacin del coeficiente

volumtrico de transferencia devolumtrico de transferencia deoxgeno (KLa)

Transferencia de Gas - lquido Proceso importante suministro de oxigeno a

fermentaciones aerobias.

Consumo de oxigeno en cultivoscelulares

Clulas toman oxigeno del liquido Velocidad de transferencia La solubilidad del oxigeno a temperatura

y presin ambiente es muy escasarpido consumo.

Constante renovacin del flujo gaseoso. Diseo adecuado para la distribucin

gaseosa.

Factores que afectan la demanda de oxgeno celular

Transferencia de oxgeno desde las burbujas de gas alas clulas

Transferencia de oxgeno en losfermentadores

Factores fsicos y qumicos alteran el valorde KL, o el de a.

Aumentar rea interfacial a. Aumentar rea interfacial a. Burbujas

Su conducta afecta el valor de KLa. Caracterstica ms importante tamao Tamao pequeomenor velocidad de ascenso. Demasiado pequeas deben evitarse

Inyeccin de gas, mezcla y propiedades del medio Formacin de la burbuja Dispersin del gas Coalescencia efecto negativo

Las sales impiden las coalescencia

Agentes antiespumantes. Reducen la tensin superficial mayor coalescencia Impiden ingreso de organismo contaminantes. Bloquea la salida de gases. Ofrece condiciones desfavorables para la actividad metablica. Ofrece condiciones desfavorables para la actividad metablica.

Temperatura Aumento de t reduce la fuerza impulsora de transferencia de

masa Presencia de clulas.

Concentracin

Tipos de medicin

Medicin indirecta Oxidacin de sulfito. Tcnica de eliminacin de gas. Tcnica de eliminacin de gas.

Medicin directa Balance de oxigeno en el sistema. Tcnica dinmica.

Oxidacin de sulfito Parmetros que afectan la medicin:

La pureza de la sol. de sulfito El catalizador y su concentracin La concentracin del sulfito pH y tipo de equipo utilizado Na2SO30.1-1.0 N

CuSO4 >1mM CuSO4 >1mM El ajusta el flujo de aire y la velocidad del impulsor Aireacin y agitacin Se toman muestras peridicamente La solucin titulada con Na2S2O3 usando almidn como

indicador

Tcnica de eliminacin de gas

Similar a la oxidacin de sulfito QO2 .X= 0 Sin embargo: C=0 ln C*-C2 /C*-C1= -KLa (t2-

t1) O2 eliminado totalmente con N2 o SO3= C1=0 a O2 eliminado totalmente con N2 o SO3= C1=0 a

t1=0 Eliminacin mediante el burbujeo de nitrogeno en

lugar de aire. Si CL ya es = 0 se airea de nuevo y se toman

mediciones de C a diferentes tiempos.

Eliminacin de oxgeno

Medicin de la concentracin deoxgeno disuelto

CAL electrodo de oxgeno disuelto Galvnicos Polarigrficos

Tiempo de respuesta: t 63% total nivel O2Electrodos comerciales esterilizables con vapor:

t respuesta 10 100sAmbos electrodos presin parcial O2

solubilidad O2, T y P.

Clculo de la solubilidad del oxgeno: Fuerza impulsora para transferencia de O2

Fermentaciones X H2O y O2 puros Presin parcial del O2 Presencia material disuelto

Solubilidad O2

Solubildad O2 T

Solubildad O2 aadir iones y azcares

Correlaciones para la transferencia de materia

Correlaciones empricas Medidas experimentales

KLa: coeficiente volumtrico de transferencia de O2KL y a condiciones hidrodinmicas

KLa dimetro, liquido, , viscosidady difusividad O2

Tericamente: prediccin Coef. Transf.Prctica : exactitud pobre

transf. O2 afectada por aditivos presentes

La mayora de la correlaciones existentes fuerondeterminadas usando aire puro en agua.

a afectada por manto de clulasprediccin KLa difcil

reactores agitados(escala laboratorio)

turbulencia

ascensin libre

rotura y coalescencia de burbujas cte

Correlaciones para sobreestimar capacidadTransf. O2 (lab) sistemas escala comercial

Fermentadores agitados que contengan medios no viscosos y nocoalescentes:

KLa: coeficiente volumtrico de transferencia de oxgeno(1/s) P: potencia (W) V: volumen (m3) G : velocidad superficial del gas (m/s) G : velocidad superficial del gas (m/s)

X comportamiento newtonianoX efecto azcaresX agentes antiespumantesX presencia slidos

MEDICIN DE KLa

Mtodo del balance de oxgeno

Transferencia de materia gas lquidoTransferencia de materia gas lquido

Balance de oxgeno en el fermentador:

En estado estacionario:

Combinando ambas:

Asumiendo go g1

Para fermentadores mayores de50 L:

Mtodo ms fiableAplicarse durante la operacinSin embargo depende precisin en la medida

de la composicin del gas, caudal, presin yT.T.

Mtodo dinmico- Balance de materia (no estacionario)- Ventaja: menor coste equipo

qox: velocidad de consumo de oxgeno

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