Transferencia de Masa Interfacial

¿De qué se trata esto?

Estudio de la Transferencia de Masa entre Fases

¿Cómo se estudia este tema?

Transferencia de Masa entre dos Fases

Definiciones e Importancia

• Fase: Porción líquida, gaseosa o sólida de un sistema, limitada por superficies y sin discontinuidades en su seno.

• Esta transferencia implica la existencia de la INTERFASE.

• Se presenta en la mayoría de las Operaciones de Transferencia de Masa.

• El estudio se realiza sobre ESTADO ESTACIONARIO.

¿Qué es una Interfase?

• Concepto: Superficie que separa fases inmiscibles (para nuestro caso, 2 fases inmiscibles).

• Suposiciones: No presenta discontinuidad. No presenta resistencia a la transferencia de

masa. No hay acumulación del componente

transferido. El equilibrio se alcanza en forma instantánea.

Equilibrio: Un estudio necesario

• Necesidad: Conocer el comportamiento de un sistema en el equilibrio.

• Conveniencia: Particularizar para una Operación

Unitaria y luego, generalizar.

• Absorción: Pasaje del componente A desde la fase gaseosa hacia la fase líquida.

• Ejemplo de Aplicación: Sistema NH3 – H2O

Conclusiones del Estudio

Velocidad de difusión en cada fase depende del gradiente de concentración que existe en cada una de ellas.

Alejamiento de la posición de equilibrio es lo que genera la fuerza impulsora para la difusión.

Difusión Interfacial

• Se estudia para cuantificar la Velocidad de Difusión.

• ¿Qué se debe tener en cuenta?.

• Fuerzas Impulsoras y Coeficientes de Transferencia de Masa

Difusión Interfacial

Torre Paredes Mojadas Detalle de la Torre

Difusión InterfacialPerfil de Concentración Componente Absorbido

Sección de la Torre:Gradiente de Concentración

Sección de la Torre:Gradientes de Presión y

Concentración

Difusión InterfacialPerfil de Concentración Componente Absorbido

¡¡¡Problema!!!

No se pueden usar directamente datos (concentraciones, presiones), referidos al seno de la fase, junto con los Coef. Transf. Masa para evaluar la Veloc. de Transf. Masa en la Interfase.

¿Motivo?: No se relacionan de igual manera con el potencial químico (la verdadera fuerza motríz que causa la transferencia de masa)

¿Cómo se soluciona este problema?.

Teoría de Lewis – Whitmann (Teoría de la Doble Capa o Doble Resistencia)

• En la Interfase se alcanzan concentraciones (presiones) de equilibrio para las fases gaseosa y líquida.

• Resistencia a la difusión se encuentra en dos capas situadas a ambos lados de la Interfase.

Gradiente de Concentraciones:Diferentes Representaciones

Conocida Nueva

Transferencia de Masa Local entre dos Fases: Velocidad de Difusión

Uso de Coeficientes Individuales (Coeficientes Peliculares) de Transferencia de Masa.

Recordar: No hay acumulación del componente A (transferido) en la Interfase.

Transferencia de Masa Local entre dos Fases: Velocidad de Difusión

• Caso: Componente A (gaseoso) difunde a través de película gaseosa estacionaria y a través de película líquida.

Ecuación:

• Reordenando:

Gradiente de Presiones: Diferentes Representaciones

Conocida Nueva

Transferencia de Masa Local entre dos Fases: Velocidad de Difusión

• Caso: Componente A (gaseoso) difunde a través de película gaseosa estacionaria y a través de película líquida.

• Ecuación:

Reordenando:

Coeficientes Globales de Transferencia de Masa

• ¿Porqué aparecen estos Coeficientes?

Coef. de Película son difíciles de determinar.

Coef. de Película dependen de: Difusividad. Espesor de películas gaseosa (kG) y líquida (kL). Uniformidad de Superficie Interfacial. Concentraciones Interfaciales.

Coeficientes Globales de Transferencia de Masa

• Tipos de Coeficientes Globales de T. de Masa.

Kx:

Ky:

KG:

KL:

KX:

KY:

Transferencia de Masa Global entre dos Fases: Velocidad de Difusión

Ecuación:

pe

Ce

(pG – pe)

(Ce – CL)

Relaciones de Coeficientes Individuales y Globales de Transferencia de Masa

Velocidad de Difusión:

Operando:

Relaciones de Coeficientes Individuales y Globales de Transferencia de Masa

Combinando las dos últimas expresiones:

Relaciones de Coeficientes Individuales y Globales de Transferencia de Masa

(n´): Pendiente segmento BF

(n´) = [(pi – pe) / (Ci – CL)]

Reemplazando:

Relaciones de Coeficientes Individuales y Globales de Transferencia de Masa

Velocidad de Difusión:

Operando:

Relaciones de Coeficientes Individuales y Globales de Transferencia de Masa

Combinando las dos últimas expresiones:

Relaciones de Coeficientes Individuales y Globales de Transferencia de Masa

(1/n”): Inversa Pendiente Segmento AB

(1/n”) = [(Ci – Ce) / (pG – pi)]

Reemplazando:

Relaciones entre Coeficientes Globales de Transferencia de Masa

• Partiendo de:

Dividiendo m. a m.:

Relaciones entre Coeficientes Globales de Transferencia de Masa

• Operando:

• Teniendo en cuenta los valores de n´ ; n” y (kG / kL), se obtiene:

donde n´´´ = pendiente recta AF.

Relaciones entre Coeficientes Globales de Transferencia de Masa

• Si el sistema cumple la Ley de Henry:

n´ = n” = n´´´ = H

• Por lo tanto:

Resistencia Controlante

• Cuando n´→ 0, se tiene:

→

Consecuencia: La película gaseosa es quien ejerce la resistencia controlante a la transferencia de masa interfacial.

Resistencia Controlante

• Cuando (1/n”) → 0; se tiene:

→

Consecuencia: La película líquida es quien ejerce la resistencia controlante a la transferencia de masa interfacial.

Ejercicio de Aplicación

En un estudio experimental de absorción de amoniaco en agua en una columna de paredes mojadas, el valor de KG se ha encontrado en 0.205 mol NH3 /hr ft2 atm. En un punto de la columna el gas contiene un 8% molar de NH3 y la concentración en la fase líquida es 0.004 mol NH3 / ft3 de solución. La temperatura del sistema es 68 ºF y la presión total es de una atmósfera. En estas condiciones la constante de la ley de Henry del sistema es 0.15 atm /(mol NH3/ft3). Si un 85% de la resistencia total a la transferencia de masa se encuentra en la fase gaseosa, calcule los coeficientes interfaciales de transferencia y la composición de ambas fases en la interfase.