Unidad 1 &Amp; 2 Operaciones de Transferencia de Masa

Transferencias IIUNIDAD 1

Las operaciones de transferencia de masa

PROF. Ing. Mario Smidt

INGENIERÍA INDUSTRIAL

2016

Universidad

“Nuestra Señora de la Asunción”

CatólicaFACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA

Transferencias IILAS OPERACIONES DE TRANSFERENCIA

DE MASA

Universidad



OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MASA

Prof. Ing. Mario Smidt UCA-Facultad de Ciencias y Tecnología 3

Una parte importante de las operaciones unitarias está relacionada con el problema de

modificar la composición de soluciones y mezclas mediante métodos que no impliquen

reacciones químicas.

En el caso de mezclas, las separaciones pueden ser totalmente mecánicas como:

Por otra parte, si las operaciones cambian la composición de soluciones, entonces se

conocen como operaciones de transferencia de masa. Estas operaciones se

caracterizan por transferir una sustancia a través de otras a escala molecular.

INTRODUCCIÓN

Universidad



• Separación físico-mecánica de un sólido o unamezcla de sólidos del seno de un fluido.

Filtración

• O cribado, separación de partículas de unsólido basándose en su densidad.

Clasificación

• Separación de partículas de un sólido por sutamaño granulométrico.

Tamizado



Ejemplo:

Cuando el agua, por evaporación, pasa de

un recipiente abierto a una corriente de

aire que fluye sobre la superficie del

agua, las moléculas de vapor de agua se

difunden, a través de las moléculas de

aire en la superficie, dentro de la masa

de la corriente de aire, la cuál las arrastre

consigo.

En los problemas por tratar, la

transferencia de masa es un resultado de

la diferencia de concentraciones, o

gradiente, donde la sustancia que se

difunde abandona un lugar que está muy

concentrada y pasa a un lugar de baja

concentración.

INTRODUCCIÓN

Universidad





CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES

Universidad



Operaciones de transferencia de

masa

Contacto directo de dos fases inmiscibles

Operaciones gas-gas

Operaciones gas-líquido

Operaciones gas-sólido

Operaciones líquido- líquido

Operaciones líquido- sólido

Operaciones sólido- sólido

Fases separadas por una

membrana

Operaciones gas-líquido

Operaciones líquido- líquido

Contacto directo de fases

miscibles

Uso de fenómenos

interfaciales

Operaciones directas e indirectas




Universidad




Esta categoría es la más importante de todas e incluye la mayoría de las operaciones

de transferencia de masa.

Se aprovecha la circunstancia de que, con muy pocas excepciones, las composiciones

de las fases son distintas en un sistema de dos fases de varios componentes en

equilibrio.

En otras palabras, los diversos componentes están distribuidos en forma distinta entre

fases.

----------------------------------------------------------------------------------------------------------Fase: en termodinámica y química, se denomina fase a cada una de las partes macroscópicas de una composición química y

propiedades físicas homogéneas que forman un sistema.

Equilibrio: en termodinámica, se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinámico, si es incapaz de

experimentar espontáneamente algún cambio de estado o proceso termodinámico cuando está sometido a unas determinadas

condiciones de contorno (las condiciones que le imponen sus alrededores). Para ello ha de encontrarse simultáneamente en

equilibrio térmico, equilibrio mecánico y equilibrio químico.




Universidad



Gas- líquido:

1) Destilación fraccionada: ocurre cuando

todos los componentes del sistema se

distribuyen entre las fases en

equilibrio. La fase gaseosa se crea a

partir del líquido por calentamiento; o

a la inversa, el líquido se crea a partir

del gas por eliminación de calor.


Gas- gas: puesto que, con pocas excepciones, todos los gases son completamente

insolubles entre sí, esta categoría no se realiza prácticamente.




Universidad




Gas- líquido:

2) Absorción de gases: ocurre cuando ambas fases son

soluciones y sólo poseen un componente (o grupo

de componentes) en común que se distribuye entre

las fases. Por ejemplo, si una mezcla de amoniaco y

aire se ponen en contacto con agua líquida, una gran

cantidad de amoniaco, pero casi nada de aire, se

disolverá en el líquido.




Universidad




Gas- líquido:

3) Desorción de gases: si se pone en contacto aire con una solución de amoniaco-

agua, parte del amoniaco abandona el líquido y entra en la fase gaseosa.




Universidad



Contacto directo de dos fases

inmiscibles

Gas- líquido:

4) Humidificación o deshumidificación:

si la fase líquida es un líquido puro

que sólo contiene un componente,

mientras que la fase gaseosa contiene

dos o más compoentes, dependiendo

del sentido de transferencia de masa

tendremos una u otra operación.




Universidad




Gas- sólido:

1) Sublimación fraccionada: si se desea evaporar parcialmente una solución sólida

sin aparición de una fase líquida, la nueva fase vapor formada y el sólido residual

contienen todos los componentes originales, pero en proporciones diferentes.

2) Secado: puede suceder que no todos los componentes estén presentes en las dos

fases. Si un sólido humedecido con un líquido volátil se expone a un gas

relativamente seco, el líquido abandona el sólido y se difunde en el gas.




Universidad




Líquido- líquido

Las separaciones que intervienen el contacto entre dos fases líquidas insolubles se

conocen como operaciones de extracción líquido- líquido.

Si se agita una solución de acetona-agua con tetracloruro de carbono en un embudo

de decantación y se dejan asentar los líquidos, gran parte de la acetona se encontrará

en la fase rica en tetracloruro de carbono, y por lo tanto, se habrá separado del agua.

Líquido- sólido

1) Lixiviación o extracción por solventes o extracción sólido-líquido: es la operación

que se realiza mediante la disolución selectiva de un componente en una mezcla sólida

mediante un disolvente líquido.




Universidad




Sólido- sólido

Debido a las extraordinariamente lentas velocidades de difusión entre fases sólidas, no

existen operaciones industriales de separación dentro de esta categoría.



FUNDAMENTO DEL DISEÑO DE EQUIPOS

Universidad



Hay cuatro factores principales para el diseño de plantas que trabajen con operaciones

de transferencia de masa:

Número de etapas de equilibrio

Se necesitan las características de equilibrio para sistema y los cálculos debalance de materia.

Tiempo requerido para llevar a cabo la

operación

En las operaciones por etapas, el tiempo de contacto está íntimamente relacionadocon la eficiencia de la etapa, mientras que en el equipo para contacto continuo eltiempo determina el volumen o la longitud del aparato necesaria.

Rapidez de flujo permisible

Permite determinar en ellas el área transversal del equipo.

Energía requerida para llevar a cabo la

operación

Generalmente se necesita utilizar energía calorífica y mecánica para llevar a cabo lasoperaciones de difusión. El calor necesario para producir cualquier cambio detemperatura, para la formación de nuevas fases, y para evitar el efecto del calor desolución. La energía mecánica es necesaria para el transporte de fluidos y sólidos, paradispersar líquidos y gases y para mover ciertas partes de la maquinaria.

Transferencias IIUNIDAD 2

Difusión y las operaciones de transferencia de masa.

PROF. Ing. Mario Smidt

INGENIERÍA INDUSTRIAL

2016

Universidad



DIFUSIÓN Y LAS OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MASA


INTRODUCCIÓN

Universidad



La mayoría de las operaciones de transferencia de masa que se utilizan para separar

componentes de una solución, lo logran al poner la solución que se desea separar en

contacto con otra fase insoluble.

La rapidez con la cuál un componente se transfiere de una fase a otra depende del

“coeficiente de transferencia de masa” y del grado de separación que tiene el sistema

del equilibrio.

“La transferencia de masa termina cuando el sistema alcanza el equilibrio”

Los coeficientes de transferencia de masa para los diferentes componentes en una fase

dada difieren entre sí en mayor grado bajo condiciones donde predomine la difusión

molecular.

Bajo condiciones turbulentas, donde la difusión molecular carece de importancia, los

coeficientes de transferencia de masa se vuelven más parecidos para todos los

componentes.



INTRODUCCIÓN

Universidad



Puede lograrse cierta separación de los componentes aprovechando sus distintos

coeficientes de transferencia de masa, pero su grado de separación será pequeño.

Por tanto, para lograr una separación adecuada se depende casi exclusivamente de las

diferencias de concentración que existen en el equilibrio, y no la diferencia existente

entre los coeficientes de transferencia de masa.

No obstante, éstos tienen importancia en la regulación de la rapidez con la que se

alcanza el equilibrio, controlan el tiempo necesario para una separación y por tanto, el

tamaño y el costo de un equipo.



DIFUSIÓN MOLECULAR EN FLUIDOS

Universidad



En la difusión molecular se trabaja con el movimiento de las moléculas individuales a

través de una sustancia debido a su energía.

La difusión molecular

conduce a una

concentración

completamente uniforme

de sustancias a través de

una solución que

inicialmente pudo haber

sido no uniforme.




Universidad



Debe hacerse distinción entre la difusión molecular (o transporte molecular), que es

un proceso lento, y el mezclado rápido que puede llevarse a cabo mediante una

agitación mecánica y/o por movimientos de convección del fluido (o transporte

convectivo).

La difusión molecular es el mecanismo de transferencia de masa en fluidos

estancados o en fluidos que están en movimiento únicamente mediante flujo

laminar, aún cuando siempre está presente en el flujo turbulento más intenso.




Universidad



El calor se transfiere si hay una diferencia de temperaturas en un cuerpo. De manera

análoga, si hay una diferencia en la concentración de alguna especie o componente

químico en una mezcla, debe ocurrir la transferencia de masa.

Si una solución es completamente uniforme con respecto a la concentración de sus

componentes, no ocurrirá ninguna alteración. 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 del gradiente de concentración en ese punto y en esa dirección.

La transferencia de masa es la masa en tránsito debido a una diferencia de concentración




Universidad



La rapidez de transferencia puede describirse adecuadamente en función del flujo

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

difusión.

Se emplean dos flujos para describir el movimiento de los componentes en los procesos

de difusión:

Ejemplo: un pescador estaría más interesado en la rapidez con la cual cada pez nada en

contra de la corriente para alcanzar el anzuelo (análogo a N) que la velocidad del pez

con relación a la velocidad media del arroyo (análogo a J), que es característica de la

habilidad natatoria del pez.

N• Densidad de flujo de masa/molar relativo a coordenadas estacionarias.

J• Densidad de flujo de masa/molar relativas a la velocidad media.




Universidad



Ley de Fick de la difusión binaria (transporte molecular de materia)

Considerando una delgada lámina de

sílice fundido de área A y espesor Y.

Inicialmente (t<0) ambas superficies

horizontales de la lámina están en

contacto con aire.

En el instante t=0, el aire por debajo de

la lámina se sustituye repentinamente

por Helio puro, sensiblemente soluble

en sílice.

El Helio penetra lentamente en la lámina

debido a su movimiento molecular y

finalmente aparece en el gas superior.

En este sistema, el Helio es la especie A

y la sílice es la especie B.




Universidad




La concentración estará dada por las

fracciones másicas ωA y ωB .

Para el tiempo t<0, la fracción másica

del helio ωA =ωA0, llamada solubilidad

del helio en la sílice.

A medida que transcurre el tiempo se

desarrolla el perfil de concentración, con

ωA =ωA0 en la parte inferior de la

lámina y ωA =0 en la parte superior.

El perfil de concentración tiende a una

línea recta con el aumento de t.




Universidad




En estado estacionario, se encontró que

el flujo de masa ṁAy del helio en la

dirección y positiva puede escribirse con

una muy buena aproximación por medio

de

la velocidad de flujo de masa del helio

por unidad de área (o densidad de flujo

de masa) es proporcional a la

diferencia de fracción másica dividida

entre el espesor de la lámina.

La densidad es la del sistema sílice-

helio y el factor de proporcionalidadDAB es la difusividad del mismo

sistema.

Y

0

A

m0A

AB

Ay

D




Universidad




Si se escriben ecuaciones semejantes a la anterior para las direcciones x y z y luego se

combinan las tres ecuaciones, se obtiene la forma vectorial de la Ley de Fick:

La difusividad de masa DAB , la difusividad térmica α=k/ρCp y la difusividad de

cantidad de movimiento υ=μ/ρ tienen dimensiones de (Longitud)2/(tiempo), por lo

tanto las razones de estas tres cantidades son grupos adimensionales.

BABB

AABA

J

J

D

D

• Pr=υ/α ; difusividad de momento/térmica

Número de Prandtl

• Sc=υ/DAB ; difusividad de momento/materia

Número de Schmidt

• Le=α/DAB ; difusividad térmica/materia

Número de Lewis




Universidad






Universidad




En general, para una mezcla binaria

Así, v es un promedio en el que las velocidades de las especies, vA y vB se ponderan

según las fracciones másicas. Este tipo de velocidad se denomina velocidad media de

masa.

La velocidad vA de la especie no es la velocidad molecular instantánea de una

molécula de A, sino más bien la media aritmética de las velocidades de todas las

moléculas de A en el interior de un elemento de volumen pequeño.

Así la densidad de flujo de masa con respecto al movimiento macroscópico de la

corriente (convección) se define de manera general, como

En términos de la velocidad de flujo másico/molar referentes a coordenadas

estacionarias

ByBAyAy vvv

)vv(j yAyAAy

BzAzAA

ABA NNxz

xcN

D

convectivomolecularcombinado

flujodedensidadflujodedensidadflujodedensidad

Unidad 1 &Amp; 2 Operaciones de Transferencia de Masa

Documents

Transcript of Unidad 1 &Amp; 2 Operaciones de Transferencia de Masa