• Author / Uploaded
• Francis Par

• Categories
• Gases
• Física y matemáticas
• Física
• Química
• Ciencias físicas

Citation preview

UNIVERSIDAD SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA IQ-4 TRANSFERENCIA DE MASA EN ETAPAS DE EQUILIBRIO ING. WILLIAMS G. ALVAREZ MEJIA

GRUPO DE ENSAYOS: A

FRANCISCA ANTONIA PAR MENDEZ 201146423

Guatemala, 11 de agosto de 2015

1. LA CONCENTRACION La concentración hace referencia a la proporción en que se encuentra un determinado componente dentro de una mezcla o solución, es la relación que hay entre la cantidad de soluto y la cantidad de disolvente, donde el soluto es la sustancia que se disuelve, el disolvente es la sustancia que disuelve al soluto, y la disolución es el resultado de la mezcla homogénea de las dos anteriores. A menor proporción de soluto disuelto en el solvente, menos concentrada está la solución, y a mayor proporción más concentrada está.

El término también es usado para hacer referencia al proceso de concentración, aumentar la proporción de soluto en el solvente, inverso al de dilución.

La concentración puede expresarse de manera cuantitativa o de forma cualitativa, de forma cualitativa podemos expresarla como: 

Diluida o concentrada: En una mezcla, esos términos relacionan la cantidad de una sustancia con la intensidad observable de los efectos o propiedades, como el color, sabor, olor, viscosidad, conductividad eléctrica, etc,

Disolución diluida: Es aquella en donde la cantidad de soluto está en una pequeña proporción en un volumen determinado. Disolución concentrada: Es la que tiene una cantidad considerable de soluto en un volumen determinado. Las soluciones saturadas y sobresaturadas son altamente concentradas.



Insaturada, saturada y sobresaturada: Dependiendo de si el soluto está disuelto en el disolvente en la máxima cantidad posible, o menor, o mayor a esta cantidad, para una temperatura y presión dados:

Disolución insaturada: Es la disolución que tiene una menor cantidad de soluto que el máximo que pudiera contener a una temperatura y presión determinadas. Disolución saturada: Es la que tiene la máxima cantidad de soluto que puede contener a una temperatura y presión determinadas. Una vez que la disolución está saturada ésta no disuelve más soluto. En ellas existe un equilibrio entre el soluto y el disolvente. Disolución sobresaturada: Es la que contiene un exceso de soluto a una temperatura y presión determinadas (tiene más soluto que el máximo permitido en una disolución saturada). Cuando se calienta una disolución saturada, se le puede disolver una mayor cantidad de soluto. Si esta disolución se enfría lentamente, puede mantener disuelto este soluto en exceso si no se le perturba. Sin embargo, la disolución sobresaturada es inestable, y con cualquier perturbación, como por ejemplo, un movimiento brusco, o golpes suaves en el recipiente que la contiene, el soluto en exceso inmediatamente se precipitará, quedando entonces como una disolución saturada. Las expresiones cuantitativas de concentración se utilizan para fines técnicos o científicos, basándose en la masa, volumen, densidad entre otras características físicas medibles, algunas de estas son: 

Porcentaje masa-masa (% m/m)



Porcentaje volumen-volumen (% V/V)



Porcentaje masa-volumen (% m/V)



Molaridad



Molalidad



Formalidad



Normalidad



Fracción molar

En concentraciones muy pequeñas: 

Partes por millón (PPM)



Partes por billón (PPB)



Partes por trillón (PPT)

Otras: 

Densidad



Nombres propios como en el Sistema Internacional de Unidades (SI) se emplean las unidades mol·m-3.

Todas estas formas de expresión de la concentración son necesarias para el estudio de la transferencia de masa ya que nos permiten saber que por ejemplo que cantidad de agua se está evaporando respecto a un sólido, el porcentaje de humedad en el aire, durante la osmosis permite saber la concentración que se está utilizando en cada sustancia etc. Para poder realizar cualquiera de las operaciones unitarias será necesario conocer la concentración de la materia, energía o movimiento que se esta trabajando.

2. TRANSFERENCIA DE MASA EN APLICACIONES PARA EL MEDIO AMBIENTE La transferencia de masa es uno de los tres fenómenos de transporte y por ende su injerencia y existencia en el medio ambiente es de carácter inminente. El enfoque principal que se da cuando se discute la transferencia de masa se inclina hacia la industria, mencionando operaciones como el secado, destilación y absorción de gases entre otras. Es importante establecer que la existencia de transferencia de masa en el medio ambiente es innumerable y que las aplicaciones que se pueden generar para apoyar este ámbito solo son limitadas por la propia perspicacia del científico. En el medio ambiente la transferencia de masa se presenta en la evaporación de agua de las lagunas para incrementar la humedad de la corriente de aire que pasa

sobre ellas, en la transpiración de las plantas, en la difusión de impurezas tanto en ríos, lagos, océanos, etc. En general cada fluido que contenga una diferencia de concentración experimenta la transferencia de masa formando ésta parte general del medio ambiente. El desarrollo de operaciones y procesos que apliquen la transferencia de masa para purificar o ayudar al medio ambiente es un proceso interesante que se lleva a cabo de distintas maneras. Una de ellas es la purificación del aire. Este proceso se lleva a cabo mediante una membrana microscópica que permite el paso molecular concerniente al aire pero que restringe el paso de impurezas que se pudiesen tener disueltas en la masa del aire, de esta forma se utiliza la transferencia de masa para purificar el aire. Otra operación que se utiliza para el beneficio del medio ambiente es la que concierne a la osmosis inversa en al cual se pretende la desalinización del agua de mar. El proceso es de gran apoyo a la humanidad y a la naturaleza ya que se obtiene agua con un nivel de potabilidad aceptable para ser usada según se requiera sin agotar reservas de agua dulce. Se utiliza la evaporación de agua contaminada para separar las moléculas de agua de posibles contaminantes que son inocuos en el medio ambiente, esta separación permite disponer del agua y desechar los contaminantes de una forma apropiada y consecuente con el medio ambiente. La difusión de impurezas y el manejo de desechos de forma controlada para que el ecosistema asimile y reutilice de forma natural los nutrientes y minerales que se desechan es también una de las aplicaciones que la transferencia de masa genera y sirve para tratar cualquier contaminante químico de manera correcta para la naturaleza. Los conceptos anteriormente mencionados son solo algunas de las aplicaciones que se pueden dar al fenómeno de la transferencia de materia. Existen también aplicaciones que aumentan de forma increíble con respecto al uso del fenómeno en la biomedicina, brindándose como una gran herramienta para un desarrollo sostenible de la humanidad.

3. TRANSFERENCIA DE MASA EN APLICACIONES BIOMEDICAS La transferencia de masa tiene, importantes aplicaciones en la biomedicina y procesos biomédicos actuales, que han ido ayudando a mejorar la calidad de vida de las personas, algunas de las operaciones implicadas son la difusión de materia principalmente aunque también hay difusión de energía por medio de electrones como en los métodos electro analíticos que tienen su principio en la electroquímica basado en las reacciones de óxido-reducción dando lugar primero a la transferencia de electrones y transporte de masa.

En los estudios de desarrollo de células madres o en las donaciones de órganos, exámenes de cromatografía, extracción de la penicilina entre muchos otros. La difusión es una de las formas de transferencia de masa más aplicada.

4. DIFUSION MOLECULAR EN SISTEMAS BIOLOGICOS (BIOPROCESOS) Los fenómenos de transporte tienen lugar en los procesos, conocidos como de transferencia, en los cuales se establece el movimiento de una propiedad (masa, momento o energía) en una o varias direcciones bajo la acción de una fuerza impulsora. Al movimiento de una propiedad se le llama flujo La transferencia de masa por difusión molecular es el tránsito de la misma como resultado de una diferencia de concentración en una mezcla.

La difusión molecular es el movimiento de las moléculas de los componentes de una mezcla producida por la diferencia de concentración existente en el sistema. La difusión de las moléculas se produce en la dirección necesaria para eliminar el gradiente de concentración. Si se mantiene el gradiente añadiendo continuamente material nuevo a la región de la alta concentración y eliminándolo de la región de baja concentración, la difusión será continua. Ello se presenta a menudo en las operaciones de transferencia de materia y en sistemas de reacción.

El transporte molecular resulta de la transferencia de moléculas individuales a través de un fluido por medio de los movimientos desordenados de las moléculas debido a su energía interna. Podemos imaginar a las moléculas desplazándose en líneas rectas con una velocidad uniforme y cambiando su dirección al rebotar con otras moléculas después de chocar. Entonces su velocidad cambia tanto en magnitud como en dirección.

El mecanismo real del transporte difiere en gran medida entre gases, líquidos y sólidos, debido a las diferencias sustanciales que hay en la estructura molecular de estos 3 estados físicos. 

Gases: los gases contienen relativamente pocas moléculas por unidad de volumen. Cada molécula tiene pocas vecinas o cercanas con las cuales pueda interactuar y las fuerzas moleculares son relativamente débiles; las moléculas de un gas tienen la libertad de moverse a distancias considerables antes de tener colisiones con otras moléculas. El comportamiento ideal de los gases es explicado por la teoría cinética de los gases



Líquidos: los líquidos contienen una concentración de moléculas mayor por unidad de volumen, de manera que cada molécula tiene varias vecinas con las cuales puede interactuar y las fuerzas intermoleculares son mayores. Como resultado, el movimiento molecular se restringe más en un líquido. La migración de moléculas desde una región hacia otra ocurre pero a una velocidad menor que en el caso de los gases. Las moléculas de un líquido vibran de un lado a otro, sufriendo con frecuencia colisiones con las moléculas vecinas.



Sólidos: En los sólidos, las moléculas se encuentran más unidas que en los líquidos; el movimiento molecular tiene mayores restricciones. En muchos sólidos, las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moléculas en una distribución fija que se conoce como red cristalina La ecuación general para el transporte molecular se caracteriza por el mismo tipo de ecuación ya antes estudiada que menciona: Que la velocidad de un proceso de transferencia = Fuerza impulsora/ la resistencia En la mayoría de procesos industriales donde se necesita transferencia de materias se realiza una mezcla del fluido. El movimiento del fluido produce una mezcla a gran escala más rápida que a difusión molecular. Entonces ¿por qué es todavía importante el transporte por difusión? A continuación se describen las

áreas del bioprecoesado donde la difusión desempeña un papel importante. 

Escala de mezclado: La turbulencia en los fluidos produce una mezcla en el seno del fluido a una escala igual a la de los remolinos más pequeños. Dentro de estos pequeños remolinos el flujo es fundamentalmente laminar por lo que la mezcla se produce por difusión de los componentes del fluido. La mezcla a escala molecular se debe, por tanto, a la difusión como etapa final en el proceso de mezcla.



Reacción en fase sólida: En los sistemas biológicos, las reacciones se ven algunas veces agilizadas por catalizadores sólidos, como por ejemplo agregados, floculas y películas de células así como partículas de células o enzimas inmovilizadas. Cuando se juntan las moléculas de las células o de las enzimas en una partícula sólida, los sustratos deben ser transportados dentro del sólido para que se produzca la reacción. En estos casos, la trasferencia de materia en el interior de las partículas sólidas no se produce por convección del fluido sino por difusión molecular. A medida que transcurre la reacción, la difusión es también la responsable de la salida de las moléculas de producto hacia el exterior del lugar de reacción. Cuando reacción y difusión van unidas, la velocidad global de reacción puede reducirse considerablemente si la difusión es lenta.



Transferencia de materia a través de una interface: En el bioprocesado es habitual la transferencia de materia entre diferentes fases. Ejemplos típicos son la transferencia de oxígeno desde las burbujas de gas hacia el caldo de fermentación, la recuperación de la penicilina de un líquido orgánico o acuoso, y la transferencia de glucosa desde el medio líquido hacia los pellets. Cuando entran en contacto diferentes fases, la velocidad del fluido cerca de la interface disminuye considerablemente y la difusión llega a ser un proceso crucial para la transferencia de materia.