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• Jorge Valdivia Aguilera

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE MASA

INTRODUCION: La transferencia de masa cambia la composición de soluciones y mezclas mediante métodos que no implican necesariamente reacciones químicas y se caracteriza por transferir una sustancia a través de otra u otras a escala molecular. Cuando se ponen en contacto dos fases que tienen diferente composición, la sustancia que se difunde abandona un lugar de una región de alta concentración y pasa a un lugar de baja concentración. El proceso de transferencia molecular de masa, al igual que la transferencia de calor y de momentum están caracterizados por el mismo tipo general de ecuación En esta ecuación la velocidad de transferencia de masa depende de una fuerza impulsora (diferencia de concentración) sobre una resistencia, que indica la dificultad de las moléculas para transferirse en el medio. Esta resistencia se expresa como una constante de proporcionalidad entre la velocidad de transferencia y la diferencia de concentraciones denominado: "Difusividad de masa". Un valor elevado de este parámetro significa que las moléculas se difunden fácilmente en el medio.

¿Qué es transferencia? Es el desplazamiento de uno o varios componentes de una mezcla fluida con respecto a la masa global por acción de una fuerza impulsora (generalmente un gradiente de concentraciones).

Ejemplos cotidianos de transferencia    

Difusión de humo y otros contaminantes en la atmosfera. La transferencia de soluto entre las fases de un absorbedor de gas. La mezcla del azúcar con un solvente. Intercambio de oxígeno.

Velocidad, Concentración y Flujo Debido a que la transferencia de materia siempre ocurre en mezclas (como mínimo los sistemas serán binarios) cada componente de la misma se moverá con una velocidad distinta. Por lo tanto para evaluar la velocidad de la mezcla será necesario realizar un promedio de velocidades de cada componente. El conocimiento de esta velocidad de la mezcla permitirá determinar por ejemplo las velocidades de cada componente con el propósito de llevar a cabo estas evaluaciones, en los fenómenos de la materia es importante tener claro las definiciones de: concentración, velocidad y flujo.

CONCENTRACIÓN La concentración de una solución es la relación que hay entre la cantidad de soluto y la cantidad de solvente. Se pueden definir varias formas de concentración: Concentración másica = ρi = masa de la especie i / volumen de solución Concentración másica total = ρ = masa de la solución / volumen de solución Concentración molar = Ci = moles de la especie i / volumen de solución Concentración molar total = C = moles totales de solución/volumen de solución

Fracción másica = ωi = masa de la especie i / masa total de solución= ρi / ρ Fracción molar = xi = moles de la especie i /moles totales = Ci / C

VELOCIDAD La velocidad expresa el desplazamiento de un objeto por unidad de tiempo. Existen dos tipos de velocidad: velocidad media másica y la velocidad media molar. En un sistema de componentes múltiples las distintas especies se moverán con distintas velocidades. Por lo tanto para evaluar la velocidad de la mezcla se necesitan promediar las velocidades de las especies presentes.

FLUJO El flujo es el movimiento de los fluidos. Existen dos tipos de flujo:

 flujo masico  flujo molar Flujo masico Es la cantidad de masa que fluye atraves de las fronteras del sistema por unidad de tiempo la ecuación para determinar el flujo masico es:  donde 

V minúscula es el volumen especifico ρ es la densidad

flujo molar es una base molar, la concentracion se expresa en terminos de concentracion molar ( o densidad molar ), la cual es la cantidad de materia, en kmol, por unidad de volumen

2-

Mecanismos de transferencia de masa predominantes en distintos procesos El mecanismo de transferencia de masa, depende de la dinámica del sistema en que se lleva acabo. Existen dos tipos de transferencia de masa:

 Transferencia convectiva Convección: La convección es la trasferencia de calor por medio del movimiento de una masa fluida tal como el aire o el agua cuando estos se calientan se mueven hacia afuera de la fuente de calor transportando consigo la energía.

Convección natural: En convección natural el flujo resulta solamente de la diferencia de temperaturas del fluido de la presencia de una fuerza gravitacional con el incremento de la temperatura

Convección forzada: Es el movimiento del fluido que es generado por fuerzas impulsoras externas

Difusión.- La difusión (también difusión) es un proceso irreversible, en el que partículas materiales se introducen en un medio que inicialmente estaba ausente, aumentando la entropía (desorden molecular) del sistema conjunto formado por las partículas difundidas o soluto y el medio donde se difunden o disuelven.

 Transferencia difusiva La difusión molecular (o transporte de moléculas) puede definirse como la transferencia (o desplazamiento) de moléculas individuales a través de un fluido por medio del desplazamiento individual y desordenado de las moléculas.

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Difusión por vacantes: que implica la sustitución de átomos, un átomo deja su lugar en la red para ocupar una vacante cercana (creando un nuevo sitio vacío en su posición original en la red). Se presenta un reflujo de átomos y vacantes. Difusión intersticial: Un átomo se mueve de un intersticio a otro. Este mecanismo no requiere de vacantes para llevarse acabo. En ocasiones un átomo sustituciones deja su lugar en la red normal y se traslada a un intersticio muy reducido. Difusión intersticial desajustada: Es poco común, debido a que el átomo no se ajusta o acomoda fácilmente en el intersticio, que es más pequeño. Intercambio simple: Puede darse el intercambio simple entre átomos o por medio del mecanismo cíclico (desplazamiento circular).

LEY DE FICK El proceso de transferencia molecular de masa, al igual que la transferencia de calor y de momento está caracterizados por el mismo tipo general de ecuación. De manera análoga a como se definió la viscosidad μ en fluidos newtonianos como el factor de proporcionalidad entre el flujo de cantidad de movimiento (τ) 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. En esta ecuación la velocidad de transferencia de masa depende de una fuerza impulsora (diferencia de concentración) sobre una resistencia, que indica la dificultad de las moléculas para transferirse en el medio. Esta resistencia se expresa como una constante de proporcionalidad entre la velocidad de transferencia y la diferencia de concentraciones denominado: "Difusividad de masa". Un valor elevado de este parámetro significa que las moléculas se difunden fácilmente en el medio. A continuación la ecuación que rige la transferencia, también denominada Ley de difusión de Fick: J = N/a = - D * (dC/dy) Donde J es el flujo másico del componente A, N la velocidad de transferencia de materia del componente A, a el área a través de la cual se produce la transferencia de materia, Del coeficiente de difusión binario o difusividad del componente A en una mezcla de A y B, C la concentración del componente A e y la distancia. dC/dy es el gradiente de concentración o variación de la concentración de A con la distancia. Estando el flujo másico en definitiva definido como la velocidad de trasferencia de materia por unidad de área perpendicular a la dirección del movimiento. Las unidades correspondientes de J son mol/s.m2, de N son mol/s, de C son mol/m3 y de D son m2/s. En muchos casos, es necesario conocer la velocidad de transporte de masa a fin de diseñar o analizar el equipo industrial para operaciones unitarias, en la determinación de la eficiencia de etapa, que debe conocerse para determinar el número de etapas reales que se necesita para una separación dada. EJEMPLOS: Ocurre este fenómeno,  cuando se coloca azúcar en el café o se destapa un frasco de perfume en una habitación.  la remoción de materiales contaminantes de las corrientes de descarga de los gases y

aguas contaminadas  la difusión de neutrones dentro de los reactores nucleares,

 la difusión de sustancias al interior de poros de carbón activado,  la rapidez de las reacciones químicas catalizadas y biológicas así como el

acondicionamiento del aire Es importante destacar que la ley de Fick sólo tiene en cuenta la difusión molecular (también llamada ordinaria) producida por una diferencia de concentración. Además de esta fuerza impulsora para la transferencia de materia existen otras capaces de generar difusión: gradiente de temperatura, de presión, de campo gravitacional, eléctrico y magnético. Finalmente, es importante destacar que la ley de Fick describe la transferencia de materia producida por un movimiento molecular fortuito con trayectorias libres medias independientes de las paredes del recipiente.

3- Coeficientes individuales y totales Coeficientes individuales: transferencia de materia en una sola fase  una sola fase  fuerza impulsora: diferencia de concentraciones entre la interface y el seno de la fase

Coeficiente volumétrico

Superficie especifica en (m2/m3)

Coeficientes globales de transferencia de materia

Transferencia de materia entre fases

En este estado estacionario y sin generación se verifica que el flujo A que abandona una fase debe ser el mismo que recibe la otra.

4-Lineas de operación y equilibrio de transferencia de masa Operaciones unitarias: Las operaciones unitarias son cada una de las acciones necesarias de transporte, adecuación y/o transformación. Puede definirse como un área del proceso o un equipo donde se incorporan materiales, insumos o materias primas en la que ocurre una función determinada, son actividades básicas que forman parte del proceso. Por ejemplo, la producción de pulpa o el descortezado en una fábrica de papel, o la destilación en un proceso de elaboración de productos químicos.

destilacion ejemplos de operaciones unitarias operaciones unitarias

secado

decantacion

Operaciones de Equilibrio: El agente separador origina que las corrientes de producto sean fases distintas con distinta composición del producto a separar debido a que las composiciones en equilibrio son distintas en ambas fases. La fase generada: -puede formarse a partir de la primera por un cambio de las condiciones de Presión o temperatura (agente separador: energía) (ej.: evaporación)

5-Unidades de transferencia de masa Coeficientes de trasferencia

Clasificación y descripción de transferencia de masa CLASIFICACIÓN DESCRIPCIÓN Gas - Gas

Es un método poco común debido a que la mayoría de los gases son solubles

Gas - Líquido

Se puede lograr con calentamiento parcial o con un gas que arrastre el componente de absorción

Sólido - Gas

Es una evaporación parcial del sólido sin pasar por el estado líquido

Líquido - Líquido Se da con la adición de un solvente que arrastre el componente de interés Sólido - Líquido

Conocido como la lixiviación o la cristalización

Sólido - Sólido

Es un proceso simple ya que las velocidades de difusión son lentas