INTRODUCCIÓN A LA TRANSFERENCIA DE MATERIA

1. INTRODUCCIÓN
2. TRANSPORTE MOLECULAR DE MATERIA
2.1. Difusión
2.2. Concentración, velocidad y densidad de flujo de materia
2.3. Ley de Fick
2.4. Otros modos de transporte molecular de materia
3. COEFICIENTE DE DIFUSIÓN
3.1. Unidades
3.2. Métodos de estimación de la difusividad (gases, líquidos y sólidos)
4. EJEMPLOS DE TRANSPORTE MOLECULAR EN ESTADO ESTACIONARIO
5. TRANSPORTE DE MATERIA POR CONVECCIÓN
TRANSFERENCIA DE MATERIA
1. INTRODUCCIÓN
Cuando un sistema unifásico contiene dos o más componentes cuyas
concentraciones varían de un punto a otro, presenta una tendencia natural a
transferir la materia, haciendo mínimas las diferencias de concentración dentro
del sistema (Equilibrio = diferencia de concentraciones nula).
La transferencia de un constituyente de una región de alta concentración a una
de baja concentración se denomina transferencia de materia.
¿Qué es?
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).
Ej.: picos obtenidos en Cromatografía
Los picos tienen una cierta anchura
Ejemplos cotidianos
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Una porción de baritina en una cuba de preparación de un lodo.
Evaporación del agua de un estanque
Difusión de un gas de un medio en otro.
Otros ejemplos
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Eliminación de materiales contaminantes de corrientes acuosas de
depuración de gases
Difusión de neutrones dentro de los reactores nucleares
Difusión de sustancias adsorbidas en los poros de carbón activado
Velocidad de las reacciones químicas catalizadas y biológicas
Acondicionamiento del aire
Dispersión de una mancha contaminante en un río
El mecanismo de transferencia de materia, tal como se ha observado en el de
transferencia de calor, depende de la dinámica del sistema en el que se lleva a
cabo (ej. disolución del terrón de azúcar con o sin agitación.
MECANISMOS DE TRANSPORTE DE MATERIA.
CLASIFICACIÓN:
a) DIFUSIÓN MOLECULAR
Movimiento molecular randómico (aleatorio) en los fluidos en reposo o en flujo
laminar
CONVECCIÓN.
Desplazamiento y mezcla de distintas porciones de fluido por flujo turbulento.
NATURAL
Por diferencia de
densidades
debidas a
diferencias de
temperatura,
concentración,
etc.
FORZADA
Debido a
fuerzas
externas
(bombas,
agitadores,
etc.)
El estudio de la transferencia de materia puede dividirse en tres grandes áreas:
•
•
DIFUSIÓN MOLECULAR (en medios en reposo y régimen laminar)
Transferencia en RÉGIMEN TURBULENTO en UN FLUIDO
•
Transferencia de materia ENTRE FASES.
Las OPERACIONES UNITARIAS de transferencia de materia engloban todas
las operaciones en las que la etapa controlante del proceso es la transferencia
de materia y tienen por objeto separar componentes o grupos de componentes
de una fase originariamente homogénea.
Agente separador (materia,
energía, otras)
Corriente alimento con
varios componentes a
separar (una fase)
Corrientes de productos de
diferentes composiciones
(una o varias fases)
ANALOGÍAS
En todas las operaciones unitarias encontraremos una diversidad de analogías
que nos permiten diferenciar sus aplicaciones en cada caso.
CALOR
Transferencia entre dos puntos a
diferente temperatura.
Desde alta Temperatura a baja
Temperatura.
Puede ser de modo molecular, sin
turbulencias: conducción de calor a
través de un sólido.
MATERIA
Transferencia entre dos puntos a
diferente concentración.
Desde alta Concentracion a baja
Concentracion.
Puede ser de modo molecular, sin
turbulencias: difusión molecular en
fluido en reposo o régimen laminar.
Ley de Fourier:
Ley de Fick:
⃑ T
𝑞𝐴 = -k∙ ∇
⃑⃑⃑⃑
⃑⃑⃑
⃑ 𝑥𝐴 T
𝐽𝐴∗ = - c∙ 𝐷𝐴𝐵 ∙ ∇
Puede ser de modo turbulento:
transferencia en un mismo fluido o
entre distintas fases: convección
Tratamiento: suponemos perfil lineal
de Temperaturas, utilizando T en dos
puntos extremos.
Puede ser de modo turbulento:
transferencia en un mismo fluido o
entre distintas fases: convección
Tratamiento: suponemos perfil lineal
de la Concentracion del fluido de
referencia, utilizando C en dos puntos
extremos.
𝑞=
𝑄
= ℎ(𝑇0 − 𝑇1 )
𝐴
𝑁𝐴 =
𝑊𝐴
𝐴
= 𝑘𝑐 (𝐶𝐴0 − 𝐶𝐴 )
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:
• Una sola fase: líquida o
gaseosa (ej.: ósmosis
inversa)
* puede formarse a partir
de la primera por un
cambio de las condiciones
de P ó T (agente
separador: energía) (ej.:
evaporación)
* puede ser una fase ajena
e inmiscible con la
disolución original (agente
separador: materia) (ej.:
absorción)
OPERACIONES GOBERNADAS POR LA VELOCIDAD:
•
a) Las corrientes de producto se encuentran en el mismo estado de
agregación y son miscibles entre sí (no se forman nuevas fases).
b) Se basan en la distinta velocidad con la que se mueven los distintos
componentes de la disolución bajo la influencia de un gradiente de
composiciones, T, P, campo eléctrico, etc.
c) Una sola fase: líquida o gaseosa (ej.: ósmosis inversa)
EJS. OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA
Una sola fase