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transferencia de masa interfacial

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on 11 December 2014

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Transcript of transferencia de masa interfacial

INTRODUCCION
Hasta ahora sólo se ha considerado la difusión de sustancias dentro de una única fase. Sin embargo, en la mayoría de las operaciones de transferencia de masa, se ponen en contacto dos fases insolubles, con el fin de que entre dichas fases se establezca la transferencia de las sustancias que las forman. Por lo tanto, ahora interesa la aplicación simultánea del mecanismo de difusión para cada fase en el sistema combinado.
DIFUSIÓN INTERFACIAL
También esta ecuación corresponde a una línea recta sobre las coordenadas X y Y, de pendiente - RJE,, a través de los puntos (Xi,Y) y (X, Y). Puesto que las dos líneas rectas tienen la misma pendiente y un punto en común, son la misma línea recta; por lo tanto, la ecuación (5.33) es una expresión general que relaciona las composiciones de las fases en el equipo a cualquier distancia de la entrada.
CURVA DE DISTRIBUCIÓN DE EQUILIBRIO
transferencia de masa interfacial
Esta curva es independiente de las cantidades iniciales de agua y aire, y sólo depende de las condiciones, como temperatura y presión, que se le impongan al sistema de tres componentes. Es importante observar que en el equilibrio las concentraciones en las dos fases no son iguales; más bien, el potencial químico del amoniaco es igual en las dos fases; además, se recordara (capítulo 2) que esta igualdad en los potenciales químicos, no en las concentraciones, es la que interrumpe la transferencia neta del soluto.
Muchas de las operaciones de transferencia de masa se llevan a cabo en la forma de flujo estacionario (continuo), con flujo continuo e invariable de las fases en contacto y bajo circunstancias tales que las concentraciones en cualquier punto del equipo usado no cambian con el tiempo.
Con este propósito, considérese la absorción de un gas soluble, como amoniaco( sustancia A) de una mezcla formada, por ejemplo, de aire y amoniaco; se usa agua líquida como absorbente, la absorción se realiza en uno de los aparatos más sencillos, la torre de paredes mojadas.
La mezcla de amoniaco-aire puede entrar por el fondo y fluir en forma ascendente, mientras que el agua fluye en forma descendente alrededor de la parte interna del tubo. Cambia la composición de la mezcla gaseosa: su concentración elevada de soluto se vuelve menor mientras la mezcla fluye en forma ascendente, porque el agua disuelve al amoniaco y lo deposita en el fondo como una solución de amoniaco acuosa. En condiciones de estado estacionario, las concentraciones en cualquier punto en el aparato no cambian con el paso del tiempo.

TRASFERENCIA DE MASA LOCAL ENTRE DOS FASES
Se va a estudiar la situación a una altura particular de la torre; por ejemplo, entre la parte superior y la inferior. Puesto que el soluto se esta difundiendo de la fase gaseosa hacia el líquido, debe existir un gradiente de concentración en el sentido de la transferencia de masa dentro de cada fase. Esto puede mostrarse gráficamente en función de la distancia a través de las fases, como en la figura 5.2, en donde se muestra una sección a través de las dos fases en contacto. Se supone que no ocurre reacción química. La concentración de A en la masa principal del gas es y_(A,G) fracción mol y desciende hasta y_(A,i) en la interfase. En el liquido la concentración desciende de x_(A,i) en la interfase a x_(A,L) en la masa principal del liquido. Las concentraciones y_(A,G) y x_(A,L) no son claramente valores en el equilibrio, puesto que si lo fueran; no habría difusión del soluto. Al mismo tiempo, estas concentraciones no pueden utilizarse de modo directo con un coeficiente de transferencia de masa para describir la rapidez de transferencia de masa en la interfase, porque las dos concentraciones están relacionadas de manera distinta con el potencial químico,, el cual es la “fuerza motriz” real de la transferencia de masa.
Nuevamente, con referencia a la figura 5.2, es claro que el aumento de concentración en la interfase, de y_(A,i) y x_(A,i), no es una barrera para la difusión en la dirección del gas al liquido. Son concentraciones en el equilibrio y, por lo tanto, corresponden a potenciales químicos iguales de la sustancia A en ambas fases en la interfase.

Las diferentes concentraciones también pueden mostrarse en forma gráfica, como en la figura 5.3; las coordenadas serán las de la curva de distribución en el equilibrio. El punto P representa las dos concentraciones de las fases; el punto M, las que se encuentran en la interfase. Para la transferencia de masa en estado estacionario, la rapidez con la cual A alcanza la interfase del gas debe ser igual a aquella con la cual se difunde en el líquido, de tal forma que no haya acumulación o agotamiento de A en la interfase.

COEFICIENTES LOCALES: Caso General
USO DE LOS COEFICIENTES GLOBALES LOCALES
• En donde exp. Z significa e^z. Afortunadamente, esto simplifica dos de los casos especiales más importantes:
El concepto de coeficientes globales de transferencia de masa es en muchos aspectos similar al de los coeficientes globales de transferencia de calor en el caso del diseño de un intercambiador de calor.
COEFICIENTES GLOBALES PROMEDIO
Como se mostrará en los aparatos de transferencia de masa las concentraciones de las fases en contacto por lo general varían considerablemente de un lugar a otro; por lo tanto, un punto como P en las figuras 5.3 y 5.4 es simplemente un punto de un número infinito que forma una curva en estas figuras.
BALANCE DE MATERIA
Fuerzas motrices de diferencia de concentración, son las fuerzas que existen en una posición del equipo utilizado para poner en contacto las fases inmiscibles. En el caso de un proceso en estado estacionario, debido a la transferencia de soluto de una fase a la otra, la concentración en cada fase cambia al irse moviendo el soluto a través del equipo. Asimismo, en el caso de un proceso por lotes, la concentración en cada fase cambia con el paso del tiempo. Estos cambios producen variaciones correspondientes en las fuerzas motrices; dichos cambios pueden seguirse con la ayuda del balance de materia. Posteriormente, todas las concentraciones son los valores promedio de la masa principal para las corrientes indicadas.
PROCESOS A CORRIENTE PARALELA EN ESTADO ESTACIONARIO
Considérese cualquier operación de transferencia de masa llevada a cabo en la forma de corriente paralela en estado estacionario, como en la figura 5.6, en la cual el aparato utilizado se representa simplemente como una caja rectangular. Sean las dos fases insolubles, la fase E y la fase R; por el momento, considérese sólo el caso en el que una única sustancia A se difunde de la fase R a la fase E durante su contacto. Se considera que los otros componentes de las fases, disolventes para los solutos en difusión, no se difunden. A la entrada del aparato en el que las fases están en contacto, la fase R contiene R1 moles por unidad de tiempo de sustancias totales, formadas por Rs , moles por unidad de tiempo del disolvente que no se difunde y del soluto en difusión A, cuya concentración es x1 , fracción mol. Al irse moviendo la fase R a través del equipo, A se difunde hacia la fase E y en consecuencia la cantidad total de R desciende a R2 moles por unidad de tiempo a la salida, aunque el gasto del disolvente que no se difunde Rs es la misma que en la entrada.
PROCESOS A CONTRACORRIENTE EN ESTADO ESTACIONARIO
Para la transferencia de R a E(desorción de R)
Las representaciones de las figuras 5.7 y 5.8 son líneas rectas debido a que la relación de moles para la concentración está basada en cantidades constantes, Es y Rs. Si se gráfica la ecuación (5.30) sobre las coordenadas de fracción mol, o si se utiliza cualquier unidad de concentración proporcional a las fracciones mol (como la presión parcial, por ejemplo), la figura 5.9 indica la naturaleza de la curva de operación obtenida. La extrapolación para localizar las condiciones finales en el equilibrio en T es, por supuesto, más difícil que para las coordenadas de la relación mol.
En resumen, la línea de operación a corriente paralela es una representación gráfica del balance de materia. Un punto sobre la línea representa las concentraciones promedio de las corrientes en contacto recíproco en cualquier sección del aparato. En consecuencia, la línea parte del punto que representa las corrientes que entran en el aparato y llega hasta el que representa las corrientes efluentes.

ETAPAS
Una etapa se define como una parte de un equipo o combinación de partes en donde se ponen en contacto dos fases insolubles, donde la transferencia de masa ocurre entre las fases que tienden a alcanzar el equilibrio y en donde las fases están separadas mecánicamente. Un proceso que se lleva a cabo de esta forma recibe el nombre de proceso en una sola etapa. Una etapa en el equilibrio, o etapa ideal o teórica es una etapa en donde el tiempo de contacto entre las fases es el tiempo suficiente para que los efluentes estén realmente en equilibrio; aunque en principio esto no puede lograrse, en la práctica generalmente se puede estar tan cerca del equilibrio, si el costo lo permite, que la diferencia es insignificante.
Procesos continuos en corriente paralela
Procesos por lotes
Característica de los procesos por lotes es que mientras no haya flujo de las fases en y fuera del equipo utilizado, las concentraciones dentro de cada fase cambian con el tiempo. Cuando las fases se ponen inicialmente en contacto, no poseen su composición respectiva en el equilibrio, pero con el tiempo se van aproximando a ese equilibrio. La ecuación de balance de materia (5.33) para la operación a corriente paralela en estado estacionario, muestra entonces la relación entre las concentraciones X y Yen las fases que coexisten en cualquier momento después de iniciada la operación; las figuras 5.7 y 5.8 representan gráficamente estas composiciones.
El punto T sobre estas figuras representa las composiciones finales que se obtienen en el equilibrio. La operación por lotes es una etapa única.

Cascada
Se llama cascada a un grupo de etapas interconectadas de tal forma que las diferentes corrientes fluyan de una a la otra. Su propósito es que la extensión de la transferencia de masa aumente más de lo que puede aumentarse con una etapa única. La eficiencia de la etapa global fraccionaria de una cascada se define entonces como el número de etapas de equilibrio mediante las cuales la cascada se divide en forma equivalente por el número de etapas reales.
Por supuesto, dos o más etapas conectadas de tal forma que d flujo sea a corriente paralela entre las etapas, nunca serán equivalentes a más de una etapa de equilibrio, aunque la eficiencia global de la etapa puede aumentarse de esta manera. Para efectos mayores que el de una etapa de equilibrio, las etapas se pueden conectar mediante flujo tangencial o a contracorriente.

Cascada a flujo cruzado
En la figura 5.13, cada etapa está representada simplemente por un círculo; dentro de cada uno de ellos el flujo es a corriente paralela. La fase R fluye de una etapa a la siguiente, una vez que se ha puesto en contacto en cada etapa con fase E nueva. Puede haber flujos de masa diferentes de la fase E en cada etapa y cada etapa puede tener una eficiencia de etapa de Murphree diferente. Los balances de materia son, obviamente, una mera repetición de los de una sola etapa, y la construcción sobre el diagrama de distribución es obvia. Algunas veces se utiliza el flujo cruzado (o tangencial)? en la adsorción, lixiviación, secado y extracción, pero su uso es raro en otras operaciones.

Cascada a contracorriente

Estos son los arreglos más eficientes, que requieren menos etapas para un cambio dado de composición y relación de flujo de masa.
En la figura 5.14, se muestra una cascada de N, etapas de equilibrio. El flujo de masa y las composiciones están numeradas según el efluente de cada etapa, de tal forma que Y2, es la concentración en la fase E que abandona la etapa 2, etc.

Para la transferencia de E a R(absorción en R)
FIGURA 5.16 Número de etapas teóricas para cascadas a contracorriente, con el equilibrio de la Ley de Henry y factores de absorción o desorción constantes.
Estas ecuaciones se conocen como las ecuaciones de Kremser-Brown-Souders (o simplemente Kremser). Están graficadas en la figura 5.16, lo cual resulta muy conveniente para obtener soluciones en forma rápida.

Etapas y rapidez de transferencia de masa
Cada proceso puede considerarse ya sea en función del número de etapas que representa o en función de la rapidez de transferencia de masa apropiada. El cálculo del número de etapas de equilibrio sólo requiere las relaciones en el equilibrio y el balance de materia.
INTEGRANTES:
Aguilar Bocanegra, Leyder
La Barrera Canillas, Moises
Morán Guillermo, Alex
Quiroz Villena, Mariela
Risco Azabache, Claudia
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