ÁREA DE INGENIERÍA QUÍMICA Prof. Isidoro García García. Operaciones Básicas de Transferencia de Materia. Tema 1

Transcripción

1 ÁREA DE INGENIERÍA QUÍMICA Operaciones Básicas de Transferencia de Materia

2 Los procesos químicos modifican las condiciones de una determinada cantidad de materia: modificando su masa o composición modificando el nivel de energía modificando sus condiciones de movimiento El estado de un cuerpo queda definido cuando se especifica la cantidad de materia, su energía total y los componentes de velocidad Podemos clasificar las operaciones según la propiedad que se transfiera y sea más relevante en la operación Objetivo de muchas de las operaciones de la Ingeniería Química es la separación, por métodos físicos, de los componentes de una mezcla o disolución para mezclas se pueden aplicar métodos mecánicos exclusivamente si las operaciones de separación implican cambios en la composición de las disoluciones, estamos ante operaciones de transferencia de materia Importancia de las operaciones de transferencia de materia Las operaciones de transferencia de materia se caracterizan por la transferencia de una sustancia a través de otra a escala molecular.

3 CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA CONTACTO DIRECTO ENTRE DOS FASES INMISCIBLES Gas-Gas Gas-líquido Destilación Absorción <-> Des-absorción (Stripping) Gas-sólido Sublimación Adsorción <-> Desorción Líquido-líquido Extracción. Extracción fraccional Líquido-sólido Cristalización fraccionada Extracción líquido-sólido (leaching) <-> adsorción

4 CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA FASES MISCIBLES SEPARADAS POR UNA MEMBRANA Gas-Gas Efusión Permeación Gas-líquido Permeación Líquido-líquido Diálisis. Diálisis fraccional. Electrodiálisis Ósmosis inversa

5 ELECCIÓN DE LA OPERACIÓN MÁS ADECUADA Es frecuente la existencia de alternativas Elección entre operaciones de transferencia de materia y operaciones mecánicas Elección entre operaciones de transferencia de materia y operaciones de reacción química Selección entre operaciones de transferencia de materia Criterios de selección Costo Simplicidad Experiencia

6 Recuperación de solutos La propiedad en base a la cual se realiza una separación es muy distinta entre los componentes que se quieren separar. La separación es relativamente sencilla Fraccionamiento MÉTODOS DE TRABAJO EN LAS OPERACIONES DE T.M. La propiedad en base a la cual se realiza una separación es muy similar entre los componentes que se quieren separar. La separación es más difícil Operación en estado no estacionario Implican variación con el tiempo de las concentraciones del sistema Operación en estado estacionario Todas las propiedades permanecen constantes con el tiempo. Implica funcionamiento en continuo Operaciones en etapas Modo discontinuo Modo continuo (estado estacionario) Operación de contacto continuo o contacto diferencial

7 PRINCIPIOS DE DISEÑO Número de etapas de equilibrio. Para ello se necesita conocer las características del equilibrio del sistema así como el cálculo de los balances de materia. Requerimientos de tiempo. En operaciones por etapas, el tiempo de contacto está íntimamente relacionado con la eficacia de la etapa, mientras que para operaciones de contacto continuo, el tiempo de contacto necesario establece el volumen o longitud del equipo requerido. -los balances de materia permiten el cálculo de las cantidades relativas necesarias de las fases - los datos de equilibrio establecen la última concentración posible - y la velocidad de transferencia entre las fases depende de la lejanía del equilibrio, de las propiedades de las fases y del régimen de circulación dentro del equipo. Caudal permitido. Este factor, que sólo tiene sentido para operaciones continuas o semibatch, conduce a la determinación del área de la sección transversal del equipo. Consideraciones de dinámica de fluidos establecen el caudal permitido y los balances de materia determinan la cantidad absoluta de cada una de las corrientes necesarias. Necesidades de energía. Para llevar a cabo las operaciones de transferencia de materia se necesita -calor para conseguir los cambios de temperatura, para la creación de nuevas fases (tal como la vaporización de un líquido) y afrontar los efectos de los calores de disolución. - energía mecánica para el transporte de fluidos y sólidos, para la dispersión de líquidos y gases y para las partes móviles de la maquinaria.

8 Una parte importante de las operaciones de transferencia de materia implican el contacto de fases inmiscibles entre las que se intercambia alguno o algunos componentes. Hay dos aspectos importantes que controlan la rapidez de dicha transferencia: la lejanía al equilibrio ALGUNOS ASPECTOS BÁSICOS el valor de los coeficientes de transferencia de materia Cuando son varios los componentes que se transfieren, es deseable que la diferencias en las concentraciones de equilibrio para los diferentes componentes y las de los coeficientes de transferencia de materia sean grandes; de esta forma se conseguirá una rápida y buena separación. Dado que las diferencias entre los coeficientes de transferencia de materia no son muy grandes, dependemos por completo de las diferencias de concentración en el equilibrio para poder llevar a cabo las separaciones Sin embargo, el valor de los coeficientes de transferencia de materia son también de gran importancia dado que regulan la velocidad con la que nos aproximamos al equilibrio, controlando de esta forma el tiempo necesario para la separación y, por lo tanto, el tamaño y costo del equipo necesario.

9 INTRODUCCIÓN AL TRANSPORTE MOLECULAR En procesos de transporte molecular se trata con la transferencia o movimiento de una propiedad mediante movimiento molecular a través de un sistema o medio que puede ser gas, líquido o sólido. Así por ejemplo, en el caso de gases, la teoría cinética nos da una buena interpretación del movimiento a escala molecular. Debido a su energía cinética, las moléculas están en movimiento rápido y aleatorio, chocando a menudo unas con otras. El transporte molecular o difusión se produce debido a estos movimientos aleatorios individuales de las moléculas. Cada molécula se mueve de forma aleatoria en todas las direcciones, existiendo flujos en todas las direcciones. Si en un instante dado, existe un gradiente de concentración de un determinado componente entre dos puntos de un medio, los movimientos comentados producirán un flujo neto del citado componente desde la zona de alta a la de baja concentración que denominaremos transferencia de materia En medios gaseosos, las moléculas están relativamente separadas unas de otras, la velocidad de transferencia de materia debe ser relativamente rápida dado que hay pocas moléculas con las que se pueda interaccionar o bloquear el transporte. En fluidos densos, tales como líquidos, las moléculas están más cercanas y la difusión ocurre más lentamente. En el caso de sólidos, las moléculas están todavía más próximas, lo que dificulta o restringe mucho más la migración molecular. 1 2

10 velocidad de transferencia INTRODUCCIÓN AL TRANSPORTE MOLECULAR El proceso de transporte molecular se puede representar por una ecuación general de transporte: fuerza impulsora resistencia Z dc dz En un proceso en estado estacionario, Ψ Z es constante, luego: Z Z 2 Z 1 dz C C 2 1 dc Z C Z 2 1 C Z 1 2

11 INTRODUCCIÓN AL TRANSPORTE MOLECULAR En general, en estado no estacionario, y considerando sólo una dirección de transferencia: velocidad velocidad velocidad velocidad entrada generación salida acumulacion del del del del componente componente componente componente Z / Z * Sección R * Volumen masa entrada 2 m * s * m 2 Z / Z Z masa generada * m 3 m * s C * Sección * Volumen t masa 2 m 3 salida * m * s 2 masa acumulada * m 3 m * s 3

12 INTRODUCCIÓN AL TRANSPORTE MOLECULAR dividiendo por Z y tomando el límite cuando Z0, se obtiene: C t z como Z Z dc dz R C t 2 C 2 z R cuando no existe generación reacción química, R 0 : C t 2 C 2 z

13 INTRODUCCIÓN AL TRANSPORTE MOLECULAR La ecuación general del transporte molecular, denominada también ley de Fick, suele escribirse de la siguiente forma cuando la concentración total en el fluido es constante: J * A Z D AB dc dz A * J AZ el flujo de A, [mol-kg/(s m 2 )] D AB difusividad molecular de A en B, [m 2 /s] C A concentración de A, [mol-kg de A/m 3 ] Cuando la transferencia no se produce sólo por difusión, sino que existen otros mecanismos tales como turbulencias, provocadas por ejemplo por dispositivos mecánicos para mezcla, se podría tener en cuenta este hecho de la siguiente forma: J * A Z D AB m dc dz A

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