UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

Transcripción

1 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA PROGRAMA DE INGENIERIA DE ALIMENTOS TRANSFERENCIA DE MASA ACTIVIDAD 4 LECCION EVALUATIVA UNIDAD 1 BOGOTA D.C.

2 Difusión Molecular El movimiento de una sustancia en el seno de una mezcla binaria, desde puntos de elevadas concentraciones a otros de más bajas, se puede intuir fácilmente. Para estudiar el mecanismo de transporte de materia puede suponerse un componente cualquiera de la materia considerada, que se transfiere de un punto a otro del sistema que se está estudiando. Esta transferencia de masa puede tener lugar según dos mecanismos, por flujo molecular o advectivo. Cuando existe un gradiente de concentración del componente considerado entre dos puntos del sistema, se produce la transferencia de masa por flujo molecular. Sin embargo, cuando toda la masa se mueve desde un punto hacia el otro, la transferencia se produce por flujo advectivo. Según la naturaleza física del medio considerado pueden presentarse diferentes situaciones, en las que la transferencia de materia se realiza por uno o los dos mecanismos de transporte considerados. a) Cuando no existe un gradiente de concentración del componente considerado, si el medio es fluido, sólo puede haber transporte advectivo. Pero este tipo de problema se estudia como transporte de cantidad de movimiento y no de materia. b) Cuando existe un gradiente de concentración del componente, y el medio es un fluido en reposo, la transferencia de materia se realiza por flujo molecular, siendo debida únicamente a la difusión molecular. Así, si se considera un vaso de precipitado que se llena de agua, y en el que se introduce un cristal de un colorante en el fondo del vaso. Se observará que el cristal se disuelve paulatinamente, difundiéndose en todo el vaso, pues la concentración en los alrededores del cristal es superior a las de otras zonas. Esta difusión tiene lugar hasta que se llega al equilibrio. c) Cuando existe un gradiente de concentración y el medio es un fluido que se mueve en régimen laminar, la transferencia de materia se realiza por los dos mecanismos. La difusión de un componente debida a la existencia de un gradiente de concentración recibe el nombre de difusión ordinaria. Además, existen otros tipos de difusión, según sea la propiedad que confiere el movimiento al componente de la mezcla; así, si es debida a un gradiente de presión se trata de difusión de presión, si es debida a un gradiente térmico la difusión es térmica, cuando existe una desigualdad de fuerzas externas que provoca dicho movimiento se trata de difusión forzada. El estudio de la difusión resulta más complicado que en los casos de transporte de cantidad de movimiento y energía, pues en la difusión se da el movimiento de una especie en el seno de mezclas. En una mezcla que difunde, las velocidades de los componentes individuales son distintas, debiéndose promediar dichas velocidades para obtener la velocidad local de la mezcla, que es necesaria para poder definir las velocidades de difusión. De otro lado la difusión es un movimiento de soluto o de solvente, donde la agitación térmica y la diferencia de concentración son las fuerzas impulsoras. El flujo se denomina FLUJO DIFUSIONAL. Aun cuando la rapidez de difusión de gases, líquidos y sólidos es diferente, en estos últimos suelen ser menores que en los primeros. La transferencia de masa en los sólidos es muy importante en los procesos químicos y biológicos. Algunos ejemplos son la lixiviación de sólidos como la soya y algunos minerales metálicos; el secado de madera, sales y alimentos; la difusión y reacción catalítica en

3 catalizadores sólidos; la separación de fluidos mediante membranas; la difusión de gases a través de ias películas de polímeros usadas en los empaques; y el tratamiento gaseoso de metales a temperaturas elevadas. En los procesos de transporte molecular, lo que nos ocupa en general es la transferencia o desplazamiento de una propiedad o entidad dada mediante el movimiento molecular a través de un sistema o medio que puede ser un fluido (gas o líquido) o un sólido. Esta propiedad que se transfiere puede ser masa, energía térmica (calor) o momento lineal. Cada molécula de un sistema tiene una cantidad determinada de la masa, energía térmica o momento lineal asociada a ella, cuando existe una diferencia de concentración de cualquiera de esas propiedades de una región a otra adyacente, ocurre un transporte neto de esa propiedad. En los fluidos diluidos, como los gases, donde las moléculas están relativamente alejadas entre sí, la velocidad de transporte de la propiedad será relativamente alta puesto que hay pocas moléculas presentes para bloquear el transporte o para interactuar. En fluidos densos, como los líquidos, las moléculas están próximas entre sí y el transporte o la difusión se realizan con más lentitud. En los sólidos, las moléculas están empacadas más estrechamente que en los líquidos y la migración molecular es aun más restringida. Haz click en el siguiente enlace, para ver una de las tantas aplicaciones en las que intervienen los fenomenos de difusión molecular:

4 OVA: Difusión Simple En la Unidad 1 encontramos un OVA (Objeto Virtual de Aprendizaje) sobre un caso simple de difusión molecular que es importante revisar antes de responder la siguiente pregunta. En este OVA encontrará una ecuación que le permitirá resolver el interrogante planteado más adelante. Para mayor facilidad seguidamente aparece un enlace que lo conduce a dicha OVA. Recuerde hacer click derecho sobre el enlace y a continuación seleccionar la opción de "Abrir en una nueva pestaña".

5 Extracción Los procesos típicos en los que no hay una reacción química son, entre otros, secado, evaporación, dilución de soluciones, destilación, extracción, y pueden manejarse por medio de balances de materia con incógnitas y resolviendo posteriormente las ecuaciones para despejar dichas incógnitas. La difusión de solutos en líquidos es muy importante en muchos procesos industriales, en especial en las operaciones de separación, como extracción líquido-líquido o extracción con disolventes, en la absorción de gases y en la destilación. La difusión en líquidos también es frecuente en la naturaleza, como en los casos de oxigenación de ríos y lagos y la difusión de sales en la sangre. Resulta evidente que la velocidad de difusión molecular en los líquidos es mucho menor que en los gases. Las moléculas de un líquido están muy cercanas entre sí en comparación con las de un gas, por tanto, las moléculas del soluto A que se difunde chocarán contra las moléculas del líquido B con más frecuencia y se difundirán con mayor lentitud que en los gases. En general, el coeficiente de difusión es de un orden de magnitud 10 5 veces mayor que en un líquido. No obstante, el flujo específico en un gas no obedece la misma regla, pues es sólo unas 100 veces más rápido, ya que las concentraciones en los líquidos suelen ser considerablemente más elevadas que en los gases. Para separar uno o más de los componentes de una mezcla, ésta se pone en contacto con otra fase. Dichas fases pueden ser gas-líquido, vapor-líquido, líquido-líquido o líquido-sólido. Los procesos de separación por extracción líquido-líquido. Otros nombres que también se usan son extracción con líquido o extracción con disolvente. En la destilación, el líquido se vaporiza parcialmente para crear otra fase, que es un vapor. La separación de los componentes depende de las presiones de vapor relativas de las sustancias. La fase de vapor y la líquida tienen gran semejanza química. En la extracción líquido-líquido, ambas fases son químicamente muy diferentes, lo que conduce a una separación de los componentes de acuerdo con sus propiedades físicas y químicas. Algunas veces la extracción por disolvente se usa como una alternativa a la separación por destilación o evaporación. Por ejemplo, el ácido acético se separa del agua por destilación o por extracción con disolvente, usando un disolvente orgánico. Después de esta operación, el producto resultante (disolvente orgánico-ácido acético) se destila. La selección de destilación o extracción con disolvente depende en gran parte, de los costos relativos. Otro ejemplo son los ácidos grasos de alto peso molecular que se pueden separar de los aceites vegetales por extracción con propano líquido o por destilación al alto vacío, la cual es más costosa. En la industria farmacéutica algunos productos como la penicilina se presentan en mezclas de fermentación bastante complejas, y se usa la extracción con líquido para separar la penicilina. Muchas separaciones de metales se llevan a cabo comercialmente por extracción de soluciones acuosas, como cobre-hierro, uranio-vanadio y tantalio-columbio. En la extracción líquido-líquido se separa un componente de una mezcla líquida, con ayuda de un disolvente, que preferentemente lo disuelve. Campos de aplicación son, por ejemplo, la separación de vitaminas de soluciones acuosas, separación de aromáticos de fracciones de petróleo.

6 Con la extracción sólido-líquido se puede extraer componentes solubles de sustancias sólidas con ayuda de un disolvente. Campos de aplicación de este procedimiento son, por ejemplo, la obtención de aceite de frutos oleaginosos o la lixiviación de minerales.

7 Operaciones unitarias de transferencia de materia Las operaciones unitarias de transferencia de materia están controladas por la difusión de un componente en el seno de una mezcla. A continuación se realiza una breve exposición de las distintas operaciones incluidas en este grupo. Destilación: Separación de dos o más componentes aprovechando la diferencia de presiones. Absorción: de un componente de una mezcla gaseosa por un líquido, según la solubilidad del gas en el líquido: puede ser con o sin reacción química. El proceso contrario es la desorción. Extracción: Se basa en la disolución de una mezcla (líquida o sólida) en un disolvente selectivo. Puede ser: Líquido-Líquido o Sólido-Líquido. Esta última también se la denomina, Lavado, Lixiviación, etc. Adsorción: También denominada Sorción. Consiste en la eliminación de uno o más componentes de un fluido (líquido o gas) por retención en la superficie de un sólido. Intercambio Iónico: Sustitución de uno o varios iones de una disolución por otros del agente intercambiador. Transferencia de materia Para estudiar el mecanismo de transporte de materia puede suponerse un componente cualquiera de la materia considerada, que se transfiere de un punto a otro del sistema que se está estudiando. Esta transferencia de masa puede tener lugar según dos mecanismos, por flujo molecular o advectivo. Cuando existe un gradiente de concentración del componente considerado entre dos puntos del sistema, se produce la transferencia de masa por flujo molecular. Sin embargo, cuando toda la masa se mueve desde un punto hacia el otro, la transferencia se produce por flujo advectivo. Según la naturaleza física del medio considerado pueden presentarse diferentes situaciones, en las que la transferencia de materia se realiza por uno o los dos mecanismos de transporte considerados. Algunos de ellos se describen a continuación: a) Cuando no existe un gradiente de concentración del componente considerado, si el medio es fluido, sólo puede haber transporte advectivo. Pero este tipo de problema se estudia como transporte de cantidad de movimiento y no de materia. b) Cuando existe un gradiente de concentración del componente, y el medio es un fluido en reposo, la transferencia de materia se realiza por flujo molecular, siendo debida únicamente a la difusión molecular. Así, si se considera un vaso de precipitado que se llena de agua, y en

8 el que se introduce un cristal de un colorante en el fondo del vaso. Se observará que el cristal se disuelve paulatinamente, difundiéndose en todo el vaso, pues la concentración en los alrededores del cristal es superior a las de otras zonas. Esta difusión tiene lugar hasta que se llega al equilibrio.

9 Extracción sólido-líquido La extracción sólido-líquido es una operación básica cuya finalidad es la separación de uno o más componentes contenidos en una fase sólida, mediante la utilización de una fase líquida o disolvente. El componente o componentes que se transfieren de la fase sólida a la líquida recibe el nombre de soluto, mientras que el sólido insoluble se denomina inerte. La extracción sólido-líquido recibe distintos nombres según la finalidad del proceso; así, se le conoce también como lixiviación, lavado, percolación, etc. En la bibliografía anglosajona se encuentra frecuentemente descrita bajo el nombre de «leaching» o «solvent extraction». La finalidad de esta operación puede ser diversa, pues en algunos casos es necesario eliminar algún componente no deseable de un sólido mediante disolución con un líquido, denominándose lavado a este proceso de extracción. Sin embargo, en otros casos se desea obtener un componente valioso que está contenido en un sólido, disolviéndolo con un líquido, denominándose a esta operación lixiviación. El término percolación se refiere al modo de operar, vertido de un líquido sobre un sólido, más que al objetivo perseguido. La forma en que el soluto esté contenido en el sólido inerte puede ser diversa. Así, puede ser un sólido disperso en el material insoluble o estar recubriendo su superficie. También puede tratarse de un líquido que esté adherido o retenido en el sólido, o bien estar contenido en su estructura molecular. Aplicaciones importantes de la extracción sólido-líquido en la industria alimentaria son: extracción de aceites y grasas animales y vegetales, lavado de precipitados, obtención de extractos de materias animales o vegetales, obtención de azúcar, fabricación de té y café instantáneo, entre otras. Este tipo de operaciones se lleva a cabo en una sola o múltiples etapas. Una etapa es una unidad de equipo en la que se ponen en contacto las fases durante un tiempo determinado, de forma que se realiza la transferencia de materia entre los componentes de las fases y va aproximándose al equilibrio a medida que transcurre el tiempo. Una vez alcanzado el equilibrio se procede a la separación mecánica de las fases. En realidad es difícil que en una etapa se llegue al equilibrio, por lo que para el cálculo de las etapas reales es preciso definir la eficacia. Para una etapa, es el cociente entre el cambio en la composición que se logra realmente y el que debería haber tenido lugar en una situación de equilibrio bajo las condiciones de trabajo. Las formas de operación utilizadas en los procesos de extracción pueden ser en continuo o en discontinuo. En discontinuo puede utilizarse una etapa simple o bien múltiples etapas con disolvente nuevo en cada etapa o en contracorriente. Una etapa simple consta de un mezclador con agitación, donde se ponen en contacto el sólido y el disolvente durante un cierto tiempo de contacto. A continuación se lleva a un separador, donde se obtienen las fases extracto y refinado, después de un cierto tiempo de reposo. No siempre se utilizan dos equipos, sino que en uno solo se pueden realizar las dos etapas de extracción y separación, denominándose extractor a este tipo de equipo.