Al finalizar el curso, los alumnos: Explicarán las analogías entre los distintos tipos de fenómenos de transporte.

Transcripción

1 TRANSPORTE DE MASA Semestre Dr. Bernardo Hernández Morales Introducción La gran mayoría de los procesos de obtención y refinación de materiales metálicos se efectúa en equipos cuyo diseño y operación se basa en el transporte de masa. El término transporte de masa se refiere al movimiento de especies químicas necesario para que cambie la concentración de las especies en el sistema bajo estudio, y puede o no estar acompañado por una reacción química. Los mecanismos de transporte de masa son: difusión y convección. Una aproximación útil es la del coeficiente de transporte de masa, que se aplica a problemas de intercara. La descripción matemática del transporte de masa se basa en los postulados de los fenómenos de transporte y utiliza extensivamente el concepto de balance. Durante el curso, se presenta primeramente el concepto de transporte de masa. Posteriormente, los conceptos y fundamentos de transporte de masa se aplican a casos idealizados de procesos metalúrgicos; primero, se resuelven problemas en sistemas homogéneos y después en sistemas heterogéneos. Objetivos generales de aprendizaje Al finalizar el curso, los alumnos: Explicarán las analogías entre los distintos tipos de fenómenos de transporte. Explicarán e identificarán a los mecanismos de transporte de masa. Aplicarán la formulación general de problemas de transporte de masa. Identificarán al mecanismo controlante y resolverán problemas de transporte de un componente en sistemas monofásicos. Identificarán al mecanismo controlante y resolverán problemas que involucran el transporte de un componente en un sistema fluído-fluído. Identificarán al mecanismo controlante y resolverán problemas que involucran el transporte de un componente en un sistema sólido-fluído. Entenderán, comprenderán, explicarán, calcularán y evaluarán los efectos de las variables de proceso sobre el transporte de masa en procesos metalúrgicos. 1

2 Temario 1. Introducción al transporte de masa en los procesos metalúrgicos y de materiales. (a) El contexto del estudio del transporte de masa en los procesos metalúrgicos y de materiales. (b) Conceptos básicos del transporte de masa en Ingeniería de Procesos Metalúrgicos y de Materiales. (c) El transporte de masa y su relación con el área de conocimiento de fenómenos de transporte. (d) Mecanismos participantes y controlantes en los procesos de obtención de materiales y de manufactura de piezas. (e) Formulación general para el estudio del transporte de masa. (f) Termodinámica y estequiometría. 2. Transporte de masa en una fase, sin reacción química. (b) 1 a Ley de Fick.Coeficientes de difusión en materiales. (c) Ecuación de continuidad para un componente químico. (d) 2 a Ley de Fick. Soluciones analítica y numérica. (e) Aplicaciones: difusión de gases en sólidos; carburización de aceros; sistemas laminados ferrita-austenita; volatilización de zinc en retortas; separación plomo-zinc; sinterización. 3. Transporte de masa en una fase, con reacción química homogénea. (b) Control por transporte. (c) Control por reacción química. (d) Control mixto. (e) Aplicaciones: formación de humos. Crecimiento y disolución de carbonitruros. Combustión de gases en el alto horno. 2

3 4. Transporte de masa fluido-fluido, con y sin reacción química. (b) El coeficiente de transferencia de masa. (c) Aplicaciones: absorción de gases en acero líquido; obtención de cobre blister en comvertidores; conversión de arrabio en acero; escorificación de impurezas del acero; extracción por disolventes; electrólisis de cobre. 5. Transporte de masa sólido-fluido, con y sin reacción química. (a) Introducción. Mecanismos controlantes (b) Partícula compacta reaccionante. (c) c. Partícula porosa reaccionante. (d) d. Aplicaciones: tostación de blenda de zinc; reducción directa de minerales de hierro; lixiviación de calcina; crecimiento de óxidos. 3

4 Bibliografía 1. D.R. Geiger y G.H. Poirier. Transport Phenomena in Materials Processing. The Minerals, Metals and Materials Society, Warrendale, Pa., D.R. Gaskell. An Introduction to Transport Phenomena in Materials Engineering. Mc Graw-Hill, O. Levenspiel. Chemical Reaction Engineering. Wiley, 2nd ed., H. S. Ray. Kinetics of Metallurgical Reactions. International Science Publisher.New York, H.Y. Sohn y M. Wadsworth (editores). Rate Processes of Extractive Metallurgy. Plenum Press, P. Hayes. Process Selection in Extractive Metallurgy. Hayes Pub. Co., L. Coudurier, D.W. Hopkins y I. Wilkomirsky. Fundamentals of Metallurgical Processes. Pergamon Press, 2nd ed., R.I.L. Guthrie. Engineering in Process Metallurgy. Oxford Science Publications T.A. Engh. Principles of Metal Refining. Oxford University Press P. Shewmon. Diffusion in Solids. McGraw-Hill, A.H.P. Skelland. Diffusional Mass Transfer. Krieger Publishing, D.S. Wilkinson. Mass Transport in Solids and Fluids. Cambridge University Press. Cambridge, Inglaterra, J. A. Barrera Godínez, J.B. Hernández Morales, A. Ingalls Cruz y A. Ortega Rodríguez. Transporte de Masa. Colección de Problemas. México, D.F.,

5 14. H.A. Fine y G.H. Geiger. Handbook on Material and Energy Balance Calculations in Metallurgical Processes. AIME, New York, Evaluación 1. Exámenes parciales y finales. Trabajos. Tareas. Aistencia y participación. 2. Para algunos estudiantes, el examen ordinario A puede incluir solo algunas partes del curso. 3. El examen ordinario B incluye todo el material del curso, para todos los estudiantes. Metodología delaenseñanza 1. Exposición oral, auxiliada por material audiovisual. Trabajo experimental al inicio de cada unidad. Solución de problemas. 2. Con el propósito de crear en los alumnos hábitos de investigación y crítica, algunos temas se estudiarán mediante investigación bibliográfica y seminario. 5