Transferencia de Materia: Mecanismos, Operaciones y Equipos, Apuntes de Control de Procesos

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TRANSFERENCIA DE MATERIA

Introducción

Introducción

Transferencia de materia : Transporte de materia debido a una diferencia de concentración.

Mecanismo de la transferencia de materia: Depende de la dinámica del sistema. Un mecanismo suele dominar cuantitativamente el proceso de transferencia.

Operaciones de transferencia de materia realizadas en las primeras civilizaciones : Destilación de licores. Obtención de sal. Extracción de metales.

Transferencia de materia entre fases

• Las operaciones básicas de materia persiguen la separación de componentes o grupos de componentes de una fase originariamente homogénea, haciendo posible la transferencia de alguno o algunos de ellos a una segunda fase con la que se pone en contacto.
• Esta segunda fase puede formarse a partir de la mezcla original, alterando las condiciones de presión y temperatura o está constituida por una nueva substancia ajena al sistema inicial.

Transferencia de materia entre fases

• Interfases utilizadas en la transferencia de materia: gas-líquido, líquido- líquido, líquido-sólido y gas-sólido. Se deben cumplir dos requisitos para que sea plausible el proceso de separación:

o Uno de naturaleza termodinámica : las razones de concentraciones de los componentes o grupos de componentes deben ser diferentes en ambas fases

o Otro de naturaleza mecánica : facilidad de mezcla entre fases para que pueda tener lugar la transferencia de materia y facilidad de separación de las dos fases después de la operación para obtener los productos.

Equilibrio y transferencia

Cuando un sistema no está en equilibrio hay una tendencia a que se produzca en él un cambio espontáneo consistente en un desplazamiento hacia la condición de equilibrio.

• La diferencia entre la condición existente en el sistema y la correspondiente al equilibrio es la causa de las fuerzas impulsoras que determinan el cambio, siendo las velocidades de los procesos de transporte que se produzcan proporcionales a las magnitudes de estas fuerzas, variando por tanto continuamente, es decir disminuyendo a medida que el sistema se acerca al equilibrio, anulándose al llegar a él. Por ello, la velocidad de evolución del sistema respecto a cualquier propiedad, se expresa en forma diferencial.

Equilibrio y transferencia

En los procesos de transferencia de materia a través de la interfase, la velocidad de transferencia a cada lado de la interfase tiene que ser la misma debido a que no existe acumulación de materia

Las concentraciones en cada fase estarán relacionadas entre sí mediante el equilibrio entre fases.

Termodinámica: Equilibrio. Extensión de separación.

Transferencia de materia: Velocidad del proceso.

Es necesario conocer el equilibrio para determinar la fuerza impulsora de la transferencia de materia

Método de contacto entre fases

• Contacto intermitente : Las dos fase fluyen en contracorriente, pero el contacto entre las mismas es intermitente o por etapas. En cada etapa las dos fases se mezclan íntimamente, se separan a continuación y se conducen aisladamente a las dos etapas adyacentes. oUna etapa se denomina ideal o de equilibrio si en ella la mezcla entre las dos fases es suficientemente intima y prolongada para que las dos fases que abandonan estén en equilibrio y no existan gradientes de concentración en las mismas.

Método de contacto entre fases

Es posible resumir la diferencia principal entre la operación por etapas y la de contacto continuo:

• En el caso de la operación por etapas se permite que el flujo difusivo de la materia entre las fases reduzca la diferencia de concentración que causa el flujo. Si se permite continuar el tiempo suficiente, se establece un equilibrio, después del cual no habrá más flujo. Así la velocidad de difusión y el tiempo determinan la eficacia de la etapa en cualquier situación particular.
• Por otra parte, en el caso de la operación de contacto continuo, el alejamiento del equilibrio se mantiene deliberadamente; por ello, el flujo difusivo entre las fases puede continuar sin interrupción.

Técnicas básicas de separación

Generación de una segunda fase

Por adición de energía : adición de un Agente de Separación Energético (ASE) (calor o trabajo) se genera una segunda fase.

Por adición de una segunda fase : incorporación de un Agente de Separación de Masa (ASM) inmiscible (parcialmente) con la mezcla. En ocasiones puede ser miscible, pero cambia las propiedades de reparto de los componentes entre las dos fases generadas por transferencia de energía. Desventajas : Necesidad de una separación adicional. Acondicionamiento de la fase añadida. Posible contaminación de los productos. Mayor dificultad en el diseño.

Operaciones de separación continua basadas en la

transferencia de materia entre fases

Operaciones de separación continua basadas en la

transferencia de materia entre fases

Operaciones de separación continua basadas en la

transferencia de materia entre fases

Clasificación por naturaleza de la interfase

Gas-Líquido : Destilación. Absorción de gases. Desorción. Humidificación. Deshumidificación.

Gas-Sólido : Sublimación. Adsorción. Secado (o Desorción).

Líquido-Líquido : Extracción líquida.

Líquido-Sólido : Cristalización. Lixiviación. Adsorción.

Operaciones de separación con membranas

Operaciones de separación con membranas

Clasificación en función de las fases separadas

Gas-Gas : Difusión gaseosa o Efusión. Permeación.

Gas-Líquido : Permeación.

Líquido-Líquido : Diálisis. Electrodiálisis. Ósmosis inversa.