UNIDAD I: TRANSFERENCIA DE MASA Y DIFUSIÓN Transferencia de masa se defne defne como el proceso proceso natural natural o asistido en el cual se transfere materia de una región de alta concentración a otra de baja concentración, esta dierencia o gradiente de concentración se conoce como fuerza impulsora. impulsora . La masa puede transerirse por medio difusión) o del movimiento molecular ortuito en lo uidos en reposo ( difusión) puede transerirse de una superfcie a un uido en movimiento ayudado por las características dinámicas del uido de los uidos en contacto conducción). stos dos modos dierentes de transerencia de masa (conducción). molecula molecularr y convecti convectiva va son análogo análogos s a la transer transerenci encia a de calor calor por conducción y por convección. !ranser !ranserencia encia de calor calor
!ranserencia ranserencia de masa masa
"onvecci ón ´ Q cond=− k∙ A∙
dt dz
´ A , dif =− D AB ∙ A ∙ m
d ρ A dz
"onducci ón ´ conv =hconv ∙ ( T s −T ∝ ) Q
m ´ conv =hmasa ∙ ( C s−C ∝)
DIFUSIÓN MOLECULAR #ajo el t$rmino diusión se entiende la transerencia de masa en una ase, %ue se eect&a por un gradiente gradiente de potencial potencial %uímico, e%uilibrando el gradiente solamente por un movimiento molecular. l transporte de materia en sistemas multicomponentes está inuido por gradientes de concentración' a parte de los gradientes de concentración tambi$n los gradientes de temperatura y de presión pueden tener su importancia. La diusión a base de gradientes de concentración se denomina diusión
ordinaria. stá diusión ordinaria es la base del análisis de diusión multicomponente. arrot (*+) observo %ue en cual%uier sistema donde eiste dos o mas especies moleculares con concentraciones %ue varían de un punto a otro, esta sometido aun proceso tal %ue disminuye la dierencia de concentración entre estos dos puntos. -dol ic/ observo eperimentalmente %ue el ujo de molecular (diusión) de una especie en un medio en reposo a temperatura y presión contante es proporcional al gradiente de concentración. ara un sistema en el ujo de masa total (n) es nulo (012), ic/ determinó, para el ujo de diusión de - en #, %ue3 n A =− D AB ∙ ∇ ρ A
4onde
D AB es el coefciente de diusión de la me5cla binaria
6ás tarde se denominó como la Ley de difusión de Fick , %ue establece %ue la “razón de difusión de masa,
m ´ dif
, de una especie A en un medio en reposo
es proporcional al gradiente de la concentración
∇ ρ A
en esa dirección” .
7root (8+), propuso una relación mas general del ujo %ue no esta restringido a sistemas isot$rmico isobáricos. 4eterminando %ue3 Flujo=−( densidadtotal ) ∙ ( coeficiente de difusión ) ∙ ( gradientedeconcentración ) 9
A =−c ∙ D AB ∙
d ! A d"
"omo la concentración total, c es contante bajo condiciones isot$rmicas e isobáricas, una epresión e%uivalente, %ue corresponde a
j A , z
, %ue es el
ujo de masa en dirección de 5, relativo a la velocidad promedio de la masa, es3
j A , z=− ρ∙ D AB ∙
4onde.
d # A d"
d # A d" es el gradiente de concentración en unción de la racción de
masa. "uando la densidad es contante, esta relación se simplifca, %uedando así3
j A , z=− D AB ∙
d ρ A ( 1) d"
n un sistema binario con velocidad media constante en dirección de 5, el ujo molar en la dirección de 5, relativo a la velocidad molar media se puede epresar tambi$n se epresar de la manera siguiente3
j A , z=C A ∙ ( v A , z −$ z ) ( 2 ) :i se igualan las epresiones y ;, se obtiene3
j A , z=− D AB ∙
d ρ A =c A ∙ ( v A , z −$ z ) d"
4e lo cual nos %ueda3
c A ∙ v A , z =− D AB ∙
d ρ A + c A ∙ $ z ( 3 ) d"
:e puede evaluar
$ z
para este sistema binario por medio de ecuación de la
velocidad promedio o medida de la masa o molar, en la orma3 1
$ z = ∙ ( c A ∙ v A , z− c B ∙ v B , z ) ( 4 ) c -l sustituir esta epresión (<) en la relación %ue se tiene (=), se obtiene3
c A ∙ v A , z =− D AB ∙
d ρ A c A ∙ ( c ∙ v −c ∙ v ) + d" c A A , z B B , z
De"%&&ines Le' Fi& , establece %ue la ra5ón de diusión de masa,
m ´ dif , de una especie -
en un medio en reposo, en la dirección 5, es proporcional al gradiente de la concentración
d C A
´ A , dif =− D AB ∙ A ∙ m
d%
en esa dirección.
d ρ A d ρ A ∴ =− D AB ∙ dz dz A
V= 0 (sistema en reps! Baja concentración de Sal VA V"i#$A
Alta concentración de Sal
igura >? , !ranserencia de masa por diusión de una especie - en dirección de @, en #. n principio esta ley se Aa limita a considerar a la diusión en un medio en reposo (012)' por ende, el &nico movimiento %ue interviene es el de infltración de las mol$culas en la dirección de la concentración decreciente y no se tuvo movimiento de la me5cla como un todo, ver fgura >? , >o obstante, la velocidad de una especie (0 -) es sencillamente la velocidad de diusión, la cual, es la velocidad promedio de un grupo de mol$culas( difusión molecular, V dif ) , en ese lugar, movi$ndose por la inuencia del gradiente de concentración.
:i consideramos %ue el sistema no se encuentra en reposos, es decir, %ue el velocidad de una especie (0 -) es igual a la suma de la velocidad del ujo de masa por movimiento molecular (difusión molecular, V dif ) y por el movimiento ayudado por la características dinámicas del sistema ( convección, V ).
$ A =$ + $ dif Bgualmente se podría epresar de la manera siguiente3
A ∙ ρ A ∙ $ A = A ∙ ρ A ∙$ + A ∙ ρ A ∙$ dif 4onde ρ A = Densidad de A
A = readela secció n transversal NOTA: l gasto de masa en cual%uier sección del ujo se epresa como m ´ = ρ ∙ A ∙ $ , la relación de conservación de la masa para el ujo en una me5cla %ue comprende las dos especies - y #, puede epresarse como3
m ´ =m ´ A + m ´B o
ρ ∙ A ∙ $ = ρ A ∙ A∙$ A + ρB ∙ A ∙ $ B 6odelo generali5ado n
n
´ =∑ m ´ i =∑ ρ i ∙ A ∙ $ i m i =0
i =0
4e lo cual se obtiene %ue3
ρ ∙ A ∙ $ A + ρB ∙ A ∙ $ B ρ A ∙ $ A + ρ B ∙$ B $ = A = ρ ∙ A ρ or lo tanto3 A ∙ ρ A ∙ $ A = A ∙ ρ A ∙
( ρ A ∙ $ A + ρ B ∙ $ B ) ρ
+ A ∙ ρ A ∙ $ dif
A ∙ ρ A ∙ $ A =' A ∙ ( A ∙ ρ A ∙ $ A + A ∙ ρB ∙$ B ) + A ∙ ρ A ∙$ dif m m A + m´ B ) + m ´ A= ' A ∙ ( ´ ´ A , dif :i se aplica la Ley de de ic/ de diusión, pueden epresarse los ujos totales
m ´ j = de masa, A , como
j A =' A ∙ ( j A + jB )− D AB ∙ ρ ∙
d ' A ρ A d ρ ∙ ( j A + j B ) − D AB ∙ A = dz ρ dz
presión del ujo molar.
( A = " A ∙ ( ( A + ( B ) − D AB ∙ C ∙
d " A C A d C ∙ ( ( A + ( B )− D AB ∙ A = dz C dz
Di#%si)n m*e&%*ar en esta" esta&inari en +%, *aminar"onsiderando un sistema en estado estacionario donde de una especie - se diunde en el sentido 5 &nicamente, N A y NB, son constantes, y se considera %ue l coefciente de diusión es constante, entonces de la ecuaciones anteriores se tiene %ue3
( A =
C A d C d C ∙ ( ( A + ( B ) − D AB ∙ A ⟹ C ∙ ( A =C A ∙ ( ( A + ( B ) −C ∙ D AB ∙ A C dz dz
C ∙ D AB ∙
d C A =C A ∙ ( ( A + ( B ) −C ∙ ( A ⟹ C ∙ D AB ∙ d C A =( C A ∙ ( ( A + ( B ) −C ∙ ( A ) ∙ dz dz
C A , 1
∫ C A , 0
%
d C A
( C ∙ ( ( + ( ) −C ∙ ( ) A
A
B
=∫ 0
A
dz C ∙ D AB
-plicando el cambio de variable
u=( C A ∙ ( ( A + ( B ) −C ∙ ( A ) ∴ d C A = 1
( ( A + ( B )
( A =
(
∙ ln
du ( ( A + ( B )
C A , 1 ∙ ( ( A + ( B )−C ∙ ( A C A , 0 ∙ ( ( A + ( B )−C ∙ ( A
)
=
% C ∙ D AB
(
C A , 1 ∙ ( ( A + ( B )−C ∙ ( A ( A C ∙ D AB ∙ ∙ ln C A , 0 ∙ ( ( A + ( B )−C ∙ ( A ( ( A + ( B ) %
)
Di#%si)n en esta" esta&inari "e A a tra./s "e* "i#%n"ente :i # no se diunde entonces NB!, por lo tanto ( A =
( A =
( A
( ( A +0 ) C ∙ D AB %
∙
(
)
(
C A , 1 ∙ ( ( A + 0 ) −C ∙ ( A ( A C ∙ D AB C ∙ D AB ( C A , 1−C ) ∙ ( A = ∙ ln ∙ ∙ ln % % C A , 0 ∙ ( ( A + 0 ) −C ∙ ( A ( A ( C A , 0−C ) ∙ ( A
∙ ln
(
C −C A , 1 C −C A , 0
)
)
uesto
C − C A =C B
%ue
C B , 1−C B , 0=−( C A , 1−C A , 0 ) ∴
y
C A , 0−C A , 1 =1 C B ,1 −C B , 0
entonces3 C ∙ D AB C A , 0−C A , 1 C B , 1 C ∙ D AB C A , 0−C A , 1 = ( A= ( A = ∙ ∙ ln ∙ % C B , 1−C B , 0 C B , 0 % C B , m
( )
4onde C B ,m =
C B , 1−C B , 0 ln
( ) C B , 1 C B , 0
Cntra"i#%si)n e1%im*ar en esta" esta&inari ( A =
( B = ( A + ( B=
C A C
C A C
∙ ( ( A + ( B ) − D AB ∙
(
C A C
+
dz
C B d C B ∙ ( ( A + ( B )− DBA ∙ C dz
∙ ( ( A + ( B )− D AB ∙
( A + ( B=
d C A
C B C
)
d C A dz
+
C
∙ ( ( A + ( B ) − DBA ∙
∙ ( ( A + ( B ) − D AB ∙
( A + ( B=( 1 ) ∙ ( ( A + ( B )− D AB ∙ 0 =− D AB ∙
D AB ∙
C B
d C A
d C A dz
dz
− D BA ∙
− DBA ∙
d C B dz
d C B dz
d C B dz
d C A d C B − D BA ∙ dz dz
d C A d C B =− D BA ∙ dz dz ( A =− ( B
Di#%si)n en esta" esta&inari en me2&*as m%*ti&mpnentes
D A , m=
1 − ! A n
! i ∑ D i =B A ,i
3- Di#%si)n m*e&%*ar en 4ases :uponiendo comportamiento ideal
)∙ $ = n ∙ * ∙ T ∴
n ) = =C $ * ∙ T
Di#%si)n m*e&%*ar en 4ases en esta" esta&inari en +%, *aminar ) A , 1 ∙ ( ( A + ( B )− )t ∙ ( A ( A D ∙ ) ( A = ∙ AB t ∙ ln ( ( A + ( B ) % ∙ * ∙ T ) A , 0 ∙ ( ( A + ( B )− ) t ∙ ( A
(
)
Di#%si)n en esta" esta&inari "e a tra./s "e* "i#%n"ente -
( )
D AB ∙ ) t ) A , 1− ) A , 0 ) B , 1 D AB ∙ )t ) A , 0− ) A , 1 = ( A= ( A = ∙ ∙ ln ∙ ´ B ,m % ∙ * ∙ T )B , 1− ) B ,0 ) B , 0 %∙*∙T ) 4onde ´ ) B , m=
)B , 1− )B , 0 ) B, 0− )B, 1 ln
=
( ) ( ) ) B, 1 ) B, 0
ln
) B , 0 ) B , 1
Cntra"i#%si)n e1%im*ar en esta" esta&inari 3 lo cual implica %ue ( B =− ( A , por lo cual la siguiente ecuación se simplif%ue de3
( A = " A ∙ ( ( A + ( B ) − D AB ∙ C ∙
d " A dz
-
( A =− D AB ∙ C ∙
d " A d C A =− D AB ∙ dz dz
:abiendo %ue la concentración se debe escribir en unción de la presión por la naturale5a gaseosa de la ase se tiene %ue3 n A ) A d) A C A = = ∴ d C A = $ * ∙T * ∙ T :ustituyendo esta epresión en la %ue la antecede se tiene %ue
( A =
− D AB
d) A − D AB ∙ d) A ∴ ( A ∙ dz = * ∙ T dz * ∙T ∙
Bntegrando se obtiene3 %
) A 1
∫ ( A ∙ dz= ∫ 0
) A 0
− D AB − D AB ∙ d) A ∴ ( A ∙ % = ∙ ( ) A 1− ) A 1 ) * ∙T * ∙ T
inalmente se obtiene %ue − D AB ( A = ∙ ( ) − ) A 0 ) * ∙ T ∙ % A 1
5- Di#%si)n m*e&%*ar en *i1%i" Di#%si)n m*e&%*ar en *i1%i" en esta" esta&inari en +%, *aminarC A , 1 ∙ ( ( A + ( B )−C ∙ ( A ( A C ∙ D AB ( A = ∙ ∙ ln C A , 0 ∙ ( ( A + ( B )−C ∙ ( A ( ( A + ( B ) %
(
)
Di#%si)n en esta" esta&inari "e A$ a tra./s "e* "i#%n"ente ρ ∙ D AB C A , 1 −C A ,0 C C ∙ D AB C A , 0− C A ,1 ( A = ∙ ∙ ln B , 1 = ( A = ∙ % C B , 1 −C B , 0 C B , 0 % C B , m
( )
4onde
C B ,m =
C B , 1−C B , 0 C B , 1 ln C B , 0
( )
COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MASA l mecanismo del proceso de ujo en %ue intervienen los movimientos de los remolinos en la región turbulenta no se Aa entendido completamente. :ucede lo contrario con el mecanismo de la diusión molecular, al menos para gases, el cual se conoce bastante bien, puesto %ue puede describirse en unción de una teoría cin$tica %ue proporciona resultados %ue están de acuerdo con los eperimentales. or lo tanto, es natural %ue la rapide5 de la transerencia de masa a trav$s de varias regiones desde la superfcie Aasta la 5ona turbulenta, se trate de describir de la misma orma en %ue, por ser adecuados, se describió la diusión molecular.
!abla >? . !abla comparativa entre la diusión molecular y convección en la ase gaseosa. 4iusión molecular "onvección D AB ∙ ) t ) A , 0− ) A , 1 ( A = ∙ ´ B ,m %∙*∙T )
( A =k + ∙ ( ) A , 0− ) A , 1 )
:i observamos las epresiones descritas en la tabla >? de diusión y convección en la ase gaseosa, se podría deducir %ue3 +=
D A B ∙ )t
∙
1
´ B ,m % ∙ * ∙ T )
4onde
´ ) B,m
se puede de fnir como la d ierencia de presión media
logarítmica, siendo este parámetro independiente del tipo de transerencia de masa (diusión molecular o convección). or tanto el t$rmino
D AB ∙ )t / % ∙ * ∙ T , orma generali5ada D AB ∙ c / z , es característica
de la diusión molecular en la ase gaseosa, se reempla5a por F, un coefciente de transerencia de masa. "uando la diusión cambia de molecular con un comportamiento laminar a turbulenta, los coefciente de transerencia de masa ( F), deben ser evaluados a trav$s de correlaciones con n&meros adimensionales, %ue incorporen el enómeno del transporte del sistema. 4iusión molecular
"onvección
D ∙ ) F = AB t % ∙*∙ T
F =f ( ℜ ,(u,-c,-h,)e,-t )
s posible %ue no sea plana la superfcie a trav$s de la cual sucede la transerencia de masa' si así sucede, la trayectoria de diusión en el uido puede tener una sección transversal variable' en ese caso, > se defne como el u en la interase de la ase, en donde la sustancia abandona o entra a la ase para la cual el coefciente de transerencia de masa es . >- es positiva cuando " - está en el principio de la trayectoria de transerencia y " -; en el fnal. 4e cual%uier orma, una de estas concentraciones se encontrará en el límite de la ase. La orma en %ue se defna la concentración de - en el uido modifcará el valor de ' generalmente se establece de orma arbitraria. :i la transerencia de masa ocurre entre un límite de ase y una gran cantidad de uido no limitado, como cuando una gota de agua se va evaporando al mismo
tiempo %ue va cayendo a trav$s de un gran volumen de aire, la concentración de la sustancia %ue se diunde en el uido se toma generalmente como el valor constante %ue se encuentra a grandes distancias del límite de la ase.
TRANSFERENCIA DE MASA DE MASA ENTRE FASE . Casta aAora si Aa estudiado la diusión en una sola ase, sin embargo, se sabe %ue las operaciones unitarias se referen a la transerencia de masa de una ase a otra. or lo tanto, supóngase un compuesto A %ue se diunde desde la ase gaseosa a una ase li%uida, a trav$s de un área de separación de ambas ases, denominada área interacial.
igura >? , erfl de variación de la concentración del agua. - medida %ue A, llegue a dicAa área y se diunde en el li%uido la concentración de - se incrementa en el li%uido Aasta generar una diusión en sentido contrario, la cual despu$s de un cierto tiempo t, tendrá una velocidad contante y e%uivalente a la primera, roduci$ndose una velocidad neta de diusión igual a cero, es decir, un e%uilibrio dinámico.
E1%i*i6ri:eg&n lo epuesto anteriormente pude entonces ilustrarse la condición del e%uilibrio, mediante representación grafca de la cantidad de - en cada ase para unas condiciones de presión y temperatura del sistema.
Di#%si)n inter#a&ia* "omo uer5a motri5 del proceso de transerencia de masa interacial esta relacionada con el alejamiento del e%uilibrio, en cada ase' se integra el estudio de la diusión de las dos ases, a trav$s de un área de contacto o área interacial, donde las concentraciones interaciales son las concentraciones de e%uilibrio, las cuales se eval&an a trav$s de la teoría de doble resistencia. 4icAa teoría involucra el estudio de la transerencia el estudio de la transerencia de masa de un componente - de una ase a otra, a la resistencia %ue orece cada una a la diusión integrada con las condiciones de e%uilibrio, mediante el siguiente análisis.
7rafco >? ;. 4iagrama del concepto de la doble resistencia (i5%uierda) y el grafco del alejamiento de las concentraciones de las ases totales del e%uilibrio (derecAa) 4el grafco del alejamiento de las concentraciones de las ases totales del e%uilibrio se puede obtener %ue, la ecuación de la pendiente sea3
)endiente= m1=
. ! ! A , +− ! A ,i = . " / A , 0− / A , i
:in embargo, para la transerencia de masa en estado estacionario, la rapide5 con la cual - alcan5a la interase del gas debe ser igual a a%u$lla con la cual se diunde en el lí%uido, de tal orma %ue no Aaya acumulación o agotamiento de - en la interase. or lo tanto, el de ujo de diusión de - se puede escribir en unción de los coefcientes de transerencia de masa respecto de cada ase y de los cambios de
concentración apropiados para cada una. or lo tanto, cuando k " y k y son los coefcientes aplicables en orma local.
( A =k " ∙ ( / A ,i − / A , 0) =k ! ∙ ( ! A , +− ! A ,i ) inalmente %uedando %ue3
( A ! − ! k −k )endiente= m1= A , + A ,i = ! = " / A , 0− / A , i − ( A k ! k " sta pendiente permite evaluar los coefcientes en cada ase, en unción de las composiciones interaciales, las cuales son diíciles de medir, por lo %ue se re%uiere usar unas composiciones fcticias en el e%uilibrio, a trav$s de los coefciente globales, lo cuales estudian la transerencia de masa en unción una sola ase.
3- Fase 4asesa:
7rafco >? =. 7rafco del alejamiento de las concentraciones de las ases totales del e%uilibrio. n el grafco >? =, se puede observar %ue la recta de operación
( )1 )
defnida tiene esa dirección para indicar la transerencia del
gas al lí%uido. "omo eperimentalmente, es diícil evaluar la concentración interaciales, se plantea un artifcio matemático %ue elimine dicAa concentración en la ecuación de la recta de operación.
! A ,i − ! A¿ ¿ m 2= ∴ ! A , i− ! A = m 2 ∙ ( / A ,i − / A , 0 ) / A , i− / A , 0 ¿
ntendi$ndose por
! A
como la mínima concentración de - en el
¿ / A gas y como la máima concentración de - en el lí%uido.
ara llevar acabo la simplifcación de la concentración interaciales, se puede establecer %ue3 ¿
¿
! A , +− ! A =( ! A , + − ! A ,i ) + ( ! A , i− ! A )
4e ambas epresiones se obtiene %ue3
! A , +− ! A¿ =( ! A ,+ − ! A ,i ) + m2 ∙ ( / A , i− / A , 0 ) or otro lado, se sabe %ue
( A =k " ∙ ( / A ,i − / A , 0) =k ! ∙ ( ! A , +− ! A ,i )= ! ∙ ( ! A ,+ − ! A¿ ) or lo tanto, de las dos <imas epresiones se obtiene %ue3
( A ( A m 2 ∙ ( A ( A ( A m2 ∙ ( A o = + = + ! k ! k " + k + k 0 inalmente 1
!
=
1
k !
+
m2 1 m2 1 o = + k " + k + k 0
1
donde : esla resistencia encada fase k l análisis de las ecuaciones %ue rigen la teoría de doble resistencia, radica en evaluar la máima resistencia a la transerencia de masa de cada uno de los caso, es decir, %ue si la resistencia a la transerencia de masa ocurre en la ase gaseosa solamente, por lo cual, se tiene %ue m;
es pe%ueDa entonces el termino
m 2 / k " 2 0 , por lo cual,
! = k ! 4icAa teoría de la doble resistencia, es aplicada al coefciente al coefciente local
F = D AB / % , para casos de soluciones no diluidas, o
de alta concentración (0er paginas ;E, ;F, !reybal)
5- Fase Li1%i"a:
7rafco >? <. 7rafco del alejamiento de las concentraciones de las ases totales del e%uilibrio. 4el grafco se puede deducir %ue3
/ A¿ − / A , 0= ( / A¿ − / A ,i ) + ( / A , i− / A , 0 ) -demás de3
m 3=
! A ,+ − ! A ,i ! A , +− ! A ,i ¿ / / ∴ − = A A ,i / A¿ − / A ,i m3
4e ambas epresiones se obtiene %ue3
/ A¿ − / A , 0=
(
! A , +− ! A ,i m3
)(
+ / A ,i − / A ,0 )
or otro lado, se sabe %ue
( A = " ∙ ( / A¿ − / A ,0 )= k " ∙ ( / A¿ − / A ,i )= k ! ∙ ( ! A ,+ − ! A , i ) or lo tanto, de las dos <imas epresiones se obtiene %ue3 ( A "
=
( A m3 ∙ k !
inalmente
+
( A k "
1
"
=
1
+
1
m3 ∙ k ! k "
:i la resistencia a la transerencia de masa ocurre en la ase lí%uida solamente, por lo cual, se tiene %ue m= es muy grande entonces el termino
1 / m3 ∙ k " 2 0
, por lo cual,
" = k "