Diagrama de Flujo

 

OPERACIONES DE TRASNFERENCIA DE MASA  

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INDICE  I. 

MARCO TEÓRICO ............................................................................ 4  1.1.  OPERACIONES DE TRANSFERENCIA TRANSFERENCIA DE MASA ......... ................... ............ 4  1.1.1.  CLASIFICACIÓN

DE

LAS

OPERACIONES

DE  

TRANSFERENCIA DE MASA ......................................................... 4 1.1.1.1. OPERACIONES GAS - LÍQUIDO ......... .................. ................... ................. ....... 4  1.1.1.2. OPERACIONES LÍQUIDO-LÍQUIDO ......... .................. .................. ............ ... 6  1.1.1.3. OPERACIONES SÓLIDO-FLUIDO........ .................. ................... ............... ...... 7  1.1.1.4. SEPARACIÓN CON MEMBRANAS MEMBRANAS .......... ................... .................. ........... 11  1.2.  EQUILIBRIO DE FASES ........................................................... 12  1.2.1.  REGLA DE FASES ............................................................. 12  1.2.1.1. SISTEMAS NO REACTIVOS ....................................... 12  1.2.1.2. SISTEMAS REACTIVOS......... ................... ................... .................. .................. ......... 12  Bibliografía ..................................................... Error! Bookmark not defined. 

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I. 1.1.

MARCO TEÓRICO

OPERACIONES DE TRANSFERENCI TRANSFERENCIA A DE MASA Una parte importante de las operaciones unitarias en Ingeniería química

está relacionada con el problema de modificar la composición de soluciones y mezclas mediante métodos que no impliquen, necesariamente, reacciones químicas. Por lo común estas operaciones se encaminan a separar las partes componentes de una sustancia. En el caso de mezclas, las separaciones pueden ser totalmente mecánicas, como la filtración de un sólido a partir de una suspensión en un líquido, la clasificación de un sólido por tamaño de partícula mediante cribado o la separación de partículas en un sólido basándose en su densidad. Por otra parte, si las operaciones cambian la composición de soluciones, entonces se conocen como operaciones de transferencia de masa. (Treybal, 1980)

1.1.1. CLASIFIC CLASIFICACIÓN ACIÓN DE LAS OPERACIONES DE TRANSFERENCI TRANSFERENCIA A DE MASA 1.1.1.1.

OPERACIONES GAS - LÍQUIDO

Todas las operaciones en que ocurre la humidificación y des humidificación, absorción y deserción de gases y destilación en sus diversas formas, tienen en común la necesidad de que una fase líquida y una gaseosa se pongan en contacto con el fin de que exista un intercambio difusivo entre ellas. El orden en que se acaban de listar las operaciones es, en muchos aspectos, el orden de menor a mayor complejidad; por lo tanto, es el orden en que se van a considerar las operaciones. Puesto que en la humidificación el líquido es una sustancia pura, existen gradientes de concentración y la difusión de la materia ocurre sólo dentro de la fase gaseosa. En la absorción, existen gradientes de concentración tanto en el líquido como en el gas, y la difusión, por lo menos de un componente, ocurre en las dos fases. En la destilación, se difunden todas las sustancias comprendidas en las fases. Estas operaciones también se caracterizan por una relación especialmente íntima entre la transferencia de calor y la de masa. La evaporación o condensación de una sustancia llevan a considerar los calores latentes de evaporación y, algunas veces, también los calores de solución. En la destilación, la nueva fase necesaria para la separación por transferencia de masa se crea a partir de la

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fase original, por medio de la adición o eliminación de calor. En este análisis es necesario considerar considerar estas importantes cantidades de calor y sus efectos.

A. HUMIDIFICACIÓN Es la transferencia de masa interfacial y de energía, que resulta cuando un gas se pone en contacto con un líquido puro, en el cual es prácticamente insoluble. Cuando el gas es aire puro y el líquido es agua pura, el e l proceso se llama humidificación. La deshumidificación significa extracción de vapor de agua del aire. La materia transferida entre las fases es la sustancia que forma la fase líquida, que o bien se evapora o bien se condensa. Como en todos los problemas de transferencia de masa, para lograr una comprensión total de las operaciones es necesario familiarizarse con las características en el equilibrio de los sistemas. Sin embargo, puesto que la transferencia de masa en estos casos estará acompañada, invariablemente, de una transferencia simultanea de energía calorífica, también deben considerarse las características de entalpía de los sistemas. (Geankoplis, 1998)

B. ABSORCIÓN DE GASES La absorción de gases es una operación en la cual una mezcla gaseosa se pone en contacto con un líquido, a fin de disolver de manera selectiva uno o más componentes del gas y de obtener una solución de éstos en el líquido. Por ejemplo, es la absorción de amoniaco A del aire B por medio de agua líquida C. En general, la solución amoniaco-agua que sale se destila para obtener amoniaco relativamente puro. Otro ejemplo es la absorción de SO2 de gases de combustión en soluciones alcalinas. En la hidrogenación de aceites comestibles en la industria alimenticia, se hace burbujear hidrógeno gaseoso en el aceite para absorberlo en el mismo; entonces, el hidrógeno en solución reacciona con el aceite en presencia de un catalizador. Al proceso inverso de la absorción se le llama empobrecimiento o desorción, ya él se aplican las mismas teorías y principios básicos. Un ejemplo es la desorción con vapor de aceites no volátiles, en la cual el vapor se pone en contacto con el aceite y

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pequeñas cantidades de componentes volátiles del mismo pasan a la corriente de vapor

C. DESTILACIÓN  Consiste en la separación de mezclas líquidas homogéneas mediante el múltiple intercambio de los componentes entre las fases f ases líquida y gaseosa. En esta operación los componentes pesados de la fase gaseosa pasan a la fase líquida, mientras que los componentes más ligeros de la fase líquida pasan a la fase gaseosa, es decir, que para este caso existirá una doble transferenci transferencia a de masa entre las fases líquida y gaseosa. En condicion condiciones es ideales para estas operaciones se aplica la ley de Raoult.  Cuando se separa una solución de sal común en agua, el agua puede evaporarse completamente de la solución sin eliminar la sal, puesto que esta última, para todos los fines prácticos, casi no es volátil en las condiciones predominantes. 1.1.1.2.

OPERACIONES LÍQUIDO-LÍQUIDO

La única operación en esta categoría, la extracci6n líquida, es básicamente muy similar a las operaciones de contacto gas-líquido que se describieron en la parte anterior. La creación de una nueva fase líquida insoluble por adición de un solvente a una mezcla, obtiene en muchos aspectos el mismo resultado que la creación de una nueva fase mediante la adición de calor en la operación de destilación, por ejemplo, o por la adición de un gas en las operaciones de deserción. Tanto las separaciones producidas por una única etapa, como el uso de las cascadas a contracorriente y el reflujo para aumentar la separación, tienen su homólogo en la extracción líquida. Dicha similitud se utilizará para explicar qué puede conseguirse con la extracción líquida

A. EXTRACCIÓN LIQUIDO La extracción líquida, llamada algunas veces extracci6n con disolventes, es la separación de los componentes de una solución líquida por contacto con otro líquido insoluble. Si las sustancias que componen la solución original se distribuyen de manera distinta entre las dos fases líquidas, se puede lograr cierto grado de separación, que puede incrementarse mediante el uso de contactos múltiples o su equivalente en la forma de la absorción de gases y la destilación. Un ejemplo sencillo indicará el propósito de la operaci6n y 6

 

algunas de sus características. Si una solución de ácido acético en agua se agita con un líquido como acetato de etilo, parte del ácido, pero relativamente poca agua, entrará en la fase éster. Puesto que las densidades de la capa acuosa y la del éster son diferentes en el equilibrio, se separarán al cesar la agitación; también se pueden separar por decantación. Puesto que ahora la relación de ácido a agua en la capa del éster es diferente de la relación de la solución original y distinta también de la relación de la solución acuosa residual, se ha logrado cierto grado de separación. Este es un ejemplo de contacto por etapas; puede llevarse a cabo en lotes o en forma continua. El agua residual puede extraerse repetidamente con más éster para reducir más aún el contenido de ácido, o se puede arreglar una cascada a contracorriente de etapas. Otra posibilidad es utilizar algún tipo de aparato de contacto continuo a contracorriente, en donde no se tienen etapas discretas. La utilizaci6n del reflujo, como en la destilación, puede mejorar más aún la separación final. En todas las operaciones de este tipo, la solución que se va a extraer se llama alimentación y disolvente el líquido con el cual se pone en contacto la alimentación.. El producto de la operación rico en disolvente se llama extracto; alimentación el líquido residual de donde se separó el soluto es el refinado. (Geankoplis, 1998) 1.1.1.3.

OPERACIONES SÓLIDO-FLUIDO

Las operaciones de transferencia de masa en esta categoría son adsorción-desorción, secado y lixiviación. La adsorción comprende el contacto de sólidos con líquidos o gases y la transferencia de masa en la dirección fluido a sólido. La transferencia de masa se efectúa en dirección opuesta con respecto a su operación compañera, la desorci6n; la combinación es análoga a la absorción-desorción de gases. El secado abarca el contacto gas-liquido, la lixiviaci6n el contacto líquido-sólido; en cada caso, ocurre la transferencia de masa en la dirección sólido a fluido; f luido; por tanto, se trata de casos especiales de la deserción. Al menos te6ricamente, los mismos aparatos y equipo usados en la adsorción para contacto gas-liquido o liquido-sólido, pueden utilizarse también en las operaciones correspondientes de secado y lixiviación. Sin embargo, en la práctica se encuentran tipos especiales de aparatos en estas tres categorías. Probablemente, este resultado se deba a que durante muchos años las aplicaciones prácticas de estas operaciones se desarrollaron sin comprender que básicamente son muy similares. Por ejemplo, considerable 7

 

ingenio se ha aplicado al desarrollo de equipo para las operaciones continuas gas-sólido de adsorción, pero poca ha sido la aplicación de los resultados al problema de secado. Se han inventado muchos aparatos para la lixiviación continua de sólidos en líquidos, pero se han aplicado muy poco a los problemas prácticos de adsorción de líquidos. No se han inventado todavía aparatos ideales. No obstante, es razonable prever una reducción en el número de diferentes equipos y mayor inter aplicación entre las tres operaciones al irse resolviendo los problemas sobre el manejo de sólidos.

A. ADSORCIÓN E INTERCAMBIO IÓNICO Las operaciones de adsorción explotan la capacidad especial de ciertos sólidos para hacer que sustancias específicas de una solución se concentren en la superficie de la misma. De esta forma, pueden separarse unos de otros los componentes de soluciones gaseosas o líquidas. Unos cuantos ejemplos indicarán la naturaleza general posible de las separaciones y al mismo tiempo la gran variedad de aplicaciones prácticas. En el campo de las separaciones gaseosas, la adsorción se utiliza para deshumidificar aire y otros gases, para eliminar olores e impurezas desagradables de gases industriales como dióxido de carbono, para recuperar vapores valiosos de disolvente a partir de mezclas diluidas con aire y otros gases y para fraccionar mezclas de gases de hidrocarburos que contienen sustancias como metano, etileno, etano, propileno y propano. Las separaciones típicas de líquidos incluyen la eliminación de humedad disuelta en gasolina, decoloración de productos de petróleo y soluciones acuosas de azúcar, eliminación de sabor y olor desagradables del agua y el fraccionamiento de mezclas de hidrocarburos aromáticos y parafínicos. (Dorfner, 1972) A.1. Adsorción Física o de “Van der Waals” 

Fenómeno finalmente reversible, es el resultado de las fuerzas intermoleculares de atracción entre las moléculas del sólido y la sustancia adsorbida. Por ejemplo, cuando las fuerzas atractivas intermoleculares entre un sólido y un gas son mayores que las existentes entre moléculas del gas mismo, el gas se condensará sobre la superficie del sólido, aunque su presión sea menor que la presión de vapor que corresponde a la temperatura predominante. Cuando ocurra esta condensación, se desprender& cierta cantidad de calor, que generalmente será algo mayor que el calor latente de 8

 

evaporación y parecida al calor de sublimación del gas. La sustancia adsorbida no penetra dentro de la red cristalina ni se disuelve en ella, sino que permanece totalmente sobre la superficie. Sin embargo, si el sólido es muy poroso y contiene muchos pequeños capilares, la sustancia adsorbida penetrar& en estos intersticios si es que la sustancia humedece al sólido. La presión de vapor en el equilibrio de una superficie líquida, cóncava y de radio de curvatura muy pequeño, es menor que la presión de una gran superficie plana; la extensión de la adsorción aumenta por consecuencia. En cualquier caso, la presión parcial de la sustancia adsorbida es igual, en el equilibrio, a la presión de la fase gaseosa en contacto; disminuyendo la presión de la fase gaseosa o aumentando la temperatura, el gas adsorbido se elimina fácilmente o se desorbe en forma invariabl invariable. e. Las operacione operacioness industriales de adsorción, del tipo que se va a considerar, dependen de su reversibilidad para recuperar el adsorbente (que se vuelve a utilizar), para la recuperación de la sustancia adsorbida o para el fraccionamie fraccionamiento nto de mezclas. La adsorción reversible no se concreta a los gases, también se observa en el caso de líquidos

A.2. Adsorción química Es el resultado de la interacción química entre el sólido y la sustancia adsorbida. La fuerza de la unión química puede variar considerablemente y puede suceder que no se formen compuestos: químicos en el sentido usual; empero, la fuerza de adhesión es generalmente mucho mayor que la observada en la adsorción física. El calor liberado durante adsorción química es comúnmente grande, es parecido al calor de una reacción química. El proceso frecuentemente es irreversible; en la desorción, de ordinario se descubre que la sustancia original ha sufrido un cambio químico. La misma sustancia, que, en condiciones de baja temperatura, sufrir8 esencialmente sólo la adsorción física sobre un s6lido, algunas veces exhibe adsorción química a temperaturas más elevadas; además, los dos fenómenos pueden ocurrir al mismo tiempo. La adsorción química es de particular importancia en la catálisis, pero no se va a considerar aquí. 

B. SECADO Por lo general, el término secado se refiere a la eliminaci6n de humedad en una sustancia. Se aplica tan fácil e incongruentemente que es necesario restringir su significado en el análisis presente del tema. Por ejemplo, un sólido 9

 

húmedo, como madera, tela o papel, puede secarse por evaporaci6n de la humedad ya sea en una corriente de gas o sin el beneficio del gas para acarrear el vapor; sin embargo, generalmente no se considera como secado la eliminación mecánica de esta humedad mediante el exprimido o centrifugado. Una solución puede “secarse” esparciéndola en forma de pequeñas gotas en un gas caliente y seco, lo que provoca la evaporación del líquido; empero, la evaporación de la solución mediante ebullición en ausencia de un gas para arrastrar la humedad por lo común se considera una operación de secado. Cualquier contenido pequen0 de agua presente en un líquido como benceno, puede “secarse” mediante una operación que en realidad es una destilación; no obstante, la eliminaci6n de una pequeña cantidad de acetona mediante el mismo proceso, de ordinario no se llama secado. Los gases y líquidos que contienen pequeñas cantidades de agua pueden secarse mediante operaciones de adsorción como se expuso en el capítulo ll. Este análisis limitará principalmente a la eliminación de humedad de sólidos y líquidos por evaporaci6n evaporaci6 n en una corriente gaseosa. En la práctica, la humedad es con tanta frecuencia agua y el gas con tanta frecuencia aire que esta combinación proporcionará las bases para la mayor parte de este análisis. Sin embargo, es importante acentuar que el equipo, técnicas y relaciones son igualmente aplicabless a otros sistemas. (Harmathy, 1969)  aplicable

C. LIXIVIACIÓN La lixiviación es la disolución preferente de uno o más componentes de una mezcla sólida por contacto con un disolvente líquido. Esta operación unitaria, una de las más antiguas en la industria química, ha recibido muchos nombres, según la técnica más o menos compleja utilizada para llevarla a cabo. La colada se refería originalmente a la percolación del líquido a través de un lecho fijo del sólido, pero en la actualidad se utiliza para describir la operación en forma general, sin importar la forma en que se realice la lixiviación se utiliza con menos frecuencia como sinónimo para colada, aunque al principio se refería específicamente a la colada de álcali a partir de cenizas de madera. El término extracción también se emplea por lo común para describir esta operación particular, aunque también se aplica a todas las operaciones de separación, que utilicen métodos de transferencia de masa o mecánicos. La decocción se refiere específicamente al uso del disolvente a su temperatura de

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ebullición. Cuando el material soluble está sobre todo en la superficie de un sólido insoluble y simplemente se lava con el disolvente, la operación algunas veces recibe el nombre de elución. En este capítulo también se analizarán estas operaciones de lavado, puesto que frecuentemente se relacionan íntimamente con la lixiviación. Tal vez las industrias metalúrgicas son las que más utilizan las operaciones de lixiviación. La mayoría de los minerales útiles se encuentran en forma de mezclas, con grandes proporciones de componentes indeseables; por eso, la lixiviación del material valioso es un método de separación que se aplica con frecuencia. Por ejemplo, los minerales de cobre se disuelven preferentemente a partir de algunos de sus minerales por lixiviación con ácido sulfhídrico o soluciones amoniacales, y el oro se separa de sus minerales con la ayuda de soluciones de cianuro de sodio. En forma similar, la lixiviación juega un papel importante en el procesamiento metalúrgico de aluminio, cobalto, manganeso, níquel y zinc. (McCormick, 1973) 1.1.1.4. SEPARACIÓN CON MEMBRAN MEMBRANAS AS  Algunos procesos de separación involucra involucran n la tranferencia de masa a través de una membrana plásticas delgada. Aunque estas operaciones tienen relativamente poca aplicación, son promisorias para problemas especiales de separación. A teoría de separación por membranas aún no se desarrolla por completo, pero como primera aproximación, puede considerarse que es un efecto del tamaño molecular. Las moléculas más pequeñas pasan con mayor facilidad a través de los poros de una membrana. Como resultado, si se utiliza una fuerza motriz para “empujar” las moléculas a través de la membrana, las moléculas más pequeñas se separan selectivamente. Algunas moléculas mayores también pasan, por lo que la separación no es perfecta. La diálisis es un proceso de separación en el que a masa se trasfiere a través de una membrana por efecto de un gradiente de concentración que actúa como fuerza motriz. En su mayor aplicación industrial, que es la fabricación de rayón viscoso, el hidróxido de sodio se separa de una solución acuosa que también contiene hemicelulosa. La solución fluye por un lado de la membrana, mientras que por el otro fluye agua pura. La diferencia de concentraciones entre la solución y el agua pura, obliga al hidróxido de sodio a pasar a través de la membrana, pero la hemicelulosa se encuentra en suspensión coloidal en la solución y es demasiado grande para pasar a través

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de los poros de a membrana. La diálisis también es utilizada para recuperar ácido sulfúrico de aguas de desecho en las refinerías de cobre, así como en a purificación de sangre en riñones artificiales. (Foust, Wenzel, Clump, &  Andersen, 2006) 2006)

1.2.

EQUILIBRIO DE FASES Muchas de las operaciones industriales como, por ejemplo, la

extracción, absorción, destilación o la adsorción relación varias fases coexistiendo en equilibrio. El equilibrio es una condición estática en la que no ocurren cambios en las propiedades macroscópicas de un sistema con el tiempo, esto implica un balance de todos los potenciales que podrían causar un cambio. (UNEFN, 2005) Los equilibrios entre fases pueden corresponder a los más variados tipos de sistemas heterogéneos: un líquido en equilibrio con su vapor, una solución saturada en equilibrio con el soluto en exceso, dos líquidos parcialmente solubles el uno en el otro, dos sólidos totalmente solubles en equilibrio con su fase fundida, dos sólidos parcialmente solubles en equilibrio con un compuesto formado entre ellos, etc. El objetivo es describir completamente el sistema.

1.2.1. REGLA DE FASES 1.2.1.1.

SISTEMAS NO REACTIVOS  =  −  + 2 

(1)

Donde: C = Número de componentes del sistema P = Numero de fases presentes en el equilibrio  =

1.2.1.2.

Número de grados de libertad de sistema

SISTEMAS REACTIVOS  =  −  + 2 ±  

(2)

Donde: C = Número de componentes del sistema

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P = Numero de fases presentes en el equilibrio  =

Número de grados de libertad de sistema

r = Número de recciones

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II.

Referencias

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(2005).

Equilibrio

de

fases. 

Obtenido

de

https://termoapunefm.files.wordpre https://termoapune fm.files.wordpress.com/2011/10/te ss.com/2011/10/tema_iv.pdf ma_iv.pdf

III.

Bibliografía

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