capitulo 1 introduccion a la transferencia de masa

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Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas 1 INTRODUCCION A LA TRANSFERENCIA DE MASA Antonio Valiente Barderas

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Page 1: Capitulo 1 Introduccion a La Transferencia de Masa

Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

1

INTRODUCCION A LA TRANSFERENCIA DE MASA Antonio Valiente Barderas

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Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

2

Prologo

as operaciones de transferencia de masa son fundamentales para los ingenieros químicos, ya que todas las plantas químicas, petroquímicas, farmaceúticas y de productos alimenticios utilizan

procesos y aparatos que pueden definirse como intercambiadores de masa. Por ello, los estudiantes de la carrera de ingeniería química y

carreras afines deben llevar varios cursos de operaciones unitarias de transferencia de masa, cursos que suelen llevar los nombres de absorción, destilación, procesos de separación, ingeniería de la

separación, etc. En todos esos cursos se estudian los principios y las aplicaciones de la transferencia de masa. Este libro ha sido diseñado como curso introductorio a la transferencia

de masa y a las operaciones unitarias de transferencia de masa, para ello se dan las bases teóricas de la difusión y la transferencia por

convección ya sea en una sola o en dos fase. Además se indican los principios generales del diseño de los intercambiadores de masa y por último se ejemplifica el diseño mediante la aplicación a la operación

unitaria de absorción, de la que se indica el diseño de torres empacadas, de platos, la operación adiabática, la isotérmica y la operación con absorción de multicomponentes. En una obra próxima el

autor se aplicará al estudio de otras operaciones unitarias de transferencia de masa tales como la humidificación, las operaciones

aire- agua, el secado, la destilación y la extracción. En la obra se presenta la teoría necesaria para la comprensión de los conceptos utilizados y se incluyen problemas resueltos así como

problemas de aplicación. Estos problemas han sido resueltos mediante un método propuesto por el autor el cual ha enseñado durante varios

años y en varias obras. Los ejemplos numéricos se resuelven con el sistema de unidades SI o el MKS y en ocasiones se emplea el sistema inglés de unidades.

El libro puede utilizarse como libro de texto básico o como libro de consulta o de problemas para los cursos relacionados con la transferencia de masa. Es además útil para todos los profesionistas

que deseen recordar los principios o actualizarse en el estudio de la transferencia de masa.

Dr. Antonio Valiente Barderas Departamento de ingeniería Química. Facultad de Química

UNAM, C.U. México D.F.

México 2004

L

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Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

3

Curriculum Vitae resumido

Antonio Valiente Barderas nació en

Madrid , España en 1941. Al emigrar sus

padres lo trajeron a México en 1950.

Desde 1955 tiene la nacionalidad

mexicana. Es ingeniero químico egresado

de la Facultad de Química de la

Universidad nacional Autónoma de

México (UNAM) en 1965, casado y con

tres hijos.

Tiene la maestría en Ingeniería

Química del Tecnológico de Loughborough

en Inglaterra en 1970 y la maestría en

Administración Industrial de la Facultad

de Química de la UNAM en 1980. En 1997

obtuvo el doctorado de Ciencias en la

Facultad de Química de la UNAM y el

doctorado en Docencia en la Universidad

La Salle de México.

Es profesor universitario desde 1966

y profesor de tiempo completo en la

Facultad de Química de la UNAM desde

1971 en donde ha sido, entre otras cosas,

Jefe del laboratorio de Ing. Química y

Coordinador de la misma Carrera .

Ha impartido, además, clases de

ingeniería química en la Universidad

Ibero Americana, en la Universidad. La

Salle , la Universidad Simón Bolívar, la

Universidad Autónoma de Yucatán, la

Universidad Autónoma Del Carmen, la

Universidad Autónoma de Baja California

, la Universidad Autónoma de Veracruz en

Xalapa, la Universidad del Valle de México

y el Tecnológico de Monterrey Campus

Estado de México.

Es autor de 12 libros y 30 artículos

sobre la Ingeniería Química y ha dirigido

más de 80 tesis de licenciatura sobre esa

especialidad. Sus áreas de interés son las

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Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

4

Operaciones Unitarias y la Enseñanza de

la Ingeniería Química.

Actualmente trabaja en la Facultad de

Química de la UNAM, en donde es

profesor titular e investigador, tiempo

completo nivel C y tiene una antigüedad

de más de 35 años en la UNAM.

En 1998 La Sociedad Química de

México le otorgó el premio nacional

Andrés Manuel Del Río en docencia . En

2003 el Instituto mexicano de Ingenieros

Químicos (IMIQ) le otorgó el premio

Estanislao Ramírez por la excelencia en

la docencia de la Ingeniería química.

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Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

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Contenido Capitulo 1 Generalidades sobre transferencia de masa pág.5 Capitulo 2 Difusividad pág. 35 Capitulo 3 Transferencia de masa para fluidos

estacionarios y con flujo laminar Capitulo 4 Difusión a régimen transitorio Capitulo 5 Transferencia de masa por convección Capitulo 6 Transferencia de masa entre fases Capitulo 7 Intercambiadores de masa Capitulo 8 Absorción en torres empacadas Capitulo 9 Torres de absorción de platos Capitulo 10

Absorción multicomponente Capitulo 11 Absorción adiabática

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Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

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Capitulo I Generalidades sobre transferencia de masa

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Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

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Capítulo I Generalidades sobre transferencia de masa Introducción

En este libro nos enfocaremos al estudio de los procedimientos físicos que se

utilizan para lograr la transferencia de la materia, procedimientos u operaciones

llamadas unitarias.

En 1915 Arthur D. Little 1 logró cristalizar un concepto que había sido manejado por

los ingenieros de proceso durante largo tiempo, en las palabras del propio A.D. Little

las operaciones unitarias se describen como “ Cualquier proceso químico, llevado a

cabo a la escala que sea, puede ser reducido a una serie coordinada de lo que pueden

ser llamadas “Operaciones Unitarias”, tales como pulverizar, secar, tostar, cristalizar,

filtrar, evaporar, etc. El número de estas operaciones no es muy grande y sólo unas

cuantas están involucradas en un proceso particular. La complejidad de los procesos

resulta de la variedad de condiciones de temperaturas, presiones, etc., bajo las cuales

deben llevarse a cabo las operaciones unitarias en los diferentes procesos y de las

limitaciones de los materiales de construcción y diseño de los aparatos impuestos por

las características físicas y químicas de las sustancias manejadas”.

Cuando se desea diseñar o calcular un aparato donde realizar una determinada

operación unitaria, se deben conocer a fondo las bases sobre las cuales trabaja el aparato

y se debe conocer el mecanismo de la operación unitaria.

Eso implica tener que postular un modelo y éste se debe constatar con la realidad

mediante la experimentación. El camino de partida es el planteamiento de modelos

muy sencillos, que resumen en unas cuantas ecuaciones las observaciones

experimentales y donde se definen unos parámetros del modelo; pocos y fácilmente

medibles. Más adelante se construyen modelos más complejos, que trataran de predecir

el comportamiento del sistema en condiciones que van más allá de las estrictamente

ensayadas. El diseño de un determinado aparato para llevar a cabo una operación

unitaria de un proceso requiere cuantificar una serie de variables del sistema: caudales,

concentraciones, temperaturas, tamaños de partículas, presiones, humedades, etc. Con

esa información se podrá decidir que dimensiones habrá de tener el equipo, que

materiales deberán escogerse para su construcción, que necesidades de calefacción,

refrigeración, compresión , etc., se tendrán y otras cosas más.

A este nivel de diseño se deberá decidir cuál va a ser la escala de la operación,

basándose en consideraciones sobre la cantidad de producto a fabricar, las

especificaciones de seguridad, y otros aspectos. Se podrá trabajar a escala laboratorio, a

escala piloto, o a escala semi industrial o a escala industrial, por orden progresivo de

tamaños. Esta clasificación no está correlacionada con una cantidad de producto

determinada; una planta piloto para producir fenol puede producir muchísima más

cantidad de sustancia que una planta industrial para producir penicilina.

1 Arthur.D. Little (1863- 1935). Ingeniero norteamericano. Fue uno de los pioneros de la ingeniería

química y autor del concepto de operación unitaria .En su honor el AIChE otorga anualmente un premio

en docencia al mejor profesor de ingeniería química de los EE.UU.

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Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

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Corresponde también a esta etapa de decisión sobre la forma de operación :

contínua, discontinua (también llamada por lotes o batch) o semi continua. Puede

afirmarse que, en general, cuanta mayor sea la capacidad de producción, más conviene

trabajar en continuo. La fabricación en continuo requiere automatización y control y

reduce al mismo tiempo la mano de obra no especializada. La calidad del producto es

normalmente más uniforme, al reducir las puestas en marcha y paros en la planta.

Las unidades que trabajan en continuo se disponen de tal modo que sus condiciones

tiendan a variar lo menos posible con el tiempo a pesar de las variaciones en la materia

prima, o la progresiva desactivación de un catalizador. Los períodos de puesta en

marcha y paro son otros momentos en los que las condiciones del proceso varían con

el tiempo. En estos casos se dice que el proceso está en estado no estacionario (o en

régimen transitorio). El proceso está en estado estacionario (también llamado a

régimen permanente) cuando se considera que sus condiciones no varían a lo largo del

tiempo en un período determinado.

El cálculo de caudales, temperaturas, velocidades y otras variables del proceso se

realizan basándose en una serie de leyes, relaciones generales y relaciones específicas

semi empíricas aplicables al sistema considerado. Las leyes generales que se aplican son

las de la conservación de la masa y la energía. Se dispone además de otras ecuaciones

que relacionan entre si las variables del sistema.

Estas son:

Las ecuaciones de estado de las sustancias del sistema. Estas son de carácter general

para cualquier sistema.

Las leyes del equilibrio físico o químico(relaciones entre fases, constantes de

equilibrio, etc.). Aplicables cuando el sistema está en equilibrio.

Las leyes cinéticas o de velocidad. Aplicables cuando el sistema no se encuentra en

equilibrio. Relacionan la velocidad con una propiedad que se transfiere o se genera,

con la magnitud de alguna variable intensiva del sistema (concentración,

temperatura, o velocidad)

La forma de analizar los equipos puede ser a nivel macroscópico o microscópico. A

nivel macroscópico el equipo se considera como una caja negra de la que no preocupa

o no se sabe el funcionamiento. Solo se habla de globalidades o de flujos medios

cuando se habla de flujos de entrada y salida. En cambio a nivel microscópico se

trabaja con variables puntuales de concentración, temperatura y velocidad y se intenta

predecir como varían estas variables dentro del sistema, a partir de las leyes de

conservación.

Estos dos niveles dan información necesaria para el diseño. La complejidad del

nivel microscópico es mayor que la del nivel macroscópico

Ya que por lo general en las operaciones unitarias se manejan sistemas

termodinámicos abiertos, para llevarlas a cabo se requiere intercambiar, esto es, agregar

o eliminar, energía o materia, o ambas simultáneamente.

En la actualidad se utiliza el concepto de operaciones unitarias como procesos en

los que sólo se llevan a cabo procesos físicos. En una operación unitaria podemos

encontrar siempre cuatro elementos básicos:

Page 9: Capitulo 1 Introduccion a La Transferencia de Masa

Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

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Objetivos de la operación.

Principios físico químicos.

Equipo.

Condiciones de operación.

Los objetivos de una operación unitaria, son la razón de ser de la misma. Es en

última instancia, la función para la que se emplea el equipo. Por ejemplo: El objetivo de

la operación unitaria de secado es “reducir el contenido de humedad de un sólido hasta

un valor aceptablemente bajo”.

Los principios físico químicos son las leyes que rigen la operación unitaria. Estos

principios son restricciones que impone la naturaleza a la transferencia de momentum,

calor y masa.

El equipo en donde se lleva a cabo la operación unitaria está diseñado de

acuerdo a los objetivos y a los principios termodinámicos que controlan a esa operación

unitaria.

Las condiciones de operación son los valores que toman los gastos,

temperaturas, presiones y concentraciones dentro del equipo para que pueda llevarse a

cabo el proceso

Operaciones de transferencia de masa Un conjunto de operaciones fundamentales en la industria de procesamiento de

materiales, encara el problema de modificar la composición de un sistema por métodos

puramente físicos.

Mediante tales operaciones, llamadas de transferencia de masa, es posible

separar del sistema original, uno o varios componentes. El método convencional para

lograr tal separación consiste, en poner en contacto el sistema cuya composición se

pretende modificar mediante una fase en la que es parcialmente miscible.

En general podremos identificar a una operación de transferencia de masa, si

hay dos o más fases en contacto y si los materiales fluyen de una fase a otra. En la

transferencia de masa, al menos una parte del flujo es debido al movimiento individual

de las moléculas o difusión. La otra parte del flujo es debida a la transferencia

turbulenta de materia, es decir debido a los remolinos y corrientes convectivas.

Cuando dos fases se ponen en contacto, si la composición de las mismas es

diferente, se notará un cambio en la composición con respecto al tiempo hasta que se

alcance el equilibrio entre las fases.

Las operaciones de transferencia de masa son parte de las llamadas operaciones

unitarias, es decir, aquellos procesos físicos mediante los cuales se cambia la

composición, la temperatura o la posición de un sistema.

Son muchas las operaciones unitarias basadas en la transferencia de masa, entre

ellas están: la absorción, la desorción, la adsorción, la destilación, el secado, la

extracción líquido - líquido, la lixiviación, la humidificación, el acondicionamiento de

aire, la cromatografía , etc.

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Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

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Las operaciones de transferencia de masa tienen en común el paso de uno o

varios componentes de una fase a otra; se diferencian en las fases involucradas y en el

equipo o forma en que se efectúa la transferencia.

A continuación se presenta una tabla con algunas operaciones unitarias de

transferencia de masa. En ella se presentan los objetivos, los principios físico químicos,

las condiciones de operación y los equipos utilizados en las diferentes operaciones

unitarias.

Tabla I. Operaciones unitarias de transferencia de masa y sus

características principales

OPERACIÓN

UNITARIA

OBJETIVO PRINCIPIOS

FISICO QUÍMICOS

CONDICIONES DE

OPERACIÓN

EQUIPOS

ABSORCIÓN Recuperar una

sustancia que está

disuelta en una mezcla

gaseosa mediante su

disolución en un

líquido.

Diferencias entre la

solubilidad de los

diferentes gases en un

líquido. Ley de Henry.

Ley de Raoult.

Líneas de operación

máxima y mínima,

inundación

Absorbedores .

Torres de platos y

torres empacadas.

SECADO Reducir el contenido

de humedad hasta un

valor aceptablemente

bajo

Equilibrio entre fases.

Humedad crítica,

Humedad ligada.

Secado en el período

continuo. Secado en el

período decreciente.

Secadores continuos e

intermitentes.

DESTILACIÓN Concentrar una

sustancia que forma

parte de una mezcla

líquida mediante la

aplicación de calor y la

evaporación y

condensación.

Equilibrio entre fases.

Diferencia en la

presión de vapor y en

las volatilidades

relativas. Ley de

Raoult . Ley de Dalton.

Reflujos máximo y

mínimo. Condiciones

térmicas de la

alimentación,

condensadores totales

o parciales.

Destiladores continuos

o intermitentes.

Alambiques. Columnas

de destilación

empacadas o de

platos.

ACONDICIONAMIE

NTO DE AIRE

Generar aire a las

condiciones de

temperatura , humedad

y limpieza requeridas

por el proceso.

Tabla de humedad o

psicrométrica.

Temperaturas de bulbo

húmedo y de

saturación adiabática

Calentamiento con

vapor directo o

indirecto,

humidificación con

vapor o agua.

Enfriamiento por agua

o con refrigerantes.

Acondicionadores de

aire, compresores,

refrigeradores,

humidificadores.

Enfriadores de aire,

etc.

ADSORCIÓN Eliminación de

algunos componentes

de una fase fluída

mediante un sólido que

lo retiene.

Leyes de la adsorción.

Equilibrio sólido

líquido. Langmuir,

Van der Waals. La

adsorción es un

fenómeno de

superficie.

El sólido adsorbente

rellena normalmente el

interior de una

columna formando un

lecho fijo. Operación

discontínua Flujos de

saturación. Ciclos de

limpieza y

recuperación

Adsorbedores.

Intercambiadores

iónicos. Cromatógrafos

industriales

EXTRACCIÓN

SÓLIDO – LÍQUIDO

Disolver una sustancia

que forma parte de un

sólido mediante un

líquido.

Diagramas de

Solubilidad.

Diagramas ternarios.

Líneas de lodos.

Flujos óptimos. Flujos

en paralelo, a

contracorriente o en

corriente cruzada.

Extractores,

percoladores,

lixiviadores.

EXTRACCIÓN

LÍQUIDO- LÍQUIDO

Disolver una sustancia

que forma parte de una

Diagramas de

solubilidad .Diagramas

Flujos a

contracorriente, con

Extractores. Columnas

empacadas. Columnas

Page 11: Capitulo 1 Introduccion a La Transferencia de Masa

Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

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mezcla líquida

mediante otro líquido.

ternarios. Curva

binodal y líneas de

distribución.

recirculación o sin ella.

Flujo cruzado. Flujos

mínimos.

rotatorias.

CRISTALIZACIÓN Formación de

partículas sólidas en el

seno de una fase

líquida homogénea.

Diagramas de

cristalización.

Creación de la

sobresaturación,

formación de núcleos,

crecimiento de

cristales

Cristalizadores de

tanque, cristalizadores

al vacío, cristalizadores

evaporadores.

¿Qué otras operaciones unitarias de transferencia de masa conoces?

¿Podrías añadirlas a la lista y poner sus características?

Potencial químico

Se sabe, desde hace tiempo, que los cambios en un sistema se deben a acción de

una fuerza impulsora o diferencial de potencial. El potencial o fuerza impulsora en

flujo de calor, es la diferencia de temperaturas. El calor fluirá de la región de mayor

temperatura a la de menor hasta que se igualen estas. Entonces se dice que el sistema ha

alcanzado el equilibrio térmico. En el flujo de fluidos la fuerza impulsora es la

diferencia de presiones por lo que los fluidos se desplazarán de una región de alta

presión a otra de menor presión. Cuando las presiones se igualan cesa el flujo y el

sistema alcanza el equilibrio.

En la transferencia de masa, la fuerza impulsora es una función de la diferencia

de concentraciones a la que se conoce como potencial químico. Si el potencial químico

de un componente dado en el sistema es distinto a su potencial químico en otra fase, ese

componente tenderá a emigrar a la fase de menor potencial, haciendo posible la

modificación de la composición. Solamente cuando todos los potenciales se balancean,

cesan las tendencias al cambio y se obtiene el equilibrio. De manera que, un estado de

equilibrio puede definirse como, uno en el que todos los potenciales están balanceados,

o dicho de otra manera; un sistema está en equilibrio si no se perciben cambios netos de

presión , temperatura y composición en el tiempo.

Los conceptos de potencial térmico, mecánico o eléctrico son relativamente

familiares. El potencial que causa los cambios químicos es más difícil de visualizar.

El potencial químico es una función de la temperatura y de la presión. La

diferencia de potencial químico es la causa de una reacción química o la tendencia de

una sustancia a difundirse de una fase a otra. El potencial químico es una especie de

presión química y es una propiedad intensiva del sistema.

El potencial químico está relacionado con la energía libre de Gibbs,

dG = V dP - S dT

en donde G es la energía libre, S la entropía, V el volumen , P la presión y T la 2temperatura.

2 Joseph Willard Gibbs . (1839-1903). Físico norteamericano, fundador de la fisicoquímica y el primero

en introducir la termodinámica a la química. Perfeccionó la mecánica estadística. Enunció la regla de las

fases basándose en datos del equilibrio fisicoquímico.

Page 12: Capitulo 1 Introduccion a La Transferencia de Masa

Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

12

Para un cambio isotérmico :

dG = V dP

Integrando

G

G

P

Po oVdPdG

y para un gas ideal en donde P

RTV :

G - Go =

o

P

P P

PRT

P

dPRT

oln

En donde G es la energía libre de una mol de gas ideal a una P dada y Go es la

energía libre de una mol de gas a condiciones estándar, esto significa que si escogemos

Po igual a una atmósfera:

G = Go + RT ln (P/1) = G

o + RT ln P

esto también se suele escribir como :

=o + RT ln P

En donde es el potencial químico.

El potencial químico para un soluto disuelto en un líquido sería:

soluto = osoluto + RT ln C

~

En donde osoluto es el potencial químico de referencia y C

~ es la concentración

molar del soluto.

En situaciones físicas en donde no hay discontinuidad en el medio, la dirección

de decrecimiento del potencial generalmente coincide con la dirección de decrecimiento

de la concentración.

Lo indicado en transferencia de masa, seria la utilización de los potenciales

químicos como fuerzas directoras, sin embargo, la evaluación de estos es complicada

por lo que tradicionalmente se han empleado las concentraciones. Al hacer esto se

puede tener el caso de que un componente fluya de una región de menor

concentración a uno de mayor. Para evitarlo, las ecuaciones de transferencia de masa se

suelen aplicar a una fase homogénea en donde la dirección del decrecimiento del

potencial químico coincide con la dirección del decrecimiento de la concentración.

Estas ecuaciones se emplean en cada una de las fases, evitando con ello los problemas

anteriormente mencionados.

Page 13: Capitulo 1 Introduccion a La Transferencia de Masa

Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

13

Concentraciones

La concentración es la cantidad de una sustancia a que existe en una mezcla.La

transferencia de masa se complica por el hecho de que en una mezcla, son varias clases

de sustancias las que se mueven y por que existen diferentes formas de expresar la

concentración.. La concentración se puede indicar como:

Concentración másica

CA = mezclaladevolumen

Ademasa

Entre las unidades empleadas están: gramos / litro; kg / metro cúbico; libras / galón ;

etc.

Concentración molar

mezclaladevolumen

AdemolesCA

~

Entre las unidades empleadas están : mol / litro; kg mol / metro cúbico, libras mol / pie

cúbico, etc.

Si se trata de gases la concentración molar está dada por:

RT

P

V

mC AA

A

~~~

Fracción masa

totalmasa

AdemasaxA

las unidades comunes son : kg de a / kg de mezcla; libras de a / libra de mezcla, etc.

La fracción masa se convierte en por ciento en masa si se multiplica por cien.

Fracción mol

totalesmoles

AdemolesxA~

la fracción mol se convierte en por ciento en mol si se multiplica por cien.

si se trata de gases

Page 14: Capitulo 1 Introduccion a La Transferencia de Masa

Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

14

T

A

AP

Py

~~ en donde AP

~ es la presión parcial de A y PT la presión total

del sistema.

En los gases se debe recordar que la fracción mol es igual a la fracción

volumen, por lo que por ciento en mol es igual a por ciento en volumen. Las unidades

comunes son: kg. mol de a / kg. mol totales; libras mol / libras mol totales ; etc.

Relación masa

Atotalmasa

AdemasaX A

sin

Este tipo de concentración se utiliza mucho en las operaciones de secado,

humidificación y acondicionamiento de aire. Unidades típicas son: kg de agua /kg. de

sólido seco; kg de vapor de agua / kg. de aire seco.

Relación mol

Atotalesmoles

AdemolesX A

sin

~

Normalidad

solucióndelitro

AdegramoeequivalentN A

en donde el peso equivalente de una sustancia ácida es el peso molecular entre el

número de hidrógenos del ácido . En el caso de una base será igual al peso molecular

entre el número de OH y en el caso de una sal igual al peso molecular entre el número

de aniones que se forman al disolverla.

Molaridad

solucióndelitro

AdemolesM A

Molalidad

MlA=solventedegramosmil

Ademoles

Tanto la normalidad, la molaridad y la molalidad se utilizan mucho para dar la

concentraciones de soluciones empleadas para análisis .

Page 15: Capitulo 1 Introduccion a La Transferencia de Masa

Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

15

Porcentaje en volumen

% en vol. =totalvolumen

Adevolumen

En los gases el por ciento en volumen es igual al por ciento en mol.

Partes por millón

PPMA=soluciónderamoski

Ademiligramos

solucióndecúbicometro

Ademililitros

log

Velocidades

Cada especie en una mezcla se mueve a una velocidad propia, que es función de

la temperatura y la presión, durante la transferencia de masa. Por ejemplo la especie A

viaja con una velocidad uA, mientras que la especie B lo hace a la velocidad uB. Así que

la velocidad promedio de una mezcla podrá evaluarse mediante :

Velocidad promedio másica

V=n

i i

ii

C

uC

Esta velocidad es la que se obtiene mediante los medidores de flujo.

Velocidad promedio molar

i

ii

C

uCV ~

~~

Velocidad de difusión de A con respecto a V

u A - V

Velocidad de difusión de A con respecto a V~

VuA

~

Page 16: Capitulo 1 Introduccion a La Transferencia de Masa

Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

16

Flujos

Las velocidades anteriores se utilizan para calcular el flujo de una especie,

definiéndose flujo como la cantidad de masa de una especie dada que fluye por unidad

de área y por unidad de tiempo. Entre los flujos usados están :

Flujo másico con respecto a coordenadas fijas

NA = CA u A CA u A

Las unidades empleadas son : g /m2 s ; kg / m

2 s ; lb / ft

2 s ; etc.

Flujo molar con respecto a coordenadas fijas

AAA uCN~~

AC~

uA

Las unidades típicas son kg mol / m2 s ; lb mol / ft

2 h ; etc.

Flujo másico con respecto a la velocidad de difusión másica.

jA= CA(u A - V) CA (uA - V)

unidades kg / m2 s, lb / ft

2 h , etc.

Flujo molar con respecto a la velocidad de difusión másica

)(~~ VuCj AAA

Flujo másico con respecto a la velocidad de difusión molar

JA = CA (uA - )~V

Flujo molar con respecto a la velocidad de difusión molar.

)~

(~~

VuCJ AAA )~

(~

VuC AA

Kgmol / m2 s .

Page 17: Capitulo 1 Introduccion a La Transferencia de Masa

Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

17

Resolución de problemas

Para la compresión del comportamiento de las operaciones unitarias de

transferencia de masa se tendrán que hacer numerosos problemas, relacionados con

balances de materia y energía, con las relaciones fisicoquímica que los controlan y con

las condiciones de operación. Los problemas con los que se trabaja se presentan en el

mundo real y se refieren casi siempre a las necesidades de producir más y mejores

servicios y productos. Sin embargo, para resolver estos problemas se deben trasladar los

requerimientos del mundo exterior al mundo de la mente y allí, con ayuda de las

matemáticas, física y química se debe encontrar la respuesta que se traduce después

nuevamente a términos usados en el mundo real (reactivos, productos, energía, equipo,

etc.)

Page 18: Capitulo 1 Introduccion a La Transferencia de Masa

Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

18

En la resolución de problemas se seguirá una secuencia similar. En primer lugar

se tendrá un enunciado que resume los requerimientos de algún problema real .

Después del enunciado, la primera fase de la resolución será traducir el

enunciado al lenguaje usado en ingeniería, es decir, construir un diagrama de flujo,

colocar los datos conocidos en las diferentes líneas de entrada y salida y tratar de

representar en forma matemática la pregunta o preguntas que se esperan sean

contestadas por medio de la resolución. Inmediatamente después se procederá a la

resolución usando los conocimientos matemáticos, físicos y químicos a nuestro alcance

y planteando ecuaciones matemáticas que nos lleven a la resolución. En esta fase se

evitará el uso de números y se trabajará únicamente con ecuaciones algebraicas o

diferenciales. Esta etapa es equivalente a la de la generación de algorítmos de cálculo

en una computadora. Cuando ha sido posible plantear el resultado de esta manera, es

fácil sustituir las variables algebraicas por los datos numéricos y así obtener el

resultado, el cual por último deberá traducirse al mundo real, o sea, presentarse en

forma escrita indicando los resultados y requerimientos con palabras y números.

En resumen, la secuencia que se seguirá en este libro para la resolución de problemas

constará de los siguientes pasos:

1.- Traducción.

2.- Planteamiento.

3.- Sustitución y cálculos.

4.- Resultados.

Page 19: Capitulo 1 Introduccion a La Transferencia de Masa

Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

19

Problemas resueltos

Problema 1

Un líquido A se evapora y difunde hacia arriba de un tubo lleno inicialmente con el

vapor B. La difusión produce una mezcla de los vapores. En el caso de

que 3~

,6

1~ VVy AA , PMA = 5 PMB , 12~V . Obtenga los siguientes valores de:

uA, V, uA - v, uB - v, uB V~

1.- Traducción

B

9~

12~

6

1~

VV

V

y

A

A

A PMA = 5 PMB

2.- Planteamiento

2.1 Velocidades

BA

BBAA

BA

BBAA

CC

uCuCV

CC

uCuCV

`~~

~~~

2.2.- Concentraciones

1~~;~

;1~~

;~

~~

BAAAABA

T

AA yyPMCCCC

C

Cy

3.- Cálculos

3.1.- Velocidad de A

uA -12 = 3; uA=15

3.2 Velocidad media molarV~

Page 20: Capitulo 1 Introduccion a La Transferencia de Masa

Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

20

4.115

211

6

5

6

15~

~

6

5~

6

15

12~

6

~5~

6

~~~~

~

~15

~

12~

B

B

B

BAA

BBA

u

uC

uCC

V

CC

CyCC

C

uCCV

3.3.- Velocidad relativa VVB

~

VVB

~= 11.4 -12 = -0.6 = - 3/5

3.4 .- Velocidad promedio másica V

6

~2

6

~

56

5~

6

~~

A

TBA

AA

B

A

AAA

PMCCCC

PMCPMCC

PMCPMCC

2.13~

6

2

5

211

6

~

156

~

A

A

PMC

CPM

C

V

3.5 .- Velocidad relativa uA-V

uA -V =15 -13.2 =1.8 = 9/5

3.6.- Velocidad uB –V

uB –V = 11.4 –13.2 = -1.2

4. Resultados

5. Las velocidades son:

uA= 15.0 ; VuB

~= -0.6 ; uB = 11.4 ; Vu A

~= 3 ; uA - V =1.8 ; uB -V = -1.2; V = 13.2

Page 21: Capitulo 1 Introduccion a La Transferencia de Masa

Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

21

Problema 2

Para fabricar una tinta se deben meter 3 componentes en un reactor, la mezcla se efectúa

en una Te localizada a la entrada del reactor. Los reactivos deben introducirse en la

siguiente relación:

R=5,T =3, S =2

1.- Traducción

R uR= 10 cm/s

S uS =12 cm / s reactor

T uT = 8 cm /s

1. Planteamiento

1.1.- Velocidad promedio másica

TSR

TTSSRR

total

i

CCC

uCuCuC

C

uiCV

2.-Cálculos

2.1 Velocidad promedio másica

s

cmV 8.9

235

)8(3)2(12)10(5

3.- Resultado

La velocidad es de 9.8 cm /s

Page 22: Capitulo 1 Introduccion a La Transferencia de Masa

Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

22

Problema 3

Una mezcla gaseosa que fluye a través de una tubería tiene la siguiente composición

molar:

CO = 5 % , CO2 = 6%, O2 = 8%, N2 =80%

Para medir la velocidad de la corriente se usa un tubo Pitot3 conectado a un manómetro

lleno de agua. Si las velocidades de los componentes individuales son : 5.5 m / s para el

CO, 3.5 m /s para el CO2 , 5 m /s para el O2 y 6 m /s para el N2 ¿Cuál será la lectura del

manómetro en mm de Hg ? El gas entra a 21 ° C y 1 atm de presión.

Dato ecuación del tubo Pitot

PgCpV

2

en donde = densidad del gas , P = caída de presión , Cp = coeficiente del Pitot.

1.- Traducción

P =?

2.- Planteamiento

2.1 .- Velocidad media másica

RT

PC

C

C

PMy

PMyy

C

uCV

T

T

A

ii

AA

A

total

ii

~

~

~

3.- Cálculos

3 Henri Pitot (1695-1771) Ingeniero civil francés , especialista en trabajos hidráulicos e inventor del tubo

Pitot , que mide la velocidad a la que se mueve un fluido.

Page 23: Capitulo 1 Introduccion a La Transferencia de Masa

Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

23

3.1 - Velocidades

Sustancia Fracc

ión

mol

iy~

Peso

mol

ecul

ar

PM

masa (PM yi) Fracci

ón

masa

yi

CO 0.05 28 1.4 0.048

CO2 0.07 44 3.08 0.105

N2 0.8 28 22.4 0.760

O2 0.8 32 2.56 0.087

kgmol

kgPM

m

kgmolC

medio

T

44.29

04148.0294082.0

1~3

CT = (29.44)(0.04148) = 1.221 kg / m3 =

Sustancia yi Ci = yi CT ui Ciui

CO 0.048 0.0586 5.5 0.3223

CO2 0.105 0.1282 3.5 0.4487

O2 0.087 0.1062 5 0.531

N2 0.76 0.9279 6 5.567

Total 1.221 6.869

V= 6.869 / 1.221 = 5.625 m /s

3.2 Caída de presión

Si Cp = 0.99

625.5221.1

81.9299.0

PV

P = 2 kg / m2 = 2 mm de Hg

4.- Resultado

Page 24: Capitulo 1 Introduccion a La Transferencia de Masa

Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

24

La caída de presión es de 2 mm de H2O

Problema 4

Se disuelven 350 g de cloruro de zinc anhidro con una densidad relativa de 2.91 en 650

g de agua. Se obtiene así una solución cuyo volumen total a 20º C es de 740 ml. Calcule

lo siguiente :

a) molaridad, b) normalidad, c) molalidad, d) fracción mol, e) por ciento en peso, f) por

ciento en volumen.

1.- Traducción

350 g ZnCl2

650 g de H2O

Volumen total 740 ml

2.- Planteamiento.

2.1 Molaridad

M = g mol de soluto / litro de solución

2.2.- Normalidad

N = gramos equivalentes / litro de solución

2.3 .- Molalidad

Ml = g mol de soluto / kilogramo de disolvente.

2.4.- Fracción mol

x = g mol de soluto / g mol totales

2.5 .-Por ciento en peso

% en peso = g de soluto / g totales x 100

Page 25: Capitulo 1 Introduccion a La Transferencia de Masa

Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

25

2.6 .- Por ciento en volumen

% en vol. = Volumen de soluto / vol. total x 100

3.- Cálculos

3.1. Molaridad

47.3740.0

5707.2

5707.215.136

350~2

disolucióndelitros

gmolM

gmolg

mZnCl

3.2.-Normalidad

94.6740.0

1413.5

1423.52

15.136

350

N

eqggmol

eqgg

3.3.-Molalidad

95.365.015.136

5.3

disolventedekgMl

3.4.- Fracción mol

totalgmol

ZnClgmolx 2066.0

18

6505707.2

5707.2~

3.5.- % en volumen

25.16100740

1

/91.2

350%

mlmlg

gVol

3.6.- % en peso

%35100650350

350% peso

4.- Resultados

Molaridad = 3.47 mol / litro

Normalidad = 5.1413 g eq /litro

Page 26: Capitulo 1 Introduccion a La Transferencia de Masa

Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

26

Fracción mol = 0.66 g mol de Zn Cl2 / gmol total

% volumen = 16.25 ; % en peso = 35 %

Problema 5

Una mezcla de aire y amoniaco está a 760 mm de Hg y 20 º C y se pone en contacto con

agua. Si la presión parcial de NH3 en la fase gaseosa es de 50 mm de Hg. ¿Cuál será la

concentración en la fase líquida cuando se alcance el equilibrio?

1.- Traducción

NH3 + aire

T= 20º C, P = 760 mmHg

PNH3= 50 mm Hg

agua CNH3 en el equilibrio = ?

2.- Planteamiento

2.1.-Discusión

Cuando se alcanza el equilibrio, el número de moléculas que llegan al agua es igual al

que dejan el agua. El equilibrio se obtiene experimentalmente. A partir de datos

experimentales (ver Perry) se obtiene:

totalesgmol

NHdegmolx 30736.0~

2.2.-Concentración en la fase gaseosa

totalesgmol

NHdegmol

P

py

T

NH

NH3065.0

760

50~~ 3

3

3.- Resultados

La concentración en la fase líquida es de 0.0736 gmol de amoniaco / gmol total

La concentración en la fase gaseosa es de 0.065 gmol de amoniaco / gmol total

El potencial químico debe ser igual para ambas fases, aunque las concentraciones no lo

sean.

Page 27: Capitulo 1 Introduccion a La Transferencia de Masa

Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

27

Problema 6

¿Cuales serán las concentraciones si en el equilibrio, al ponerse en contacto a 20ºC y

760 mm de Hg una mezcla de NH3 y aire con una presión parcial de amoniaco de 227

mm de Hg con una solución amoniacal la concentración que se alcanza del NH3

disuelto en el agua es de 0.018 gmol / litro.

¿Serán las concentraciones en el equilibrio iguales?

1.- Traducción.

1 atm

NH3 + aire

T = 20ºC, pNH3 = 227 mmHg

agua P= 760 mmHg; 3

~NHC = 0.0108 gmol /L

2.- Planteamiento

2.1 Discusión

El equilibrio se establece cuando G = 0. Al alcanzarse el equilibrio surge una pregunta

¿Por qué el gas no se sale de la solución ? ¿por qué no se disuelve más gas ?

La respuesta es que ninguno de los dos procesos haría que decreciera la energía libre.

En otras palabras la energía libre de una mol de gas es :

gas = o + RT ln P

y la energía libre de una mol de gas disuelto en agua es :

S = o + Rt ln C

en el equilibrio

gas = líquido

Page 28: Capitulo 1 Introduccion a La Transferencia de Masa

Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

28

ogas +RT ln P =

osoluto + RT ln C

ogas -

osoluto = RT ln C / P

Como o

gas - osoluto es una diferencia entre los estados de referencia y es una constante

y como T es también constante al igual que R entonces :

C / P = constante = H (constante de Henry)

3.- Cálculos.

3.1.- Concentración en el líquido

litro

gmolCNH 0108.0~

3

3.2. Concentraciones en la fase gaseosa.

litro

NHdegmolC

litro

totalgmol

RT

PC

totalesgmol

NHdegmoly

NH

T

NH

3

3

01242.0298604162.0~

04162.0)293)(082.0(

1~

2986.0760

227~

3

3

4.- Resultado.

A pesar de que las concentraciones son diferentes, no habrá difusión porque el potencial

de ambas fases es igual.

Problema 7

¿Cómo están relacionadas ?~~

AA NyJ

1.- Planteamiento

1.1- Definiciones

AAA

AAA

uCN

VuCJ~~

~~~

1.2 Relaciones

Page 29: Capitulo 1 Introduccion a La Transferencia de Masa

Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

29

BAAAA

BAAAA

T

BA

AA

BA

BBAA

AAA

BA

BBAA

AAAAAA

NNxJN

NNxNJ

C

NNCN

CC

uCuCCNJ

CC

uCuCV

VCNVCuCJ

~~~~~

~~~~~

~

~~~~

~~

~~~~~

~~

~~~

~~~~~~~

Problema 8

Una solución que contiene 0.1 x 10-3

m3 de A y 0.9 x 10

-3 m

3 de B se mueve a una

velocidad media molar de 0.12 m / s . Si el flujo molar de B relativo a la velocidad

promedio másica es de - 1 kgmol / m2 s ¿ Cuál es el flujo total de A , cual es NA y cual

la velocidad promedio másica ?

Datos

A B

PMA = 32 PMB = 78

A = 792 kg / m3 B = 879 kg / m

3

1.- Traducción

B AN~

=?

A V =?

BJ~

= -1 kg mol / m2 s V

~ = 0.12 m / s

2.- Planteamiento.

2.1 Velocidad

BA

BBAA

CC

uCuCV

BA

BBAA

CC

uCuCV ~~

~~~

2.2 Flujos.-

)~

(~~

~~

VuCJ

uCN

BBB

AAA

Page 30: Capitulo 1 Introduccion a La Transferencia de Masa

Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

30

3.- Cálculos

3.1- Velocidades y flujos

Masa de A = 0.1 x 10-3

m3 x 792 kg de A / m

3 = 0.0792 kg de A

Masa de B = 0.9 x 10-3

m3 x 879 kg de B / m

3 = 0.791 kg de B

Vol. 1 litro. CA = 0.0792 kg de A / litro ; CB = 0.791 kg de B /litro

s

mV

V

s

mVVJ

VV

s

mV

m

Bdekgmol

m

litros

litro

BdekgmolC

litro

BdekgmolC

litro

AdekgmolC

A

A

BBB

BA

B

BA

5241.0

61.12

)0213.0(141.10475.212.0

0213.0;)12.0(141.101~

012616.0

010141.0002475.012.0

~

141.101000

010141.0~

010141.0~

002475.0~

33

s

ms

m

m

Adekg

V

sm

Adekgmol

s

m

m

AdekgmolNA

06705.07912.79

)0213.0(791)5241.0(2.79

297.15241.0475.2~

3

23

4.- Resultados

AN~

= 1.297 kg mol A / m2 s

V = 0.06705 m / s

Page 31: Capitulo 1 Introduccion a La Transferencia de Masa

Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

31

Problema 9

Una columna de absorción de SO2 se diseña para producir una solución acuosa

sulfitada. Si el agua de entrada contiene 5% de SO2 y el agua de salida 20 % de SO2

¿Qué cantidad de solución al 5% se necesita para obtener 100 kg / h de solución de SO2

al 20 % ? ¿ Qué cantidad de gases se deben tratar, si los gases entrantes contienen 60%

en peso de SO2 y los salientes 2 % ?

1.- Traducción

2

x3SO

2 = 0.05 y2SO

2 =0.02

3

1 L4 =100 kg /h

y1SO

2 =0.6

4 x4SO

2 =0.2

2.- Planteamiento

Balance total

G1 = L3 = L4 + G2

Balance parcial de SO2

G1y1SO

2 + L3 x3SO

2 = G2 y2SO

2 + L4 x4SO

2

Page 32: Capitulo 1 Introduccion a La Transferencia de Masa

Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

32

Balance parcial de agua

L3x3H

2O = L4x4

H2

O

3.- Cálculos

3.1 Balances

Balance total

G1 + L3 = G2 +100

Balance parcial de SO2

G1 ( 0.6) + L3 ( 0.05) = G2 (0.02) + 100 (0.2)

Balance parcial de agua

L3 (0.95) = 100 ( 0.8)

L3 = 84.2 kg / h

Resolviendo simultáneamente

G2 = 10.87 kg /h

G1 = 26.67 kg /h

4.- Resultado

Se requieren 84.2 kg / h de la solución al 5 %

Se deben tratar 26.67 kg / h de gases que contienen 60% de SO2

Page 33: Capitulo 1 Introduccion a La Transferencia de Masa

Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

33

Problema 10.-

Una mezcla líquida contiene 58. 8 % en mol de tolueno y 41.2 % en mol de tetracloruro

de carbono. Determine la concentración másica del tolueno y la relación másica del

tolueno en la mezcla.

1.- Traducción

Tx~ = 0.588

Tolueno + 4~CClx = 0.412

CCl4

2.- Planteamiento

2.1 Relación másica

xtolueno

= masa del tolueno / masa de tetracloruro

2.2.- Concentración másica

Ctolueno

= masa del tolueno / litro de solución

3.- Cálculos

3.1 Relación másica

Pmtolueno =92 PMCCl4 = 154

Tomando 100 kg mol de la mezcla tendremos que :

masa del tolueno 100( 0.588) (92) = 5409.6 kg

Masa del tetracloruro 100 (0.412) (154) = 6344.8 kg

x = 5409.6 / 6344.8 = 0.853 kg tolueno / kg de tetracloruro

Page 34: Capitulo 1 Introduccion a La Transferencia de Masa

Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

34

3.2.- Concentración másica del tolueno.

Fracción masa del tolueno.

Para obtener la concentración necesitamos saber la densidad de la mezcla. De datos de

laboratorio o de tablas :

tetracloruro = 1630 kg / m3 tolueno= 870 kg / m

3

Si la mezcla se comporta idealmente.

mezcla = 0.46 (870) + =.54 ( 1630) = 1280 kg / m3

totalkg

toluenodekgxT 46.0

6.54098.6344

6.5409

Tomando un m3 de la mezcla

Masa total = 1280 kg

masa del tolueno 1280 (0.46) = 588.8

Ctolueno

= 588.8 kg / 1 m3 = 588 kg / m

3 = 0.588 kg / litro

4.- Resultado

La concentración es de 0.588 kg / L, la fracción masa es del 0.46 kg de tolueno / kg total

y la relación masa de 0.853 kg de tolueno / kg de tetracloruro de carbono.

Page 35: Capitulo 1 Introduccion a La Transferencia de Masa

Introducción a la transferencia de masa Antonio Valiente Barderas

35

PROBLEMAS PROPUESTOS:

Problema 1

Al analizar una solución salina se encuentra que contiene 23.5 g de NaCl por cada 1000

ml de solución, la cual tiene una densidad de 1.16.

¿Cuál es el porcentaje en peso del Na Cl en la solución? ¿Cuál es la molaridad ?

Resultados:

La molaridad es de 0.4. El % en peso es de 2.025

Problema 2

Al analizar una corriente líquida de HCl se obtiene que su densidad es de 23.16 º Be y

su molaridad de 12 ¿Cuál es la fracción peso ?¿Cuál es la concentración y la relación

mol del HCl en la corriente ?

Resultados:

La concentración de la solución es de 438 g de HCl por litro, la fracción masa es de

0.368 y la relación mol de 0.287.

Problema 3

¿Cómo están relacionadas NA y jA?

Problema 4

¿Cómo están relacionadas JA y NA?

Problema 5

Un aire a 34 º C y 745 mm de Hg está saturado de agua. Determine la densidad de la

mezcla, la concentración másica, la fracción mol, la fracción masa de agua y la relación

másica del agua.

Dato Pº del agua a 34 º C = 39.9 mm de Hg.

Resultados:

La concentración es de 0.0375 kg / m3 , la densidad es de 1.105 kg / m

3 , la fracción mol

de 0.0339 y la relación masa de 0.0351.