1. INTRODUCCIÓN 2. TRANSPORTE MOLECULAR DE MATERIA 2.1. Difusión 2.2. Concentración, velocidad y densidad de flujo de materia 2.3. Ley de Fick 2.4. Otros modos de transporte molecular de materia 3. COEFICIENTE DE DIFUSIÓN 3.1. Unidades 3.2. Métodos de estimación de la difusividad (gases, líquidos y sólidos) 4. EJEMPLOS DE TRANSPORTE MOLECULAR EN ESTADO ESTACIONARIO 5. TRANSPORTE DE MATERIA POR CONVECCIÓN TRANSFERENCIA DE MATERIA 1. INTRODUCCIÓN Cuando un sistema unifásico contiene dos o más componentes cuyas concentraciones varían de un punto a otro, presenta una tendencia natural a transferir la materia, haciendo mínimas las diferencias de concentración dentro del sistema (Equilibrio = diferencia de concentraciones nula). La transferencia de un constituyente de una región de alta concentración a una de baja concentración se denomina transferencia de materia. ¿Qué es? Desplazamiento de uno o varios componentes de una mezcla fluida con respecto a la masa global por acción de una fuerza impulsora (generalmente un gradiente de concentraciones). Ej.: picos obtenidos en Cromatografía Los picos tienen una cierta anchura Ejemplos cotidianos • • • Una porción de baritina en una cuba de preparación de un lodo. Evaporación del agua de un estanque Difusión de un gas de un medio en otro. Otros ejemplos • • • • • • Eliminación de materiales contaminantes de corrientes acuosas de depuración de gases Difusión de neutrones dentro de los reactores nucleares Difusión de sustancias adsorbidas en los poros de carbón activado Velocidad de las reacciones químicas catalizadas y biológicas Acondicionamiento del aire Dispersión de una mancha contaminante en un río El mecanismo de transferencia de materia, tal como se ha observado en el de transferencia de calor, depende de la dinámica del sistema en el que se lleva a cabo (ej. disolución del terrón de azúcar con o sin agitación. MECANISMOS DE TRANSPORTE DE MATERIA. CLASIFICACIÓN: a) DIFUSIÓN MOLECULAR Movimiento molecular randómico (aleatorio) en los fluidos en reposo o en flujo laminar CONVECCIÓN. Desplazamiento y mezcla de distintas porciones de fluido por flujo turbulento. NATURAL Por diferencia de densidades debidas a diferencias de temperatura, concentración, etc. FORZADA Debido a fuerzas externas (bombas, agitadores, etc.) El estudio de la transferencia de materia puede dividirse en tres grandes áreas: • • DIFUSIÓN MOLECULAR (en medios en reposo y régimen laminar) Transferencia en RÉGIMEN TURBULENTO en UN FLUIDO • Transferencia de materia ENTRE FASES. Las OPERACIONES UNITARIAS de transferencia de materia engloban todas las operaciones en las que la etapa controlante del proceso es la transferencia de materia y tienen por objeto separar componentes o grupos de componentes de una fase originariamente homogénea. Agente separador (materia, energía, otras) Corriente alimento con varios componentes a separar (una fase) Corrientes de productos de diferentes composiciones (una o varias fases) ANALOGÍAS En todas las operaciones unitarias encontraremos una diversidad de analogías que nos permiten diferenciar sus aplicaciones en cada caso. CALOR Transferencia entre dos puntos a diferente temperatura. Desde alta Temperatura a baja Temperatura. Puede ser de modo molecular, sin turbulencias: conducción de calor a través de un sólido. MATERIA Transferencia entre dos puntos a diferente concentración. Desde alta Concentracion a baja Concentracion. Puede ser de modo molecular, sin turbulencias: difusión molecular en fluido en reposo o régimen laminar. Ley de Fourier: Ley de Fick: ⃑ T 𝑞𝐴 = -k∙ ∇ ⃑⃑⃑⃑ ⃑⃑⃑ ⃑ 𝑥𝐴 T 𝐽𝐴∗ = - c∙ 𝐷𝐴𝐵 ∙ ∇ Puede ser de modo turbulento: transferencia en un mismo fluido o entre distintas fases: convección Tratamiento: suponemos perfil lineal de Temperaturas, utilizando T en dos puntos extremos. Puede ser de modo turbulento: transferencia en un mismo fluido o entre distintas fases: convección Tratamiento: suponemos perfil lineal de la Concentracion del fluido de referencia, utilizando C en dos puntos extremos. 𝑞= 𝑄 = ℎ(𝑇0 − 𝑇1 ) 𝐴 𝑁𝐴 = 𝑊𝐴 𝐴 = 𝑘𝑐 (𝐶𝐴0 − 𝐶𝐴 ) OPERACIONES DE EQUILIBRIO: El agente separador origina que las corrientes de producto sean fases distintas con distinta composición del producto a separar debido a que las composiciones en equilibrio son distintas en ambas fases. • La fase generada: • Una sola fase: líquida o gaseosa (ej.: ósmosis inversa) * puede formarse a partir de la primera por un cambio de las condiciones de P ó T (agente separador: energía) (ej.: evaporación) * puede ser una fase ajena e inmiscible con la disolución original (agente separador: materia) (ej.: absorción) OPERACIONES GOBERNADAS POR LA VELOCIDAD: • a) Las corrientes de producto se encuentran en el mismo estado de agregación y son miscibles entre sí (no se forman nuevas fases). b) Se basan en la distinta velocidad con la que se mueven los distintos componentes de la disolución bajo la influencia de un gradiente de composiciones, T, P, campo eléctrico, etc. c) Una sola fase: líquida o gaseosa (ej.: ósmosis inversa) EJS. OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA Una sola fase