fUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE MASA

1. Fundamentos de transferencia de
masa
Procesos Industriales IV

2. Transferencia de masa
Los fenómenos de transferencia
de masa se refieren al
movimiento de las moléculas o
de corrientes de fluido causadas
por una fuerza impulsora.

3. Transferencia de masa
Los principales campos de interés
de la transferencia de masa son
la difusión molecular, el
transporte de masa por
convección y el transporte de
masa entre fases.

4. Transferencia de masa
En las operaciones de
transferencia de masa, ninguna
de la fases en el equilibrio consta
de un único componente.

5. La difusión de masa ocurre en:
* Líquidos
* Sólidos
* Gases
Como la transferencia de masa está
fuertemente influida por el espacio
molecular, la difusión ocurre más fácilmente
en gases que en líquidos y más fácilmente
en líquidos que en sólidos.

6. DIFUSIÓN Y DIFUSIVIDAD
La difusión es el movimiento, bajo la influencia de un estimulo físico, de un
componente individual a través de una mezcla. La causa más frecuente de
la difusión es un gradiente de concentración del componente que difunde.
Un gradiente de concentración tiende a mover el componente en una
dirección tal que igual las concentraciones y anule el gradiente.
La difusión puede ser originada por un:
 Gradiente de concentración,
 Gradiente de presión (difusión de presión),
 Gradiente de temperatura (difusión térmica),
 Y la debida a un campo externo (difusión forzada).

7. LEY DE FICK
La rapidez de difusión se expresa por la ley de difusión de Fick, la
cual establece que el flujo de masa por unidad de área de un componente
es proporcional al gradiente de concentración.
Tipos de transporte (analogías)
• La ecuación de conducción de calor describe el transporte de energía.
• La ecuación de viscosidad describe el transporte de momento a través de
las capas fluidas.
• La ley de difusión describe el transporte de masa.
Para gases, la ley de Fick puede expresarse en función de las
presiones parciales utilizando la ecuación de estado de los gases
perfectos. (Esta transformación funciona sólo con gases a presiones
bajas o en estados en los que es aplicable la ecuación de estado de los
gases perfectos.)

8. PRIMERA LEY DE FICK
La densidad de flujo JA se supone que es proporcional al gradiente de
concentración dcA/db, y a la difusividad del componente A en su mezcla
con el componente B, que se representa por D:
JA= - DAB dcA
db
Para el componente B se deduce una ecuación similar:
JB= - DBA dcB
db
Estas dos ecuaciones corresponden a la primera ley de Fick de la
difusión para una mezcla binaria. Obsérvese que esta ley esta basada en
tres decisiones:

9. 1. La densidad de flujo está en moles/área-tiempo.
2. La velocidad de difusión es relativa a la velocidad
volumétrica media.
3. El potencial impulsor está en términos de concentraciones
molares (moles de componente A por unidad de volumen).
Las dimensiones de DAB son longitud al cuadrado por
tiempo, y generalmente se expresa en m2 por segundo o en
cm2 por segundo.
Otra forma de representar la primera ley es la siguiente:
PRIMERA LEY DE FICK

10. Para un flujo de masa
Donde:
jA = flujo de masa de la especie A
DAB = coeficiente de difusión binaria o difusividad de masa DAB
AABA mDj  
Am

= gradiente en la fracción masa de la especie A
= densidad de la masa de la mezcla en Kg./m3

11. AAABA xmCDJ 
AAxm
Para un flujo molar
Donde:
J*
A = flujo de masa de la especie A (kmol/s . m2)
DAB = coeficiente de difusión binaria o difusividad de masa DAB
C = Concentración molar total de la mezcla (Kmol/m3)
= gradiente de la fracción molar de la especie A

12. CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES DE
SEPARACIÓN
Fase Operaciones básicas
Gas-líquido Absorción
Destilación/Rectificación
Humidificación
Evaporación
Líquido-líquido Extracción
Ósmosis/Ósmosis inversa
Líquido-sólido Adsorción
Intercambio iónico
Lixiviación
Cristalización
Filtración
Sedimentación
Centrifugación
Gas-sólido Adsorción
Secado
Liofilización
Según las fases que intervienen

13. Según el mecanismo controlante
Mecanismo Operaciones básicas
Transferencia de materia Destilación/Rectificación
Absorción
Adsorción
Extracción
Lixiviación
Intercambio iónico
Ósmosis/Ósmosis inversa
Transmisión de calor Evaporación
Transferencia simultánea de materia y calor Humidificación
Secado
Cristalización
Liofilización
Transporte de cantidad de movimiento Filtración
Sedimentación
Centrifugación

14. Objetivo Tipo de residuo Operación
Separación de fases Suspensiones, lechadas
Suspensiones coloidales
Lodos
Sedimentación, filtración, centrifugación
Ultrafiltración
Filtración, centrifugación
Separación de metales y
aniones solubles
Disoluciones Intercambio iónico, ósmosis inversa
Separación de compuestos
orgánicos
Disoluciones acuosas Adsorción, extracción, ultrafiltración
Recuperación de disolventes Disoluciones Destilación, arrastre por vapor,
evaporación, ósmosis inversa
Eliminación de
microorganismos patógenos
Disoluciones acuosas, lodos Ultrafiltración
Separación de contaminantes Corrientes gaseosas Adsorción, absorción gas-líquido
Separación de partículas
sólidas
Corrientes gaseosas y efluentes
líquidos
Sedimentación, centrifugación, filtración
Separación de partículas
sólidas de pequeño tamaño
Efluentes líquidos, disoluciones
coloidales y salinas
Microfiltración, ultrafiltración, ósmosis
inversa
Según el objetivo

15. FILTRACIÓN
Separación de las partículas
suspendidas en un fluido
mediante su retención sobre un
material poroso
Tratamiento de aguas
residuales mediante
lechos de arena

16. SEDIMENTACIÓN
Separación de partículas sólidas o
gotas de un fluido por acción de la
gravedad
Separación de lodos
producidos en el
tratamiento de aguas
residuales

17. EVAPORACIÓN
Separación de los componentes
volátiles de una disolución en la que
el soluto es no volátil por generación
de su vapor mediante calefacción
Concentración de
zumos de frutas por
eliminación de agua

18. EXTRACCIÓN
Separación de los componentes de
una mezcla líquida mediante un
disolvente inmiscible con ella.
Extracción de
aromáticos de los
aceites lubricantes con
furfural

19. CENTRIFUGACIÓN
Separación de sólidos o líquidos de
emulsiones o suspensiones por actuación
de la fuerza centrífuga
Separación del agua
mezclada con aceites
vegetales en su proceso de
extracción

20. RECTIFICACIÓN
Separación, a través de sucesivas
vaporizaciones parciales, de uno o
varios componentes de una mezcla
fluida mediante calefacción o
enfriamiento
Separación del crudo
petrolífero en fracciones
de distinta volatilidad

21. ABSORCIÓN
DESORCIÓN
Separación de uno o varios componentes
de una mezcla gaseosa mediante su
disolución selectiva en un líquido
Absorción de amoniaco del
aire en agua

22. ADSORCIÓN
Separación de uno o varios componentes
de una mezcla líquida o gaseosa mediante
un sólido adsorbente
Adsorción de compuestos
fenólicos en disolución
acuosa con carbón activo

23. SECADO
Separación de un líquido que
impregna un sólido, mediante su
vaporización en un gas,
normalmente aire
Secado de materiales
cerámicos porosos en
corriente de aire
caliente

24. ÓSMOSIS INVERSA
Fenómeno natural en el cual agua pasa a
través de una membrana semi-permeable,
desde una solución menos concentrada a una
solución más concentrada.
Dessalinización del mar

25. DESTILACIÓN
Separación de una mezcla líquida por
vaporización parcial de la misma y
condensación del vapor generado
Obtención de etanol a
partir de mezclas
hidroalcohólicas