OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS

OPERACIONES UNITARIAS DE TRANSFERENCIA DE MASA: DESTILACIONINTRODUCCION A LA INGENIERIA QUIMICAINTRODUCCIONLa transferencia de masa juega un papel fundamental en la industria. Muchas son las aplicaciones que industrialmente estn gobernadas por los principios de transferencia de materia. Algunos de los ms importantes son: Destilacin, extraccin liquido-liquido, secado, absorcin, adsorcin y humidificacin.

2Conceptos Preliminares de Transferencia de MasaLa transferencia de masa como fenmeno tiene lugar en mezcla de compuestos, las cuales pueden ser binarias (dos compuestos), ternarias (tres compuestos) o multicomponentes (para ms de tres componentes).

3Transferencia de Masa

Mezcla Binaria de Compuestos

Antes de definir las leyes y ecuaciones que regulan latransferencia de masa es necesario definir lasdiferentes formas de contabilizar la cantidad de una especie (i) en una mezcla de n componentes.ConcentracionesComo regla general las concentraciones nos dicen cunto hay de un componente respecto a la mezcla. En la medida que las cantidades del componente y la mezcla son escritas en diferentes unidades (masa, volumen o moles), nacen las diferentes definiciones de concentraciones que conocemos y algunas otras menos comunes pero con aplicaciones muy importantes en procesos bien particulares.A continuacin se presentan las formas ms comunes de expresar las concentraciones de un componente en una mezcla:Concentracin Msica (i):Es la cantidad de masa del componente i por unidad de volumen de solucin o de mezcla.

De la definicin de concentracin msica, se desprende lo que se conoce como fraccin msica.

Concentracin Molar (Ci):Es la cantidad de moles del componente i por unidad de volumen de solucin. La suma de todas las contribuciones de los componentes es igual a la concentracin molar de la mezcla.

De su concepto se desprende lo que se conoce como fraccin molar

Velocidades Media de MasaEn un sistema de componentes mltiples, las diferentes especies se movern con frecuencia a diferentes velocidades; por lo tanto, para evaluar la velocidad de una mezcla, se necesitan promediar la velocidad de cada una de las especies presentes, para lo que primero debemos definir la velocidad de un compuesto i en la mezcla.UiUm= Velocidad relativa de la especie i a la velocidad media msica.UiUM = Velocidad relativa de la especie i a la velocidad media molar.

Relaciones de FlujoEl flujo msico, molar o volumtrico de una especie dada es una cantidad vectorial que denota la cantidad de la especie particular que pasa en un tiempo dado a travs de un rea unitaria. Por ejemplo un flujo msico de 2 kg m2 s1, quiere decir que cada vez que transcurre 1 segundo, a travs de una rea de 1 m2, pasan 2 kg de un compuesto en particular. Ecuacin de Fick para la Difusin MolecularSin embargo, cuando existen diferencias de concentraciones en una mezcla, se produce una migracin selectiva de los componentes de la mezcla cuya distribucin de concentraciones no sea uniforme.Este movimiento se da especficamente desde las zonas de alta concentracin hasta las zonas de baja concentracin (de la misma forma como en transferencia de calor el flujo se da desde la zona de alta temperatura hacia la zona de baja temperatura) y esto es lo que en fenmenos de transporte se conoce como TRANSFERENCIA DE MASA.Difusin MolecularLa difusin molecular (o transporte de molecular) puede definirse como la transferencia (o desplazamiento) de molculas individuales a travs de un fluido por medio de los desplazamientos individuales y desordenados de las molculas. Podemos imaginar a las molculas desplazndose en lnea recta y cambiando su direccin al rebotar otras molculas cuando chocan. Puesto que las molculas se desplazan en trayectorias al azar, la difusin molecular a veces se llama tambin proceso con trayectoria aleatoria.Difusin MolecularLas leyes de transferencia de masa ponen de manifiesto la relacin entre el flujo de las sustancias que se estn difundiendo y el gradiente de concentracin responsable de esta transferencia de masa.En la figura se muestra esquemticamente el proceso de difusin molecular. Donde se ilustra la trayectoria desordenada que las molculas de A que puede seguir difundindose del punto (1) al (2) a travs de las molculas de B. Si hay un nmero mayor de molculas cerca del punto (1) con respecto al punto (2) , entonces, y puesto que las molculas se difunden de manera desordenada en ambas direcciones, habr ms molculas de A difundindose de (1) a (2) que de (2) a (1). La difusin neta de A va de una regin de alta concentracin a otra de baja concentracin.Diagrama Esquemtico de Difusin Molecular

LEY DE FICKLa relacin bsica correspondiente a la difusin molecular define el flujo molar relativo a la velocidad molar media MJi. Fick fue quien primero postul una relacin emprica para este flujo molar y, por lo tanto, se le llama Primera LEY DE FICK. Esta define el componente A de difusin en un sistema isotrmico e isobrico. Si la difusin se lleva a cabo nicamente en la direccin z, la ecuacin de Fick de la rapidez de flujo molar es:Ley de FickMolar:

Msico:

Destilacin

DestilacinEl objeto de la destilacin es separar, mediante vaporizacin, una mezcla lquida de sustancias miscibles y voltiles en los componentes individuales o, en algunos casos, en grupos de componentes. La separacin de una mezcla de alcohol y agua en sus componentes; de aire lquido en nitrgeno, oxgeno y argn; y un crudo de petrleo en gasolina, queroseno, fuel oil y aceites lubricantes, son ejemplos de destilacin.DestilacinLadestilacines laoperacinde separar, mediantevaporizacinycondensacinen los diferentes componentes lquidos, slidos disueltos en lquidos o gases licuados de una mezcla, aprovechando los diferentespuntos de ebullicinde cada una de las sustancias ya que el punto de ebullicin es unapropiedad intensivade cadasustancia, es decir, no vara en funcin de la masa o el volumen, aunque s en funcin de la presin.

Destilacin SimpleO destilacin sencilla es una operacin donde losvaporesproducidos son inmediatamente canalizados hacia un condensador, el cual los enfra (condensacin) de modo que el destilado no resulta puro. Su composicin ser diferente a la composicin de los vapores a la presin y temperatura del separador y pueden ser calculada por laley de Raoult.

Destilacin FraccionadaLadestilacin fraccionada de alcohol etlicoes una variante de la destilacin simple que se emplea principalmente cuando es necesario separar lquidos conpuntos de ebullicincercanos.La principal diferencia que tiene con la destilacin simple es el uso de unacolumna de fraccionamiento. sta permite un mayor contacto entre los vapores que ascienden, junto con el lquido condensado que desciende, por la utilizacin de diferentes "platos.

Destilacin al VacoLadestilacin al vacoconsiste en generar un vaco parcial por dentro del sistema de destilacin para destilar sustancias por debajo de su punto de ebullicin normal. Este tipo de destilacin se utiliza para purificar sustancias inestables por ejemplo las vitaminas.Lo importante en esta destilacin es que al crear un vaco en el sistema se puede reducir el punto de ebullicin de la sustancia casi a la mitad.

Destilacin Azeotrpicaladestilacin azeotrpicaes una de las tcnicas usadas para romper unazetropoen la destilacin. Una de las destilaciones ms comunes con un azetropo es la de la mezcla etanol -agua. Usando tcnicas normales de destilacin, el etanol solo puede purificarse a aproximadamente el 95%.

Destilacin por Arrastre de VaporEn la destilacin por arrastre devapor de aguase lleva a cabo la vaporizacin selectiva del componente voltil de una mezcla formada por ste y otros "no voltiles". Lo anterior se logra por medio de la inyeccin de vapor de agua directamente en el interior de la mezcla, denominndose este "vapor de arrastre", pero en realidad su funcin no es la de "arrastrar" el componente voltil, sino condensarse en el matraz formando otra fase inmiscible que ceder su calor latente a la mezcla a destilar para lograr suevaporacin.

Destilacin SecaLadestilacin secaes la calefaccin de materialesslidosen seco (sin ayuda de lquidos solventes), para producir productosgaseosos(que pueden condensarse luego en lquidos o slidos). Este procedimiento ha sido usado para obtener combustibles lquidos de sustancias slidas, tales comocarbny madera. Esto tambin puede ser usado para dividir algunas sales minerales por termlisis, para obtencin de gases tiles en la industria.

Destilacin MejoradaCuando existen dos o ms compuestos en una mezcla que tienen puntos de ebullicin relativamente cercanos, es decir, volatilidad relativa menor a 1 y que forma una mezcla no ideal es necesario considerar otras alternativas ms econmicas a la destilacin convencional, como son:Destilacin alternaDestilacin reactiva

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