Difusión

UNIVERSIDAD ARTURO PRAT

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA

3.

TEORIAS DE TRANSFERENCIA DE MATERIA

De la misma forma como la transferencia de calor se produce por un gradiente de temperatura, la transferencia de materia es un proceso que se debe a la existencia de un gradiente de concentración en un fluido formado por dos o más componentes.

En un fluido en reposo, o que circula en régimenlaminar en dirección perpendicular al gradiente de velocidad, la transferencia de materia se produce como consecuencia del movimiento al azar de las moléculas. En flujo turbulento este mecanismo se complementa con la transferencia de materia debida a las corrientes de remolinos.

La transferencia de materia puede ocurrir tanto en la fase líquida como en la fase gaseosa, o en ambassimultáneamente. Cuando un líquido se evapora hacia un gas en reposo, el vapor se transfiere desde la superficie del líquido hacia la masa del gas; el proceso continúa hasta que:

-

todo el líquido se evapore o el gas se sature o el gradiente de concentración sea cero.

Columna de relleno L gas G

líquido L G

En la absorción de un gas soluble desde una mezcla con un gas insoluble; la T.M. tiene lugardesde la masa del gas hacia la superficie del líquido y posteriormente hacia el interior de la masa del líquido.

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Por otra parte en una columna de destilación el componente menos volátil (pesado) difunde en la fase gaseosa hacia la superficie del líquido, y el más volátil (liviano)lo hace en sentido contrario. Además en la fase líquida ocurre algo semejante, donde el componente pesado difunde desde la interface gas-líquido hacia la masa del líquido.
liviano

alimentación

pesado

En general, se puede decir que dentro de las operaciones básicas de transferencia hay cierta cantidad cuya finalidad es la separación total o parcial de los componentes de una mezcla pordifusión. Dentro de las operaciones clásicas de difusión se tiene:

-

humidificación secado destilación

-

extracción adsorción absorción

Todas ellas están basadas en el contacto entre fases inmiscibles, con redistribución de los componentes siguiendo la tendencia al equilibrio. difusionales no tradicionales: Además están las operaciones

-

diálisis electrodiálisis

-

osmosisefusión de gases

que son operaciones que se realizan por contacto de fases miscibles a través de membranas permeables o semi-permeables.

Tanto en las operaciones clásicas como en las otras los componentes se mueven, difunden, con una cierta velocidad.

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En una mezcla de 2componentes, A y B, la velocidad de transferencia de masa del componente A depende de la velocidad de difusión de A y del comportamiento de B. La ecuación que expresa esta relación fue desarrollada por Fick y lleva su nombre:

Ley de Fick:

N A = - DAB

d CA dy

(3.1)

donde

NA DAB CA y

: : : :

velocidad molar de difusión por unidad de área. difusividad de A en B, propiedad física delos dos vapores. concentración molar de A distancia en la dirección de difusión

análogamente para B:

N B = - D BA

d CB dy

Nótese la analogía con la ecuación de Fourier de transferencia de calor

(dQ = -K

dT ) dx

Ahora bien, si el flujo es turbulento, habría además de la difusión molecular, difusión de remolino y la velocidad de difusión aumenta a:

N A = -( D AB + E D )

dCA dy

donde ED es la difusividad de remolino, valor que aumenta con la turbulencia y que es más difícil de evaluar que DAB.

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Supongamos, momentáneamente, que se tiene una mezcla de 2 componentes que se encuentran bajo presión constante, y por lo tanto concentración molar total...