211612_presaberes

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD

ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS TECNOLOGIA E INGENIERIA

LECCION PRESABERES: 211611 – TRANSFERENCIA DE MASA

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA


PROGRAMA DE INGENIERIA DE ALIMENTOS

211612 TRANSFERENCIA DE MASA

ACTIVIDAD 1

REVISION DE PRESABERES

BOGOTA D.C.




Fundamentos de Transferencia de Masa

Transferencia de materia. Ley de Fick de la difusión A continuación se presenta la ley de Fick de la difusión, referente al movimiento de una sustancia a través de una mezcla binaria, debida a la existencia de un gradiente de concentración. El movimiento de una sustancia en el seno de una mezcla binaria, desde puntos de elevadas concentraciones a otros de más bajas, se puede intuir fácilmente. La difusión de un componente, debida a la existencia de un gradiente de concentración, recibe el nombre de difusión ordinaria.

Además, existen otros tipos de difusión, según sea la propiedad que confiere el movimiento al componente de la mezcla; así, si es debida a un gradiente de presión se trata de difusión de presión, si es debida a un gradiente térmico la difusión es térmica, cuando existe una desigualdad de fuerzas externas que provoca dicho movimiento se trata de difusión forzada.

El estudio de la difusión resulta más complicado que en los casos de transporte de cantidad de movimiento y energía, pues en la difusión se da el movimiento de una especie en el seno de mezclas. En una mezcla que difunde, las velocidades de los componentes individuales son distintas, debiéndose promediar dichas velocidades para obtener la velocidad local de la mezcla, que es necesaria para poder definir las velocidades de difusión. Para llegar a la expresión de la ley de Fick es conveniente definir las distintas formas de expresar las concentraciones, velocidades y densidades de flujo.

Figura 1. Formación del perfil de temperatura.




A continuación se pasa a estudiar la transferencia de materia. Para ello, se considera una mezcla binaria, de componentes A y B, de forma que la difusión de uno de ellos es debida a la existencia de un gradiente de concentración del componente considerado. Así como para la transferencia de cantidad de movimiento y de energía se definían la viscosidad y conductividad térmica como factores de proporcionalidad entre la densidad de flujo de cantidad de movimiento y el gradiente de velocidad para la viscosidad (ley de Newton de la viscosidad), y entre la densidad de flujo de calor y el gradiente de temperatura para la conductividad térmica (ley de Fourier de la conducción de calor); de modo análogo se define la difusividad DAB = DBA en una mezcla binaria, como el factor de proporcionalidad entre la densidad de flujo de materia y el gradiente de concentración, según la ecuación:

La anterior ecuación representa la primera ley de Fick de la difusión para la densidad de flujo molar. Además del gradiente de concentración también los de temperatura, presión y fuerzas externas contribuyen a la densidad de flujo de difusión, aunque sus efectos son pequeños en comparación con el gradiente de concentración. Ello indica que la densidad de flujo molar de difusión relativa a la velocidad v * es proporcional al gradiente de la fracción molar. El signo negativo expresa que esta difusión tiene lugar desde zonas de mayor a menor concentración.

Las unidades de la difusividad son de área por unidad de tiempo, pudiendo expresarse en cm2/s o m2/h o m2/s.




Transferencia de Masa versus Transferencia de Calor

Mecanismos de los fenómenos de transporte

El mecanismo de transmisión de energía mediante ondas electromagnéticas recibe el nombre de radiación, pudiéndose realizar a través de vacío, sin necesidad de medio material para transmitirse. Sin embargo, las demás formas de transmisión de energía y de transporte de cantidad de movimiento van asociados de un modo u otro al movimiento de materia, aunque no exista una transferencia neta de la misma. Así, en la transmisión de calor por conducción en un medio material continuo, no existe ningún desplazamiento de materia a escala macroscópica, aunque sí a nivel molecular, por desplazamiento de los electrones libres (en los metales) o por vibración de las moléculas o iones de los sólidos. Con lo cual, al ir asociados estos distintos fenómenos de transporte, resulta interesante un tratamiento conjunto de los mismos. El tratamiento de las tres propiedades referidas puede tener lugar por dos mecanismos bien diferenciados:

• Transporte molecular.

• Transporte turbulento.

En el transporte molecular la transferencia de la propiedad se realiza molécula a molécula, bien por desplazamientos de las moléculas individuales o bien por interacciones entre ellas. El transporte turbulento se produce cuando grandes grupos de moléculas se trasladan en forma de agregados o torbellinos, transportando con ellos cantidad de movimiento, materia o energía. Estos agregados sirven como medio transportador, y transfieren la propiedad a otros grupos de moléculas que interaccionan con ellas. El transporte molecular puede presentarse sólo, mientras que el transporte turbulento nunca se presenta aislado, sino que siempre va acompañado de transporte molecular.

Transferencia de materia

Para estudiar el mecanismo de transporte de materia puede suponerse un componente cualquiera de la materia considerada, que se transfiere de un punto a otro del sistema que se está estudiando. Esta transferencia de masa puede tener lugar según dos mecanismos, por flujo molecular o advectivo. Cuando existe un gradiente de concentración del componente considerado entre dos puntos del sistema, se produce la transferencia de masa por flujo molecular. Sin embargo, cuando toda la masa se mueve desde un punto hacia el otro, la transferencia se produce por flujo advectivo.

Según la naturaleza física del medio considerado pueden presentarse diferentes situaciones, en las que la transferencia de materia se realiza por uno o los dos mecanismos de transporte considerados.




Figura 2. Flujos molecular y advectivo simultáneos.

a) Cuando no existe un gradiente de concentración del componente considerado, si el medio es fluido, sólo puede haber transporte advectivo. Pero este tipo de problema se estudia como transporte de cantidad de movimiento y no de materia.

b) Cuando existe un gradiente de concentración del componente, y el medio es un fluido en reposo, la transferencia de materia se realiza por flujo molecular, siendo debida únicamente a la difusión molecular. Así, si se considera un vaso de precipitado que se llena de agua, y en el que se introduce un cristal de un colorante en el fondo del vaso. Se observará que el cristal se disuelve paulatinamente, difundiéndose en todo el vaso, pues la concentración en los alrededores del cristal es superior a las de otras zonas. Esta difusión tiene lugar hasta que se llega al equilibrio.

Transmisión de energía

Como ya se ha mencionado al inicio de este apartado, la transmisión de energía por radiación tiene un mecanismo distinto de los de conducción y convección. Es interesante mencionar algunos aspectos de la transmisión de energía por estos dos últimos tipos. La conducción supone un flujo de energía molécula a molécula, debido a la existencia de gradientes de temperatura, mediante mecanismos que dependen de la naturaleza física del medio. Por analogía con la difusión de materia, el principio de estos mecanismos se explica a nivel atómico-molecular, pero se diferencian en que en el caso de la conducción no existe un flujo neto de materia. Cuando el medio considerado es un fluido, si existe un gradiente de temperaturas, esto hará que en muchos casos exista una notable diferencia de densidad. Por tanto, existirá un flujo de materia debido a las fuerzas de flotación, que llevará asociado un flujo de energía de tipo convección natural. También existe la convección forzada, que al igual que la natural es debida a la energía asociada a los fluidos en movimiento. Pero en este caso la energía comunicada para poner en movimiento al fluido se logra mediante dispositivos mecánicos. Además de la convección, también se presentará transmisión de energía por conducción, pero ésta es de mucha menor importancia. De modo general, en los medios fluidos, la transmisión de energía se estudia como un fenómeno de convección, englobando la convección y conducción.




Operaciones Unitarias de Transferencia de Masa, Cal or, Cantidad de Movimiento y Calor-Masa

Las operaciones de transferencia de materia están controladas por la difusión de un componente en el seno de una mezcla. De otro lado en las operaciones unitarias de transporte de cantidad de movimiento se estudian los procesos en que se ponen en contacto dos fases, cuya velocidad es distinta. Es importante recordar que las operaciones unitarias de transmisión de calor están controladas por los gradientes de temperatura. Por último las operaciones unitarias de transferencia simultánea de masa y calor se presentan cuando existe a la vez un gradiente de concentración y de temperatura.




Interacción Aire - Agua

Interacción Aire - Agua Las operaciones en las que existe una interacción aire-agua están basadas en la transferencia de materia entre dos fases, estando presentes dos componentes. Se supone que la fase líquida está constituida por agua pura, mientras que la fase gaseosa estará formada por un gas inerte que contiene vapor de agua. Se considera que la transferencia de materia tiene lugar exclusivamente en fase gas, pudiendo el vapor de agua pasar de la interfase al seno del gas o bien de esta interfase al seno del líquido, dándose, en cualquier caso, en el sentido normal a la superficie. Los mecanismos de transferencia involucrados en estos procesos son una combinación de transporte turbulento y difusión. Al existir un cambio de fase, la transferencia de materia va acompañada de una transmisión de calor. La interacción aire-agua se aplica en diferentes procesos, pudiéndose destacar como los más relevantes el acondicionamiento de aire y el enfriamiento de agua por evaporación. Las operaciones de humidificación y deshumidificación de aire se basan en el acondicionamiento de aire utilizado en los procesos de conservación de alimentos. Además, las operaciones de secado de alimentos se basan en la interacción entre aire-agua, en la que el agua contenida en el alimento se transfiere al aire en forma de vapor.




APLICACIONES AGROINDUSTRIALES E INDUSTRIALES DE LA TRANSFERENCIA DE MASA

SECADO DE FRUTAS Y VEGETALES

La fruta seca es un producto que se obtiene del secado realizado a diversas frutas especiales, propensas a este proceso para extraerle el agua debido a que eliminando esta al máximo se preserva ya que no hay medio para que crezcan bacterias o hongos. Se llega a reducir el contenido de humedad en el cuerpo de la misma hasta llegar a un 20% del peso. Este proceso de deshidratación tiene dos finalidades que son: 1) aumentar sus posibilidades de preservación 2) reforzar el sabor de las frutas sometidas a este procedimiento. Se las puede considerar como un simple aperitivo, o incluso algunas cocinas del mundo las suelen emplear como ingredientes en la elaboración de algunos platos.

El proceso de secado de estas frutas destruye alguna cantidad de vitamina C, es por esta razón por la que el consumo de este producto procesado tiene un menor contenido de esta vitamina que el de la fruta fresca. Algunas frutas se secan con algunas trazas de dióxido de azufre para darle algún color llamativo, es el caso de los melocotones.

Figura 3. Fruta seca

OBTENCIÓN DE LADRILLOS

El secado es una de las fases más delicadas del proceso de producción de ladrillos. De esta etapa depende, en gran parte, el buen resultado y calidad del material, más que nada en lo que respecta a la ausencia de fisuras. El




secado tiene la finalidad de eliminar el agua agregada en la fase de moldeado para, de esta manera, poder pasar a la fase de cocción.

Esta fase se realiza en secaderos que pueden ser de diferentes tipos. A veces se hace circular aire, de un extremo a otro, por el interior del secadero, y otras veces es el material el que circula por el interior del secadero sin inducir corrientes de aire. Lo más normal es que la eliminación del agua, del material crudo, se lleve a cabo insuflando, superficialmente, al material, aire caliente con una cantidad de humedad variable.

211612_presaberes

Documents