ACTIVIDAD Nº 1

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.

El modelo aceptado para describir la transferencia de masa, es el de:

Su respuesta :

Fick

Respuesta Correcta, ya que se utiliza para describir la transferencia de masa.

Entre líquidos, gases y sólidos ¿cuál se difunde más rápido y cuál es su explicación molecular?

Su respuesta :

Los gases, por tener más espacio entre moléculas y por ende menos choque intermolecular entre ellas.

Respuesta correcta: Los gases, por tener más espacio entre moléculas y por ende menos choque intermolecular entre ellas, favorecen la velocidad de transferencia.

Relacione cada una de las siguientes mezclas con el rango de difusividad correspondiente.

Su respuesta :

0.776 a 0.096 = gas-gas2 x 10-5 a 0.2 x 10-5 = líquido-líquidogas en un sólido = 0.6 x 10-8 a 8.5 x 10-112.5 x 10-15 a 1.3 x 10-30 = un sólido en otro

Correcto

EvapSepExt

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. 

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.

Figura 2. Flujos molecular y advectivo simultáneos. 

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. 

Cúal es el potencial de transferencia de calor análogo al de transferencia de masa?

Su respuesta :

Temperatura.

Respuesta correcta, debido a que es el potencial análogo a concentración(potencial químico) de masa en los fenómenos de transferencia de masa.

¿Una de las condiciones para que exista analogía entre los fenómenos de transferencia de calor y masa es que no exista reacción química?Su respuesta :

Verdadero

Respuesta correcta, dado que de haber reacción química se tendría que tener en cuenta la materia que se transforma además de la que se transfiere, haciendo que la analogía no se de.

Operaciones Unitarias de Transferencia de Masa, Calor, 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.

Cuando nos encontramos frente a una operación en la cual ocurre una separación de dos o más componentes aprovechando la diferencia de presiones podemos afirmar que esta se trata de una operación de transferencia de:

Su respuesta :

Masa

Esta es la respuesta correcta

nteracción 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. 

Si una corriente de aire no saturado circula por una superficie de agua, existe una transferencia de calor desde el aire hacia el agua, que trae consigo el que se evapore agua, que pasa al aire. La evaporación hace disminuir la temperatura del agua, mientras que el aire se acerca más a las condiciones de saturación. Al final se alcanza una situación estacionaria, en la que la transmisión de calor desde el aire hacia el agua equilibra el calor necesario para vaporizar el agua. En estas condiciones estacionarias se dice que el agua se encuentra a la temperatura de termómetro seco.

Su respuesta :

Falso

Esta es la respuesta correcta

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.

¿El proceso de secado de ladrillos se debe llevar con cuidado porque sino se pueden presentar cambios de color?

Su respuesta :

Falso.

Respuesta correcta, porque lo que se pude presentar son grietas o fisuras.

ACTIVIDAD Nº 3

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.

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:

que es la primera ley de Fick de la difusión para la densidad de flujo molar. El signo negativo expresa que esta difusión tiene lugar desde zonas de mayor a menor concentración.

Cuando la concentración global es constante, o bien si no existe reacción química, o cuando existiendo reacción química no hay variación en el número de moles, la ecuación anterior se puede transformar en:

De todas las posibles expresiones de la primera ley de Fick de la difusión, una de las que tiene mayor importancia es la relativa a la densidad de flujo molar en ejes fijos o estacionarios:

Se observa que NA es la resultante de dos magnitudes vectoriales, XA (NA + NB), que es la densidad de flujo molar por transporte convectivo, resultado del movimiento global del fluido, y de

, debido al transporte molecular, según se ha definido JA*.

La suma de 

  de una mezcla binaria es cero.

Su respuesta :

Verdadero

Correcto, porque si un componente se difunde hacia un lado, el otro lo hace en sentido opuesto.

La difusividad DAB para una mezcla binaria es función de la:

Su respuesta :

Temperatura, la presión y la composición.

Correcto.

Las unidades de la difusividad son: 

Su respuesta :

Área por unidad de tiempo

Correcto.

Tabla 1. Difusividades Experimentales en Estado LíquidoSistema  

 

XA

 

DAB x 105 (cm2s-1)  

Clorobenceno (A)

 

Bromobenceno (B)

 

0.0332 1.007

0.9652 1.291

0.5122 1.146

De acuerdo con la tabla anterior es de esperar que para cuando XA = 0.2642:

Su respuesta :

1.146 < DAB < 1.291

Correcto

En una mezcla que difunde las velocidades de los componentes individuales son distintas.

Su respuesta :

Verdadero

Correcto

¿Para las mismas condiciones de flujo y concentraciones, pero con una geometría diferente, la difusividad aumenta?

Su respuesta :

Falso

Correcto

Absorción La absorción puede ser un fenómeno puramente físico, en la que los gases se disuelven en el líquido disolvente; así, por ejemplo, el dióxido de carbono de una mezcla de gases puede eliminarse haciendo pasar la mezcla de gas a través de agua, en la que el anhídrido carbónico se disuelve, obteniéndose agua carbónica. Sin embargo, existen otros casos en los que además de la disolución del gas o gases en el disolvente, tiene lugar una reacción química que influye sobre la velocidad de absorción, aunque en general ésta no es la etapa controlante. Ejemplos de absorción con reacción química son la eliminación de dióxido sulfuroso mediante absorción del mismo en agua, o bien la absorción de dióxido de carbono en una solución de hidróxido sódico.La operación contraria, en la que un soluto pasa de la fase líquida a la gaseosa, se la denomina desorción (stripping). En la industria alimentaria suelen utilizarse procesos de desorción cuando se desea eliminar los hidrocarburos presentes en aceites que han sido obtenidos por extracción con disolventes.La absorción, generalmente, se realiza en columnas de platos o de relleno. En el primer caso, la transferencia de materia se realiza en cada plato, llegándose al equilibrio, siempre y cuando se suponga que la eficacia del plato sea total. Para las columnas de relleno, la transferencia de materia se realiza a lo largo de toda la columna, de forma continua. El modo más frecuente de operar es haciendo circular las corrientes de gas y líquido en contracorriente, ya que así se obtiene un mayor gradiente de concentración, lo que facilita que la absorción sea más rápida.A veces, la absorción puede llevarse a cabo en columnas de pulverización, de borboteo, de paredes mojadas, aunque también se utilizan tanques agitados y

otros tipos de equipos. A pesar de la gran variedad de aparatos que se pueden utilizar en los procesos de absorción, en este capítulo se estudiarán con detalle el cálculo de columnas de relleno, realizando unas pequeñas consideraciones sobre las de platos.

Relacione las definiciones u operaciones según corresponda.

Su respuesta :

Absorción = Operación unitaria de transferencia de materia entre fases, utilizada para la separación de uno o más componentes de una mezcla de gases por absorción de los mismos en un líquido adecuado.Extracción = Disolución de una mezcla (líquida o sólida) en un disolvente selectivo.Adsorción = Proceso en el que un componente de una corriente líquida o gaseosa es retirado y adsorbido por un adsorbente sólido.Lixiviación = Extracción Sólido-Líquido

Correcto.

Cuando la lixiviación tiene por objeto eliminar con agua un componente indeseable de un sólido, el proceso recibe el nombre de lavado.

Su respuesta :

Verdadero

Correcto.

Extracción Líquido-Líquido La extracción líquido-líquido es, junto a la destilación, la operación básica más importante en la separación de mezclas homogéneas líquidas. Consiste en separar una o varias sustancias disueltas en un disolvente mediante su transferencia a otro disolvente insoluble, o parcialmente insoluble, en el primero. La transferencia de materia se consigue mediante el contacto directo entre las dos fases líquidas. Una de las fases es dispersada en la otra para aumentar la superficie interfacial y aumentar el caudal de materia transferida. En una operación de extracción líquido-líquido se denomina alimentación a la disolución cuyos componentes se pretende separar, disolvente de extracción al

líquido que se va a utilizar para separar el componente deseado, refinado a la alimentación ya tratada y extracto a la disolución con el soluto recuperado.

Después de terminada la fermentación y la estabilización del vino, éste se puede llevar hasta una fermentación acética para la transformación del alcohol presente a ácido acético; terminada esta segunda fermentación se ha constituido el vinagre. Se requiere la extracción de ácido acético presente en el vinagre (solución agua-ácido acético), extraída mediante un solvente orgánico, en un sistema de extracción de contacto sencillo. Para lograr separar el ácido acético del vinagre, se analiza la efectividad del Éter isopropílico para la separación de la  mezcla, para diferentes concentraciones de mezcla agua-ácido acético de una  carga de alimento.En acuerdo con lo anterior podemos afirmar que el ácido acético es:

Su respuesta :

El alimento

Correcto

Uno de los siguientes valores corresponde al recuadro que aparece en blanco en la siguiente figura:

Su respuesta :

36.26

Correcto

ACTIVIDAD Nº 5

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.

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.

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.

c) Cuando existe un gradiente de concentración y el medio es un fluido que se mueve en régimen laminar, la transferencia de materia se realiza por los dos mecanismos.

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.

De otro lado la difusión es un movimiento de soluto o de solvente, donde la agitación térmica y la diferencia de concentración son las fuerzas impulsoras. El flujo se denomina FLUJO DIFUSIONAL.

Aun cuando la rapidez de difusión de gases, líquidos y sólidos es diferente, en estos últimos suelen ser menores que en los primeros. La transferencia de masa en los sólidos es muy importante en los procesos químicos y biológicos. Algunos ejemplos son la lixiviación de sólidos como la soya y algunos minerales metálicos; el secado de madera, sales y alimentos; la difusión y reacción catalítica en catalizadores sólidos; la separación de fluidos mediante membranas; la difusión de gases a través de ias películas de polímeros usadas en los empaques; y el tratamiento gaseoso de metales a temperaturas elevadas.

En los procesos de transporte molecular, lo que nos ocupa en general es la transferencia o desplazamiento de una propiedad o entidad dada mediante el movimiento molecular a través de un sistema o medio que puede ser un fluido (gas o líquido) o un sólido. Esta propiedad que se transfiere puede ser masa, energía térmica (calor) o momento lineal.

Cada molécula de un sistema tiene una cantidad determinada de la masa, energía térmica o momento lineal asociada a ella, cuando existe una diferencia de concentración de cualquiera de esas propiedades

de una región a otra adyacente, ocurre un transporte neto de esa propiedad. En los fluidos diluidos, como los gases, donde las moléculas están relativamente alejadas entre sí, la velocidad de transporte de la propiedad será relativamente alta puesto que hay pocas moléculas presentes para bloquear el transporte o para interactuar. En fluidos densos, como los líquidos, las moléculas están próximas entre sí y el transporte o la difusión se realizan con más lentitud. En los sólidos, las moléculas están empacadas más estrechamente que en los líquidos y la migración molecular es aun más restringida.

Has click en el siguiente enlace, para ver una de las tantas aplicaciones en las que intervienen los fenomenos de difusión molecular.

http://www.youtube.com/watch?v=3xx4AUcT-D4

Habiendo llegado a este punto, es necesario señalar que la Ley de Fick es sólo la descripción de algo que ocurre a nivel experimental: Desde el punto de vista termodinámico se puede decir que la concentración es una manifestación de la energía del sistema. Si aceptamos que un cuerpo rueda por la ladera de una montaña "barranca abajo", a favor de una diferencia de energla potencial, también debemos pensar que, en la difusión, y en todos los fenómenos pasivos, las partículas también van "barranca abajo", a favor de un gradiente de concentración. La energfa debida a la concentración puede ser resumida en el término POTENCIAL QUÍMICO.

Su respuesta :

Verdadero.

Respuesta correcta.

La definición clásica de difusión dice: "Difusión es el pasaje de una sustancia desde el lugar más concentrado al lugar menos concentrado". Como se puede ver, esto es correcto para el flujo neto, pero también hay difusión con concentraciones iguales.

Su respuesta :

Verdadero.

Respuesta correcta.

Si dejamos sobre una mesa un recipiente con agua, o con agua y solutos formando una solución verdadera, podemos afirmar, a simple vista, que el agua o la solución están en reposo . Sin embargo esto sólo es cierto a nivel macroscópico, ya que a nivel molecular o atómico las partículas, ya sean de soluto o de agua, están en permanente movimiento.

Su respuesta :

Verdadero.

Correcto

De acuerdo con figura 1, que se muestra a continuación:

                     Figura 1

¿Cuál será la concentración de equilibrio mmol/Leq, una vez se haya retirado la membrana impermeable?

Su respuesta :

233

Correcto.

Los procesos típicos en los que no hay una reacción química son, entre otros, secado, evaporación, dilución de soluciones, destilación, extracción, y pueden manejarse por medio de balances de materia con incógnitas y resolviendo posteriormente las ecuaciones para despejar dichas incógnitas.

La difusión de solutos en líquidos es muy importante en muchos procesos industriales, en especial en las operaciones de separación, como extracción líquido-líquido o extracción con disolventes, en la absorción de gases y en la destilación. La difusión en líquidos también es frecuente en la naturaleza, como en los casos de oxigenación de ríos y lagos y la difusión de sales en la sangre.

Resulta evidente que la velocidad de difusión molecular en los líquidos es mucho menor que en los gases. Las moléculas de un líquido están muy cercanas entre sí en comparación con las de un gas, por tanto, las moléculas del soluto A que se difunde chocarán contra las moléculas del líquido B con más frecuencia y se difundirán con mayor lentitud que en los gases. En general, el coeficiente de difusión es de un orden de magnitud 105 veces mayor que en un líquido. No obstante, el flujo específico en un gas no obedece la misma regla, pues es sólo unas 100 veces más rápido, ya que las concentraciones en los líquidos suelen ser considerablemente más elevadas que en los gases.

Para separar uno o más de los componentes de una mezcla, ésta se pone en contacto con otra fase.

Dichas fases pueden ser gas-líquido, vapor-líquido, líquido-líquido o líquido-sólido. Los procesos de separación por extracción líquido-líquido. Otros nombres que también se usan sonextracción con líquido o extracción con disolvente.

En la destilación, el líquido se vaporiza parcialmente para crear otra fase, que es un vapor. La separación de los componentes depende de las presiones de vapor relativas de las sustancias. La fase de vapor y la líquida tienen gran semejanza química. En la extracción líquido-líquido, ambas fases son químicamente muy diferentes, lo que conduce a una separación de los componentes de acuerdo con sus propiedades físicas y químicas.

Algunas veces la extracción por disolvente se usa como una alternativa a la separación por destilación o evaporación. Por ejemplo, el ácido acético se separa del agua por destilación o por extracción con disolvente, usando un disolvente orgánico. Después de esta operación, el producto resultante (disolvente orgánico-ácido acético) se destila. La selección de destilación o extracción con disolvente depende en gran parte, de los costos relativos. Otro ejemplo son los ácidos grasos de alto peso molecular que se pueden separar de los aceites vegetales por extracción con propano líquido o por destilación al alto vacío, la cual es más costosa.

En la industria farmacéutica algunos productos como la penicilina se presentan en mezclas de fermentación bastante complejas, y se usa la extracción con líquido para separar la penicilina. Muchas separaciones de metales se llevan a cabo comercialmente por extracción de soluciones acuosas, como cobre-hierro, uranio-vanadio y tantalio-columbio.

En la extracción líquido-líquido se separa un componente de una mezcla líquida, con ayuda de un disolvente, que preferentemente lo disuelve. Campos de aplicación son, por ejemplo, la separación de vitaminas de soluciones acuosas, separación de aromáticos de fracciones de petróleo.

Con la extracción sólido-líquido se puede extraer componentes solubles de sustancias sólidas con ayuda de un disolvente.Campos de aplicación de este procedimiento son, por ejemplo, la obtención de aceite de frutos oleaginosos o la lixiviación de minerales.

Considere un sistema en equilibrio agua-aire-amoniaco en el que la solución de amoniaco en agua consta de 48 g de amoniaco en 150 g de agua. Con base en lo anterior ¿Cuál es la fracción molar de amoniaco en la fase líquida? MH20 = 18 g/g-mol y MNH3 = 17 g/g-mol

Su respuesta :

0.23

Respuesta correcta.

En los procesos de extracción por solventes el Extracto es él:

Su respuesta :

Solvente con la sustancia extraída, después de la operación de extracción.

Respuesta correcta.

La selección de una operación de separación por extracción frente a opciones diferentes, obedece generalmente a una decisión de tipo económicoPORQUE la eficiencia de una separación varía a diferentes modos de operación.

Su respuesta :

La afirmación y la razón son VERDADERAS, pero la razón NO es una explicación CORRECTA de la afirmación.

Respuesta correcta.

El lavado es específicamente una operación de:

Su respuesta :

Lixiviación.

Correcto

Después de terminada la fermentación y la estabilización del vino, éste se puede llevar hasta una fermentación acética para la transformación del alcohol presente a ácido acético; terminada esta segunda fermentación se ha constituido el vinagre. Se requiere la extracción de ácido acético presente en el  vinagre (solución agua-ácido acético), extraída mediante un solvente orgánico, en un sistema de extracción de contacto sencillo. Para lograr separar el ácido acético del vinagre, se analiza la efectividad del Éter isopropílico para la separación de la mezcla, para diferentes concentraciones de mezcla agua-ácido acético de una carga de alimento.

En acuerdo con lo anterior podemos afirmar que el ácido acético es:

Su respuesta :

La masa de extracto.

Correcto.

Act 7 : Reconocimiento Unidad 2

¿La destilación se realiza entre líquidos-líquidos?

Su respuesta :

Verdadero.

Respuesta correcta. Debido a que su principio se da por la diferencia entre temperaturas de ebullición de los líquidos de la mezcla

Act 7 : Reconocimiento Unidad 2

¿Los tipos de destilación son la destilación fraccionada y destilación selectiva?

Su respuesta :

Falso.

Respuesta correcta, ya que los dos tipos de destilación son la destilación fraccionada y la destilación al vacío.

Existen mezclas binarias que son más difíciles de separar que otras. En latabla 1 siguiente se muestran algunas propiedades físicas de algunoscomponentes puros, muy utilizados a nivel industrial.

 

Tabla 1. Propiedades Físicas de Algunos Compuestos Orgánicos. 

¿Cuál mezcla binaria es más difícil de separar?

   

Su respuesta :

Benceno - n-hexano.

Correcto.

Absorción

Es la operación unitaria que consiste en la separación de uno o mas componentes de una mezcla gaseosa con la ayuda de un solvente líquido con el cual forma solución (un soluto A, o varios solutos, se absorben de la fase gaseosa y pasan a la líquida). Este proceso implica una difusión molecular turbulenta o una transferencia de masa del soluto A a través del gas B, que no se difunde y está en reposo, hacia un líquido C, también en reposo. Un ejemplo es la absorción de amoniaco A del aire B por medio de agua líquida C. Al proceso inverso de la absorción se le llama empobrecimiento o desorción; cuando el gas es aire puro y el líquido es agua pura, el proceso se llama deshumidificación, la deshumidificación significa extracción de vapor de agua del aire.

En la absorción hay que tener en cuenta el grado de solubilidad de un gas en un líquido. Se usa generalmente la ley de Henry para relacionar la presión parcial del soluto en el gas y su concentración en el líquido: p = k.c

Para lograr que el soluto gaseoso se mueva de la fase gaseosa a la líquida, se hace que la torre de absorción opere a contracorriente.

Figura 2. Torre de absorción

El potencial de transferencia de masa está representado por la diferencia de concentraciones del soluto en el seno de cada fase.

NA= K (ΔC),

NA: # de moles del componente A que se transfieren por unidad de área y por unidad de tiempo.

C: Diferencia de concentración o potencial.

k: Coeficiente de transferencia de masa, que es función del sistema y de la geometría.

Para maximizar NA debemos se debe aumentar C, que se logra con la operación a contracorriente. Aumentar K, que se logra disminuyendo en ancho de la película manteniendo condiciones de flujo turbulento para el gas y el líquido.

¿El proceso de absorción se da de líquidos a gases?

Su respuesta :

Falso.

Respuesta correcta. Porque el proceso se da en gases a líquidos como el caso de la deshumidificación del aire.

¿Para que se de la absorción se necesitan tres elementos, un gas, un líquido y un soluto?

Su respuesta :

Verdadero.

Respuesta correcta, dado que se necesita un soluto aparte del gas y el líquido, que “atrape” el compuesto presente en el gas y lo precipite a líquido.

Extracción

La extracción es la técnica empleada para separar un producto orgánico de una mezcla de reacción o para aislarlo de sus fuentes naturales. Puede definirse como la separación de un componente de una mezcla por medio de un disolvente.

En la práctica es muy utilizada para separar compuestos orgánicos de las soluciones o suspensiones acuosas en las que se encuentran. El procedimiento consiste en agitarlas con un disolvente orgánico inmiscible con el agua y dejar separar ambas capas. Los distintos solutos presentes se distribuyen entre las fases acuosas y orgánica, de acuerdo con sus solubilidades relativas.De este modo, las sales inorgánicas, prácticamente insolubles en los disolventes orgánicos más comunes, permanecerán en la fase acuosa, mientras que los compuestos orgánicos que no forman puentes de hidrógeno, insolubles en agua, se encontrarán en la orgánica.

Los diferentes tipos de extracción dependen de la fase de extracción, ya sea líquido-líquido o sólido-líquido.

Figura 3. Dispositivos para la extracción

¿La extracción se realiza entre líquidos–solutos?

Su respuesta :

Falso

Respuesta correcta. Debido a que este proceso se da entre líquidos- líquidos o líquidos-sólidos en presencia de un soluto.

¿El principio de extracción se basa la separación de un componente por medio de un disolvente?

Su respuesta :

Verdadero.

Respuesta correcta. Debido a que se da por la disolución relativa de los compuestos de la mezcla.

Evaporación

EvaporaciónLa evaporación es una operación unitaria que consiste en la eliminación de agua de un alimento fluido mediante vaporización o ebullición. Son varios los alimentos que se obtienen en forma de soluciones acuosas, y que para facilitar su conservación y transporte se concentran en una etapa de eliminación de agua. Esta eliminación puede realizarse de diferentes formas, aunque es la evaporación uno de los métodos más utilizados. Los dispositivos para realizar esta eliminación de agua se denominan evaporadores. Un evaporador consta, esencialmente, de dos cámaras, una de condensación y otra de evaporación. En la de condensación un vapor de agua se transforma en líquido, con lo que cede su calor latente de condensación, el cual es captado en la cámara de evaporación por el alimento, del que se desea eliminar el agua. El agua evaporada abandona la cámara de evaporación a la temperatura de ebullición, al mismo tiempo que se obtiene una corriente de solución concentrada.

La evaporación es un caso especial de transferencia de calor mediante la cual:

Su respuesta :

Un disolvente volátil (como el agua), se separa de un soluto no volátil como la sal o cualquier otro tipo de material en solución.

Correcto.

Un evaporador continuo de efecto simple concentra 9072 kg/h de una solución de sal al 1.0% en peso que entra a 311.0 K, hasta una concentración final de 1.5% en peso. El vapor en el evaporador está a 101.325 kPa (1.0 atm abs) y el vapor de agua que se introduce está saturado a 143.3 kPa. El coeficiente total U = 1704 W/m2·K. Calcule el

área de transferencia de calor que se requiere en m2. Puesto que se trata de una solución diluida, suponga que su punto de ebullición es igual al del agua.

Su respuesta :

150

Correcto.

Secado

La deshidratación o secado de alimentos es una de las operaciones unitarias más utilizadas en la conservación de los mismos. Ya era utilizada en tiempos prehistóricos por nuestros antepasados, pues les permitía obtener productos alimenticios con un tiempo de vida superior. Con el paso del tiempo, la demanda de alimentos ha ido creciendo con el aumento de la población, y cada vez es mayor esta demanda, lo que ha acarreado el que la industria de conservación por secado haya adquirido una gran importancia en el sector alimentario. El desarrollo de la industria del secado ha ido ligado a la demanda de alimentos que debían cubrir las necesidades de los soldados en las guerras que se han dado a lo largo del mundo. La deshidratación es especialmente útil para los propósitos militares, ya que reduce el peso y tamaño de los alimentos. Los avances logrados en el campo militar han sido transferidos a la industria del secado en general, lo que ha traído consigo un mejor y mayor avance de la industria del secado de alimentos. En los procesos de deshidratación el agua del alimento es eliminada, en mayor o menor grado, y se consigue con ello una mejor conservación microbiológica, además de retardar muchas reacciones indeseables. Aunque esta conservación del alimento tiene una gran importancia, con la deshidratación también se logran disminuir los costes de envasado, manejo, almacenado y transporte, ya que se disminuye el peso del alimento, y en algunos casos el volumen.

El secado se refiere a:

Su respuesta :

La separación de líquidos volátiles casi siempre agua de los materiales sólidos.

Correcto.

Act 9: Lección evaluativa No. 2

Cristalización

Es la formación de sólidos cristalinos a partir de soluciones sobresaturadas, cuál podría darse a partir de un gas. La cristalización es un proceso que se emplea en química con bastante frecuencia para purificar una sustancia sólida. Se han desarrollado diferentes técnicas al respecto. Algunas de ellas son: 

Enfriamiento de una disolución concentrada

La mayoría de los sólidos son más solubles a temperaturas altas que a bajas. Si se prepara una disolución concentrada a alta temperatura y se enfría, se forma una disolución sobresaturada, que es aquella que tiene, momentáneamente, más soluto disuelto que el admisible por la disolución a esa temperatura en condiciones de equilibrio.

Cambio del disolvente

Preparando una disolución concentrada de una sustancia en un buen disolvente y añadiendo un disolvente que es miscible con el primero, el componente principal del sólido disuelto empieza a precipitar, y las aguas madres se enriquecen relativamente en las impurezas. Por ejemplo, puede separarse ácido benzoico de una disolución de éste en acetona agregando agua.

Evaporación de disolvente

De manera análoga, evaporando el disolvente de una disolución se puede conseguir que empiecen a cristalizar los sólidos que estaban disueltos cuando se alcanzan los límites de sus solubilidades. Este método ha sido utilizado durante milenios en la fabricación de sal a partir de salmuera o agua marina.

Sublimación

En algunos compuestos la presión de vapor de un sólido puede llegar a ser lo bastante elevada como para evaporar cantidades notables de este compuesto sin alcanzar su punto de fusión (sublimación). Los vapores formados condensan en zonas más frías ofrecidas por ejemplo en forma de un "dedo frío", pasando habitualmente directamente del estado gaseoso al sólido, (sublimación regresiva) separándose, de esta manera, de las posibles impurezas. Siguiendo este procedimiento se pueden obtener sólidos puros de sustancias que subliman con facilidad como la cafeína, el azufre elemental, el ácido salicílico, el yodo, etc.

Figura 1. Cristalización

Los equipos utilizados industriales para este proceso son:

- Cristalizadores de tanque.

- Cristalizadores evaporadores.

- Cristalizadores de vacío.

¿La evaporación del disolvente se logra calentando la solución y luego enfriándola?

Su respuesta :

Falso.

Respuesta correcta, porque esto se da en la sublimación y no en la evaporación.

¿La cristalización solo se presenta en líquidos?

Su respuesta :

Falso.

Respuesta correcta. Debido a que también puede presentarse en gases.

La cristalización es una operación unitaria PORQUE se fundamenta en que algunas sustancias tienen la propiedad de generar cristales, como agregación de materia sobre un núcleo que se forma al sobresaturarse la solución.

Su respuesta :

B si la afirmación y la razón son VERDADERAS, pero la razón NO es una explicación CORRECTA de la afirmación.

Correcto.

SECADO

Muchos productos sólidos tienen que ser secados antes de ser almacenados, embalados o distribuidos. El secado es el retiro del agua o de cualquier disolvente orgánico calentando el sólido con una corriente relativamente seca de gas (generalmente un gas con una presión parcial baja de vapor de agua), que toma la humedad del sólido mojado puesto que la presión parcial del agua en la superficie será la presión de vapor de agua a la temperatura de la superficie.

El secado es un proceso de por lo menos dos (2) etapas:

· Secado a velocidad constante: El sólido enteramente mojado en su superficie es secado simplemente por evaporación del agua en la corriente de gas caliente.

· Secado a velocidad dependiente del tiempo: Cuando aparecen áreas secas en la superficie del sólido, el agua contenida en los intersticios no puede difundir a la superficie tan rápidamente como ésta es secada por la corriente de gas.

Los secadores utilizados en la industria pueden ser:

· Discontinuos. El más común es el de bandejas en los que el aire caliente puede pasar a través de la bandeja o sobre ellas.

Continuos. Por lo general son tambores o bandas transportadoras inclinados que se mueven. El movimiento lento hace que el material mojado baje a través de los gases calientes en los equipos que operan a contracorriente. Así se logra que el sólido exponga un área superficial grande al secado.

¿La etapa de secado a velocidad constante se da por evaporación?

Su respuesta :

Verdadero.

Respuesta correcta. Ya que en esta etapa el material esta sobresaturado de humedad y es fácil que se evapore agua de la superficie.

¿La temperatura de secado depende de la presión de vapor del agua en la superficie?

Su respuesta :

Verdadero.

Respuesta correcta. Dado que esta es una condición para que se de la evaporación, sobre todo en la primera etapa que es un proceso evaporativo a velocidad constante.

Uno de los motivos para el secado de los alimentos es:

Su respuesta :

Conservar algunas de sus propiedades organolépticas.

Correcto.

LIOFILIZACION

La Liofilización es un proceso de secado mediante sublimación que se ha desarrollado con el fin de reducir las pérdidas de los compuestos responsables del sabor y el aroma en los alimentos, los cuales se afectan en gran medida durante los procesos convencionales de secado.

La liofilización involucra varias etapas:

• Congelación (y acondicionamiento en algunos casos) a bajas temperaturas.• Secado por sublimación del hielo (o del solvente congelado) del producto congelado, generalmente a muy baja presión.• Almacenamiento del producto seco en condiciones controladas.

Generalmente, al liofilizar adecuadamente un material se puede almacenar por períodos muy largos con reducciones muy bajas de sus características organolépticas, físicas, químicas y biológicas.

La congelación del material

Cada producto debe congelarse de una manera tal que garantice que sufrirá pocas alteraciones en el proceso posterior de sublimación. Se debe conocer con precisión:

• La temperatura en la que ocurre la máxima solidificación.• La velocidad óptima de enfriamiento.• La temperatura mínima de fusión incipiente.

Se busca que el producto ya congelado tenga una estructura sólida sin intersticios en los que haya líquido concentrado para propiciar que todo el secado ocurra por sublimación. En los alimentos se pueden obtener distintas mezclas de estructuras luego de la congelación que incluyen cristales de hielo, eutécticos, mezclas de eutécticos y zonas vítreas amorfas. Estas últimas son propiciadas por la presencia de azúcares, alcoholes, cetonas, aldehídos y ácidos, así mismo como por las altas concentraciones de sólidos en el producto inicial.

El secado por sublimación.

El proceso de secado como tal puede ocurrir o no a bajas presiones pero en tales condiciones es mucho mas eficiente el proceso difusivo. El paso de hielo a vapor requiere gran cantidad de energía que suministrada en alto vacío pues la interfase de secado se mueve hacia el interior de la muestra y el calor tiene que atravesar capas congeladas (sistemas liofilizados en bandeja, sin granular) o secas (en granulados), generándose un considerable riesgo de fusión del material intersticial o quemar la superficie del producto que ya está seco.

¿En el proceso de liofilización primero se debe secar el producto antes de congelarlo?

Su respuesta :

Falso.

Respuesta correcta. Porque el proceso se debe dar en orden contrario, primero se congela y luego se seca por medio de un baja de presión del sistema.

¿El principal objetivo de la liofilizar es la conservación sin la pérdida de sabores?

Su respuesta :

Verdadero.

Respuesta correcta. Debido a que este es una característica del proceso, que lo aventaja del secado tradicional.

Durante un proceso de evaporación una solución azucarada al 5% en peso es evaporizada hasta alcanzar un 15% en peso, empleando como medio de calefacción vapor a 45 psi. Si la alimentación tiene un flujo másico de 655 kg por hora. Determine la cantidad de agua evaporada kg/h, para este proceso.

Su respuesta :

436.7

Correcto.

Cuanto más elevada sea la presión de operación del evaporador, mayor será la temperatura de ebullición PORQUE a medida que aumenta la concentración del material disuelto (por la acción de la evaporación), se incrementa también la temperatura de ebullición.

Su respuesta :

La afirmación y la razón son VERDADERAS, pero la razón NO es una explicación CORRECTA de la afirmación.

Correcto.