Fundamentos de la difusión y la transferencia de masa entre
fases.
Las operaciones de transferencia de masa
son esenciales en la industria química, ya que prácticamente todos los procesos
requieren, en algún momento, la purificación de materias primas, productos
intermedios o la separación de productos finales de sus subproductos. Estas
operaciones suelen estar acompañadas de transferencia de calor y flujo de
fluidos, formando un conjunto integral en los procesos químicos.
La transferencia de masa tiene aplicaciones
en diversas industrias, como la producción de fertilizantes, la industria
azucarera, la fabricación de ácidos como el sulfúrico y el clorhídrico, y en
refinerías de petróleo. Estas operaciones se distinguen por el movimiento de
una sustancia a escala molecular a través de otra. En este contexto, se
estudiarán tanto las leyes fundamentales que rigen estos fenómenos como los
equipos principales utilizados en dichos procesos.
¿Qué es la transferencia de masa?
La transferencia de masa se refiere al
movimiento de uno o más componentes dentro de una mezcla, que ocurre desde una
región con alta concentración hacia otra con menor concentración. Un ejemplo
común es cuando se introduce un cristal de sulfato cúprico en agua. Al
disolverse, el agua alrededor del cristal adquiere una coloración azul más
intensa cerca de la superficie del cristal. Con el paso del tiempo, este color
azul se extiende hacia las zonas más alejadas, mientras el cristal se disuelve
gradualmente, hasta que toda el agua adquiere un tono azul uniforme.
En este proceso, el sulfato cúprico se desplaza desde la región donde su concentración es mayor hacia áreas con menor concentración. Este fenómeno ocurre debido a la diferencia de concentración entre las regiones, lo que actúa como la fuerza motriz que impulsa la transferencia de masa. Así, este principio explica cómo los componentes se distribuyen en una mezcla en respuesta a un gradiente de concentración.
Equilibrio en la transferencia de masa
La transferencia de masa tiene un límite
conocido como equilibrio entre fases, el cual se alcanza cuando ya no hay una
fuerza motriz que impulsa el proceso, y la transferencia neta se detiene.
Físicamente, este equilibrio se produce de la siguiente manera: si tenemos una
fase gaseosa y una fase líquida, y el componente que se transfiere inicialmente
está presente solo en la fase gaseosa con una concentración 𝑦, mientras que en la fase líquida la concentración es incógnita=0,
al entrar ambas fases en contacto, las moléculas del componente comienzan a
moverse desde la fase gaseosa hacia la líquida. La velocidad de transferencia
en este caso es proporcional a la concentración del componente en la fase
gaseosa.
A medida que el componente comienza a
acumularse en la fase líquida, también ocurre el fenómeno inverso: las
moléculas del componente pasan de la fase líquida a la gaseosa con una
velocidad proporcional a la concentración en la fase líquida. Con el tiempo, la
velocidad de transferencia de la fase gaseosa a la líquida disminuye, mientras
que la velocidad inversa (de la líquida a la gaseosa) aumenta. Eventualmente,
ambas velocidades se igualan, estableciendo un equilibrio dinámico entre las
fases. En este punto, la transferencia neta del componente es nula, aunque las
moléculas siguen moviéndose entre las fases de manera continua.
Es importante destacar que la diferencia de
concentraciones entre las fases (incógnita−y) no es la fuerza motriz del
proceso. La verdadera fuerza motriz es el alejamiento de las concentraciones
respecto a sus valores de equilibrio. Esto puede expresarse como (incógnita−incógnita
∗) o (y−y∗), dependiendo del caso. A este punto, las concentraciones alcanzan
una relación específica llamada "dependencia de equilibrio", que está
determinada por las condiciones de temperatura y presión.
Un ejemplo típico de equilibrio en
transferencia de masa ocurre en una botella de refresco carbonatado. Antes de
abrir la botella, el dióxido de carbono (CO2) está en equilibrio entre la fase
líquida (disuelto en el refresco) y la fase gaseosa (dentro del espacio vacío
de la botella). Cuando la botella se agita y se abre, el equilibrio se rompe
porque la presión disminuye restrictivamente. Esto provoca que el CO2 disuelto
comienza a salir de la fase líquida hacia la fase gaseosa, restableciéndose un
nuevo equilibrio a la presión atmosférica. Este comportamiento ilustra cómo las
concentraciones equilibradas dependen de la presión y la temperatura.
Absorción:
La absorción es un proceso en el cual un gas o vapor se disuelve en un líquido, pasando de la fase gaseosa a la líquida. Este proceso implica una transferencia de masa entre las dos fases, donde las moléculas del gas son capturadas por el líquido debido a una diferencia de concentración. La absorción está influenciada por factores como la solubilidad del gas en el líquido, la temperatura, la presión y el aire.
Desorción
La desorción es el proceso inverso a la
absorción, en el cual una sustancia que previamente había sido absorbida o
adsorbida por un material o fase se libera de nuevo a la fase gaseosa. Este
fenómeno ocurre cuando las condiciones de temperatura, presión o concentración
se modifican de tal manera que la sustancia liberada es expulsada del líquido o
sólido que la había retenido. La desorción puede ser un proceso natural o
inducido, y generalmente implica un aumento en la energía del sistema, como el
aumento de temperatura, para facilitar la liberación de la sustancia.
Este proceso se utiliza combinado en
aplicaciones industriales, como en la regeneración de adsorbentes en sistemas
de purificación de gases o líquidos. En estos casos, los contaminantes
capturados por un material adsorbente son liberados para poder reciclar el
adsorbente o eliminar los contaminantes de manera eficiente. La desorción es un
paso clave en muchos procesos de separación y purificación, permitiendo la
recuperación de sustancias valiosas o la eliminación de impurezas de una
corriente de gas o líquido.
Destilación
La destilación es un proceso de separación
de componentes de una mezcla líquida basada en las diferencias en sus puntos de
ebullición. Consiste en calentar una mezcla hasta que uno o más de sus
componentes se evaporen, luego condensar el vapor para separarlo del líquido
restante. Este proceso se utiliza para purificar líquidos, separar compuestos
de una mezcla o concentrar una sustancia. La eficiencia de la destilación
depende de la diferencia de volatilidad entre los componentes de la mezcla, es
decir, de qué tan fácilmente cada componente pasa de líquido a vapor a una
temperatura determinada.
Existen diferentes tipos de destilación,
como la destilación simple, fraccionada, al vacío y azeotrópica, que se eligen
dependiendo de la naturaleza de la mezcla a separar. En la destilación
fraccionada, por ejemplo, se utiliza una columna de fraccionamiento para
separar los componentes en función de sus puntos de ebullición, lo que permite
obtener productos más puros. Este proceso es ampliamente utilizado en la
industria química, petroquímica, farmacéutica, y en la producción de bebidas
alcohólicas, entre otras.
Secado
El secado es el proceso mediante el cual se
elimina la humedad o el agua contenida en un material, generalmente mediante la
aplicación de calor. Este proceso se utiliza para reducir la cantidad de agua
en una sustancia, ya sea para conservarla, mejorar sus propiedades o facilitar
su posterior procesamiento. Durante el secado, el agua se evapora de la
superficie del material, y en algunos casos, también se extrae agua interna. El
proceso de secado puede llevarse a cabo utilizando diferentes técnicas y equipos,
como secadores por aire caliente, secado al vacío, o secado mediante calor
radiante.
El secado es una operación común en
diversas industrias, como la alimentaria, farmacéutica, textil y de materiales,
ya que ayuda a evitar el tratamiento microbiológico y mejorar la estabilidad de
los productos. Además, es un proceso fundamental en la producción de productos
como granos, hierbas, productos lácteos, y materiales como la madera o el
papel, los cuales requieren la reducción de humedad para su conservación o uso
posterior.
Lixiviación
La lixiviación es un proceso de separación
y extracción de sustancias solubles de un material sólido mediante el uso de un
líquido, generalmente agua o una solución química. En este proceso, el solvente
penetra en el material sólido, disolviendo los componentes solubles, que luego
son separados del sólido. La lixiviación se utiliza en diversas industrias,
como la minería, para extraer metales valiosos de los minerales, o en la
agricultura, para extraer productos químicos de plantas o suelos.
El proceso de lixiviación puede realizarse
de diversas formas, dependiendo del material y la sustancia a extraer. Existen
lixiviaciones en pilas, donde el líquido se rocía sobre un montón de material,
o en columnas, donde el material se coloca en una torre y se lava con el
solvente. En la minería, por ejemplo, la lixiviación de minerales como el oro o
el cobre implica el uso de soluciones químicas que disuelven estos metales,
facilitando su extracción y posterior purificación.
Extracción
La extracción es un proceso de separación
de un componente deseado de una mezcla utilizando un disolvente. Este proceso
se basa en la solubilidad diferencial de los componentes de la mezcla en el
disolvente, permitiendo que el componente objetivo se disuelva y se separe del
resto de la mezcla. La extracción se puede realizar con diversos disolventes,
que pueden ser líquidos, sólidos o una combinación de ambos, y se emplea en
numerosas industrias, como la farmacéutica, alimentaria y química.
Existen dos tipos principales de
extracción: la extracción líquido-líquido, donde se utiliza un disolvente
líquido para extraer una sustancia de otra fase líquida, y la extracción
sólido-líquido, que se emplea para separar compuestos solubles de un sólido
utilizando un disolvente. La eficiencia del proceso depende de factores como la
elección del cartucho, la temperatura, el tiempo de contacto y la agitación. La
extracción es fundamental en la producción de aceites esenciales, la
purificación de productos químicos y la obtención de compuestos naturales a
partir de plantas o minerales.
Intercambio
iónico
El intercambio iónico es un proceso en el
que los iones de una solución son intercambiados con iones de un material
sólido, grandes resinas o minerales con capacidad para captar y liberar iones.
Este proceso ocurre cuando los iones de una solución pasan a un medio sólido
que contiene iones fijos. Los iones presentes en el sólido se liberan a la
solución, mientras que los iones de la solución son adsorbidos por el material
sólido, logrando así un equilibrio entre ambos. Es un proceso reversible, lo
que significa que los iones pueden ser intercambiados varias veces.
Este proceso se utiliza ampliamente en aplicaciones
como la purificación de agua, donde los iones contaminantes, como calcio,
magnesio, sodio o nitratos, son removidos o intercambiados por iones
inofensivos, como sodio o hidrógeno, utilizando resinas de intercambio iónico.
También es fundamental en la industria química y farmacéutica para la
purificación y separación de compuestos, y en la industria de ablandamiento de
agua, donde se eliminan los iones responsables de la dureza del agua, como los
iones de calcio y magnesio.
Difusión
por convección
La difusión por convección es un proceso de
transferencia de masa en el que los componentes de una mezcla se desplazan
debido a la combinación de la difusión molecular y el movimiento de un fluido,
generalmente un gas o líquido. En este caso, la convección, que implica el
transporte de partículas debido al flujo del fluido, facilita la difusión de
los componentes a través del medio. La difusión molecular es el proceso por el
cual las moléculas se mueven de una zona de alta concentración a una de baja
concentración debido a sus movimientos aleatorios, mientras que la convección
amplifica este proceso al crear un movimiento global del fluido, acelerando la
dispersión de los componentes.
Este fenómeno se puede observar en muchas aplicaciones, como en los intercambiadores de calor, donde el fluido en movimiento mejora la transferencia de calor y masa entre las fases. La combinación de la difusión y la convección también es importante en procesos de ventilación, en la distribución de contaminantes en la atmósfera o en sistemas biológicos como la circulación sanguínea, donde el movimiento del fluido acelera el intercambio de gases como el oxígeno y el dióxido de carbono.
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