Conceptos Clave de Transferencia de Masa y Difusión Molecular

Fundamentos de Transferencia de Masa

La transferencia de masa ocurre cuando un sistema con dos o más constituyentes, cuyas concentraciones varían de un punto a otro, presenta una tendencia natural a transferir material hasta que las diferencias de concentración dentro del sistema sean mínimas. Existen dos modos principales de transferencia de masa:

Modos de Transferencia de Masa

• 1. Convectiva: La masa puede transferirse debido al movimiento global del fluido. Este movimiento puede ocurrir en régimen laminar o turbulento.
• 2. Molecular o Difusión Ordinaria: La difusión molecular se define como la transferencia o desplazamiento de moléculas individuales a través de un fluido, por medio de movimientos individuales y desordenados de las moléculas, debido a una diferencia de concentraciones.

Velocidad Media Másica

La velocidad media másica de una mezcla de N componentes se define como la suma de las velocidades másicas individuales de cada componente, dividida entre la densidad total de la mezcla.

Velocidad Media Molar

Se define como la velocidad media molar de una mezcla de N componentes a la suma de las velocidades molares individuales de cada componente, dividida entre la concentración total de la mezcla.

Ley de Fick

La Ley de Fick describe el proceso de difusión, que es el movimiento de partículas desde una zona de mayor concentración a una de menor concentración hasta alcanzar el equilibrio. La rapidez de difusión se expresa por la Ley de Fick, la cual establece que el flujo de masa por unidad de área de un componente es proporcional al gradiente de concentración.

Estimación de la Difusividad para Sistemas Gaseosos y Líquidos

La Ley de Fick de la difusión describe el movimiento de una sustancia a través de una mezcla binaria (A y B) debido a un gradiente de concentración, estableciendo así la difusividad binaria DAB.

Ecuación de Fuller

Es una correlación empírica utilizada para estimar la difusividad binaria en mezclas gaseosas. Considera factores como la temperatura, la presión y los volúmenes atómicos de los componentes de la mezcla. Los volúmenes atómicos son valores tabulados que representan el volumen ocupado por un átomo en una molécula.

Consideraciones sobre la Ecuación de Fuller

• 1. Se basa en datos experimentales y puede no ser precisa para todas las mezclas de gases.
• 2. Es válida para gases a presiones moderadas. Para mezclas de gases complejas o en condiciones extremas, pueden ser necesarias otras ecuaciones o métodos más precisos.

Difusión Molecular en Líquidos

La difusión de solutos en líquidos es muy importante en muchos procesos industriales, especialmente en operaciones de separación como la extracción líquido-líquido o la extracción con disolventes. También es frecuente en la naturaleza, como en los casos de oxigenación de ríos y lagos.

Ecuación de Stokes-Einstein

El modelo de Stokes-Einstein asume que el soluto es una partícula esférica moviéndose en un solvente viscoso. Este método solo proporciona resultados confiables para solutos con una estructura molecular aproximadamente esférica y alto peso molecular, como es el caso de algunos polímeros y biomoléculas.