Transferencia de masa

Transferencia de masa es el movimiento neto de masa de un lugar (normalmente corriente, fase, fracción o componente) a otro. La transferencia de masa se produce en muchos procesos, como la absorción, la evaporación, el secado, la precipitación, la filtración por membrana y la destilación. La transferencia de masa es utilizada por diferentes disciplinas científicas para diferentes procesos y mecanismos. La frase se usa comúnmente en ingeniería para procesos físicos que involucran transporte difusivo y convectivo de especies químicas dentro de sistemas físicos.

Algunos ejemplos comunes de procesos de transferencia de masa son la evaporación del agua de un estanque a la atmósfera, la purificación de la sangre en los riñones y el hígado y la destilación del alcohol. En los procesos industriales, las operaciones de transferencia de masa incluyen la separación de componentes químicos en columnas de destilación, absorbentes como lavadores o stripping, adsorbentes como lechos de carbón activado y extracción líquido-líquido. La transferencia de masa a menudo se combina con procesos de transporte adicionales, por ejemplo, en torres de refrigeración industriales. Estas torres combinan la transferencia de calor con la transferencia de masa al permitir que el agua caliente fluya en contacto con el aire. El agua se enfría expulsando parte de su contenido en forma de vapor de agua.

Astrofísica

En astrofísica, la transferencia de masa es el proceso por el cual la materia unida gravitacionalmente a un cuerpo, generalmente una estrella, llena su lóbulo de Roche y queda unida gravitacionalmente a un segundo cuerpo, generalmente un objeto compacto (enana blanca, estrella de neutrones o agujero negro).), y finalmente se acumula en él. Es un fenómeno común en los sistemas binarios y puede desempeñar un papel importante en algunos tipos de supernovas y púlsares.

Ingeniería química

La transferencia de masa encuentra una amplia aplicación en problemas de ingeniería química. Se utiliza en ingeniería de reacciones, ingeniería de separaciones, ingeniería de transferencia de calor y muchas otras subdisciplinas de la ingeniería química, como la ingeniería electroquímica.

La fuerza impulsora para la transferencia de masa suele ser una diferencia en el potencial químico, cuando se puede definir, aunque otros gradientes termodinámicos pueden acoplarse al flujo de masa y también impulsarlo. Una especie química se mueve de áreas de alto potencial químico a áreas de bajo potencial químico. Por lo tanto, la extensión teórica máxima de una transferencia de masa determinada generalmente está determinada por el punto en el que el potencial químico es uniforme. Para los sistemas monofásicos, esto generalmente se traduce en una concentración uniforme en toda la fase, mientras que para los sistemas multifásicos, las especies químicas a menudo preferirán una fase sobre las demás y alcanzarán un potencial químico uniforme solo cuando la mayoría de las especies químicas hayan sido absorbidas en la fase preferida., como en la extracción líquido-líquido.

Si bien el equilibrio termodinámico determina el alcance teórico de una operación de transferencia de masa dada, la tasa real de transferencia de masa dependerá de factores adicionales, incluidos los patrones de flujo dentro del sistema y las difusividades de las especies en cada fase. Esta tasa se puede cuantificar mediante el cálculo y la aplicación de coeficientes de transferencia de masa para un proceso general. Estos coeficientes de transferencia de masa generalmente se publican en términos de números adimensionales, que a menudo incluyen números de Péclet, números de Reynolds, números de Sherwood y números de Schmidt, entre otros.

Analogías entre transferencia de calor, masa y cantidad de movimiento

Existen similitudes notables en las ecuaciones diferenciales aproximadas comúnmente utilizadas para la transferencia de cantidad de movimiento, calor y masa. Las ecuaciones de transferencia molecular de la ley de Newton para la cantidad de movimiento del fluido con un número de Reynolds bajo (flujo de Stokes), la ley de Fourier para el calor y la ley de Fick para la masa son muy similares, ya que todas son lineales. aproximaciones al transporte de cantidades conservadas en un campo de flujo. A un número de Reynolds más alto, la analogía entre la transferencia de masa y calor y la transferencia de cantidad de movimiento se vuelve menos útil debido a la no linealidad de la ecuación de Navier-Stokes (o más fundamentalmente, la ecuación general de conservación de la cantidad de movimiento), pero la analogía entre la transferencia de calor y masa sigue siendo buena.. Se ha dedicado un gran esfuerzo a desarrollar analogías entre estos tres procesos de transporte para permitir la predicción de uno de cualquiera de los otros.