TRANSFERENCIA SIMULTANEA DE CALOR Y MASA

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TRANSFERENCIA SIMULTANEA DE MASA Y CALOR
INTEGRANTES:
BABILONIA HUAZANGA MILUSKA 
CASTEL MANIHUARI MARIA 
GALVEZ PEREZ CESAR RAFAEL
GUERRA MOMULADA CLAUDIA LUCERO
FLORES SAAVEDRA GEORGES ANTHONY
RIOS JARAMA ANDRÉ KALED
 
TRANSFERENCIA DE MASA
DOCENTE: Ing. VICTOR GARCÍA PEREZ
GRUPO 8
INTRODUCCIÓN
Para generalizar, cualquier problema de transferencia de masa que comprende cambio de fase (evaporación, sublimación, condensación, fusión, etc.) también debe comprender la transferencia de calor, y la solución de esos problemas necesita analizarse considerando la transferencia simultánea de calor de masa.
En algunas aplicaciones de ingeniería comprenden la vaporización de un líquido y la difusión de este vapor hacia el gas circundante. Esos procesos requieren la transferencia del calor latente de vaporización, hacia el líquido para vaporizarlo y como consecuencia, en esos problemas interviene la transferencia simultánea de calor y de masa.
Las operaciones más sencillas en las que se presenta una transferencia simultanea de masa y calor son la humidificación y la deshumidificación.
Humidificación:
se aumenta el contenido de vapor del gas ( o la mezcla).
Deshumidificación: 
se reduce el contenido de vapor de la mezcla por condensación parcial.
En estas operaciones solamente están involucradas dos fases y dos componentes: una fase líquida (agua generalmente) y una fase gaseosa compuesta por un gas incondensable a temperatura ambiente y en el que la primera se encuentra como vapor.
Esto se logra mediante el contacto directo con aire, el cual se encuentra a una temperatura menor que el agua. El equipo en el que se realiza esta operación es conocido como Torre de Enfriamiento.
TRANSFERENCIA SIMULTANEA DE MASA Y CALOR
La transferencia de masa puede suceder simultáneamente con la transferencia de calor, ya sea como resultado de una diferencia de temperatura impuesta desde fuera O debido a la absorción O evolución de calor, lo cual generalmente sucede cuando una sustancia se transfiere de una fase a la otra.
En tales casos, dentro de una fase, el calor transferido es el resultado, no sólo de la conducción o convección , sino debida a la diferencia de temperatura que ocurriría en ausencia de transferencia de masa, sino que también incluye el calor sensible acarreado por la materia de difusión. 
OPERACIONES FÍSICAS CONTROLADAS POR LA TRANSFERENCIA SIMULTÁNEA DE MATERIA Y CALOR
Se mencionan lo siguiente: 
Secado: reducción del contenido de líquido en un sólido. El líquido suele ser agua.
Cristalización: formación de partículas sólidas cristalinas en el seno de una fase homogénea. Desde el punto de vista industrial la cristalización más importante a llevar a cabo es la de formación de cristales a partir de disoluciones líquidas sobresaturadas
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Las torres de enfriamiento poseen en su parte superior unos distribuidores de agua que ofrecen una gran superficie interfacial. El aire asciende por la torre de forma natural o forzada.
Liofilización: parecido al secado pero la eliminación del líquido se realiza por sublimación.
Transferencia simultanea de masa 
y calor -SECADO
EI secado es una operación unitaria simultánea de transferencia de calor y de masa, el calor es necesario para evaporar la humedad, la cual es removida de la superficie del producto por medio de un agente secador externo generalmente aire.
El secado se describe como un proceso de eliminación de substancias volátiles (humedad) para producir un producto sólido y seco. La humedad se presenta como una solución líquida dentro del sólido es decir; en la microestructura del mismo.
Cuando un sólido húmedo es sometido a secado térmico, dos procesos ocurrirán simultáneamente.
Habrá transferencia de energía (comúnmente como calor) de los alrededores para evaporar la humedad de la superficie 
Habrá transferencia de la humedad interna hacia la superficie del sólido
La velocidad a la cual el secado es realizado esta determinada por la velocidad a la cual los 2 procesos, mencionados anteriormente, se llevan a cabo. La transferencia de energía, en forma de calor, de los alrededores hacia el sólido húmedo puede ocurrir como resultado de convección, conducción y/o radiación y en algunos casos se puede presentar una combinación de estos efectos.
COMPORTAMIENTO GENERAL DEL SECADO 
Al secar un sólido húmedo con un gas a una temperatura y humedad fijas, siempre aparece un patrón general de comportamiento.
 Inmediatamente después del contacto entre la muestra y el medio de secado, la temperatura del sólido se ajusta hasta alcanzar un estado estable. La temperatura del sólido y la velocidad de secado pueden aumentar o disminuir para alcanzar esa condición de estado estable. A estado estable, un medidor de temperatura determinará que la temperatura de la superficie sólida húmeda es igual a la temperatura de bulbo húmedo del medio de secado. Las temperaturas dentro del sólido sometido al secado también tenderán a igualarse con la temperatura de bulbo húmedo del gas, pero en este caso, la concordancia puede ser imperfecta debido al retraso en el movimiento de masa y calor.
Clases de materiales según su comportamiento en el secado 
Los materiales pueden dividirse en dos clases principales según su comportamiento en el secado. Los sólidos granulares o cristalinos que contienen humedad en los intersticios entre partículas o en los poros de poca profundidad de superficies abiertas, constituyen la primera de estas clases. En estos materiales, el movimiento de la humedad es relativamente libre y ocurre como resultado de la interrelación entre las fuerzas gravitacionales y de la tensión superficial o capilares.
APLICACIONES DEL SECADO
 Procesos de granulación húmeda (elaboración de cápsulas, polvos o tabletas).
Producción de algunos materiales (hidróxido de aluminio, lactosa seca y extractos en polvo).
Reducción del volumen y peso de los materiales (disminución del costo por transporte y almacenamiento).
Conservación y estabilidad de productos animales y vegetales para disminuir el crecimiento de hongos y bacterias
Volver a un producto mas estable (polvos higroscópicos, sales efervescentes, aspirina, penicilinas y ácido ascórbico). Una vez eliminada el agua, el producto se mantiene a bajos niveles de humedad con ayuda de agentes desecantes o por impermeabilidad del empaque 
Transferencia simultanea de masa 
y calor -CRISTALIZACIÓN
La cristalización es una operación unitaria de transferencia de masa y  calor en la que se energía en la que se produce la  formación  de un sólido   (cristal  o precipitado) a partir de una  fase homogénea (soluto en disolución o en un fundido). La  fuerza impulsora en ambas etapas es la sobre - saturación y  la posible diferencia de temperatura entre el cristal y  el líquido originada por el cambio de fases.
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Su estado natural debe ser sólido.  
_Un cristal es una estructura tridimensional de forma geométrica que está formado por una sola molécula de sustancia, 
por ejemplo: el cristal de sal está formado por una molécula de cloruro de sodio
Al hablar de cristalización lo más importante es el  concepto de sobresaturación, ya que si no existe la cristalización no se puede dar. La sobresaturación es la de concentración entre la disolución sobresaturada en sobresaturada en la que el cristal está creciendo la que el cristal está creciendo Y la de la disolución en equilibrio con el cristal. El  concepto de solución saturada está relacionado con el llamado límite de solubilidad.
 Ac = sobresaturación molar, moles por unidad de volumen 
C = concentración molar de soluto en disolución 
Cs = concentración molar de soluto en la disolución saturada
Formación de Cristales
Nucleación:
Formación de los primeros iones a partir de los iones o moléculas que se encuentran en el seno de la disolución. Puede ser que estos primeros cristales que se forman, se destruyan debido a un proceso inverso a la nucleación. 
Crecimiento
Formación de la estructura cristalina
La velocidad decrecimiento de un cristal es conocida como velocidad de cristalización. La cristalización puede ocurrir solo con soluciones sobresaturadas.
 El crecimiento ocurre primero con la formación del núcleo, y  luego con su crecimiento gradual. En concentraciones arriba de la sobresaturación, la nucleación es concebida como espontanea, y rápida. Ha sido observado de cristalización se ajusta a la si a la siguiente ecuación:
son equipos que basan su funcionamiento en el principio del enfriamiento evaporativo, que se aplica en la industria desde hace más de 100 años. El enfriamiento evaporativo es un proceso natural que utiliza el agua como refrigerante y que se aplica para transmitir a la atmósfera el calor excedente de diferentes procesos y máquinas térmicas. No debemos confundirlo con el funcionamiento de la refrigeración adiabática. 
Los equipos de enfriamiento evaporativo, como las torres de refrigeración, incorporan: una superficie de intercambio de calor y masa humedecida mediante un dispositivo de distribución de agua, un sistema de ventilación (natural o forzada) encargado de favorecer y, en su caso, forzar el paso del aire ambiente a través del relleno de intercambio de calor y masa, y diferentes componentes auxiliares tales como una balsa colectora de agua, bomba de recirculación, separadores de gotas e instrumentos de control. 
Transferencia simultanea de masa 
y calor -TORRE DE REFRIGERACIÓN O ENFRIAMIENTO
¿Cómo funciona una torre de refrigeración?
Las torres de refrigeración enfrían el agua caliente pulverizándola en forma de lluvia de gotas que caen en un entramado o relleno intercambiador (un conjunto de finas láminas de PVC colocadas de forma específica) donde se refrigeran por medio de una corriente de aire, que fluye en sentido contrario, cayendo el agua ya refrigerada a un depósito que la recoge y que, en su caso será distribuida por un circuito.
El aire entra por las aberturas inferiores que se encuentran por encima del depósito de agua y atraviesa la torre de abajo a arriba.  Esta entrada de aire puede producirse de forma natural en las torres de tiro natural o de forma forzada a través de ventiladores estratégicamente colocados.
La transferencia de calor se produce cuando el agua (a mayor temperatura) y el aire (a menor temperatura) confluyen en el relleno de la torre, en el que tiene lugar el intercambio térmico entre los dos fluidos. Este relleno tiene la finalidad de aumentar la superficie y el tiempo de contacto entre el aire y el agua fomentando la eficiencia del enfriado. Al evaporarse, el agua toma el calor que necesita del resto del agua circulante, enfriándola.
En este proceso se evapora aproximadamente un 1% del caudal total de agua por cada 7 ºC de refrigeración. Esta agua que sale de la torre evaporada es filtrada a través del llamado "separador de gotas". Este elemento, que cuenta con pérdidas inferiores al 0.002%, reduce de manera eficiente la expulsión de agua a la atmósfera tal como dicta la norma UNE 100030/2017. 
El resto del agua refrigerada se deposita en una balsa que la envía a un circuito.
Tipos de torres de enfriamiento
Torres de enfriamiento de tiro natural
El flujo del aire necesario se obtiene como resultado de la diferencia de densidades, entre el aire más frío del exterior y húmedo del interior de la torre. Utilizan chimeneas de gran altura para obtener el tiro deseado. Debido a las grandes dimensiones de estas torres se utilizan flujos de agua de más de 200.000gpm. Son muy utilizadas en las centrales térmicas.
Torre de enfriamiento de tiro inducido
En este tipo de torres, el aire se succiona mediante un ventilador situado en la parte superior de la torre. Son las más utilizadas porque resultan más eficientes que otros modelos. 
Torres de tiro forzado
El aire es forzado por un ventilador situado en la parte inferior de la torre y se descarga por la parte superior. Este tipo de torres resultan menos eficientes ya que la velocidad de descarga es menor. 
Torres de flujo cruzado
El aire entra por los lados de la torre fluyendo horizontalmente a través del agua que cae. Estas torres necesitan más aire y tienen un coste de operación más bajo que las torres a contracorriente.
Transferencia simultanea de masa 
y calor -LIOFILIZACIÓN
Es el proceso por el cual se llega a separar el agua u otro solvente presente en una disolución, mediante la congelación y posterior sublimación (proceso en el que se pasa directamente a un estado de sólido a gaseoso) a presión reducida.
Este proceso se considera el más conveniente para la deshidratación de compuestos orgánicos sin alterar su composición, cuyo objetivo es la obtención de un producto seco, que sea más estable y que, al ser rehidratado, presente las mismas características que su estado original (forma, color, aroma, sabor y textura). 
Durante su operación se generan procesos de transferencia de masa y calor dentro de la materia prima. La transferencia de masa es aquella que se debe al vapor generado durante la sublimación y por lo general se termina bajo el mismo mecanismo. La transferencia de calor puede ocurrir de diferentes maneras: por conducción desde la capa seca, por conducción a través de la capa congelada o por generación de calor por microondas desde la etapa congelada.
El equipo con el que se lleva a cabo un proceso de liofilización es conocido como liofilizador, el cual tiene tres componentes principales: la cámara seca o cámara de liofilización, lugar en donde se deposita la sustancia a tratar; el condensador con circuito de refrigeración, parte que se comunica a la cámara seca y en donde el vapor resultante de la sublimación se condensa y se mantiene a menor temperatura que en la cámara seca (con ayuda de un refrigerante); y el sistema de vacío, que consta de una bomba de vacío conectada a la cámara seca y que elimina el aire presente en la cámara de vacío al inicio del proceso, controlando la presión durante la sublimación.
Equipo de liofilización
4. Desecación secundaria
última etapa del proceso es la desecación secundaria del producto por medio de desorción. Consiste en evaporar el agua no congelable, o �agua ligada�, que se encuentra en los alimentos, logrando que el porcentaje de humedad final sea menor al 2%. 
La liofilización involucra cuatro etapas principales:
Preparación
Antes de comenzar el proceso, es fundamental el acondicionamiento de la materia prima, ya que una vez completada la transformación, los productos liofilizados no pueden ser manipulados. 
2. Congelación
La segunda etapa se lleva a cabo en congeladores independientes (separados del equipo liofilizador) o en el mismo equipo. El objetivo es congelar el agua libre del producto, para lo cual se trabaja a temperaturas entre -20° y -40° C.
3. Desecación primaria
La tercera etapa del proceso consiste en la desecación primaria del producto, por sublimación del solvente congelado (agua en la mayoría de los casos).
Para este cambio de fase es necesario reducir la presión en el interior de la cámara, mediante una bomba de vacío, y aplicar calor al producto (calor de sublimación, alrededor de 550 Kcal/Kg en el caso del agua), sin subir la temperatura. Esto último puede hacerse mediante conducción, radiación o fuente de microondas.
Ejemplos de productos alimenticios que se tratan mediante liofilización
	Carne aviar: 	pechuga de pollo, pechuga de pavo, muslo de pollo.
	Carne porcina: 
	 jamón, lomo.
	Frutas	Frutilla, fresa, banana, ananá, mora, frambuesa.
	Vegetales	Espárrago, choclo, zanahoria, brócoli, coliflor, apio, papa, hongos, aceituna, espinaca, ajíes, arroz, arvejas, cebolla.
	Otros	Café, sopas, zumos de frutas, levaduras, caldos, salsas, especias, champiñones.
Gracias!!