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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE QUÍMICA

PROCESOS DE SEPARACION (1750)

ILEANA RODRÍGUEZ CASTAÑEDA

[email protected]

mailto:[email protected]

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1

1. Generalidades

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Laboratorio de Simulación y Optimización de Procesos, Facultad de Química, UNAM 3

Químicos vs. Ingenieros Químicos

Químicos Ingenieros Químicos

Tubos de ensaye Cantidades Mayores a 10,000 lts. Reactores en proceso continuo a

flujos de 1000 Lt/s

Determinan las reacciones para crear nuevos compuestos en pruebas de

laboratorio

Diseñan los procesos para producir 1000L/min. eficientes

VS.

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¿Por que nos preocupamos los IQ´s?

• Si miras a tu alrededor, todo lo que ves tiene algo diseñado por un Ingeniero Químico

Ropa Pintura Gasolina

Shampoo Café

descafeinado Cosméticos

Jabón Polímeros Azúcar

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¿Con que clase de moléculas trabajamos los IQ´s?

• Pequeñas y simples

‒ Helium

‒ Amoniaco

‒ Trinitrotolueno

• Largas y simples

‒ Politetrafluoroetileno (Teflón)

• Largas y complicadas

‒ Insulina C257H383N65O77S6

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¿Como se producen los productos químicos?

• Reacciones que crean nuevas moléculas de dos o más componentes en un reactor.

• Separaciones que aíslan una sustancia que está contenida en una mezcla de otros ingredientes

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Los IQ´s necesitan entender:

• Transporte (flujo y mezcla de moléculas)

• Termodinámica (energía y calor)

• Balances de materia y energía (leyes de conservación)

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¿Por qué hacemos separaciones?

• Adquirir algo útil

• Eliminar algo dañino

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GENERALIDADES

• Frecuentemente en la industria es necesario separar los componentes de una mezcla en fracciones individuales.

• Las fracciones pueden diferenciarse entre sí por el tamaño de las partículas, por su estado, o por su composición química.

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Ejemplos

• Un producto bruto puede purificarse por eliminación de las impurezas que lo contaminan.

• La corriente que sale de un proceso puede constar de una mezcla del producto y de material no convertido, y es preciso separar y recircular la parte no convertida a la zona de reacción para convertirla de nuevo.

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Ejemplos

• Una mezcla de mas de dos componentes, puede separarse en los componentes puros individuales.

• Una sustancia valiosa, tal como un material metálico, disperso en un material inerte, es preciso liberarlo con el fin de proceder a su beneficio y desechar el material inerte.

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¿Cómo separar cosas?

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¿Cómo separar cosas?

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Generalidades

• Se han desarrollado un gran numero de métodos para realizar tales separaciones y algunas operaciones básicas se dedican a ello.

• En la realidad se presentan muchos problemas de separación y el ingeniero debe de elegir el método más conveniente en cada caso.

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• Una clasificación de los métodos para separar los componentes de las mezclas es en:

Generalidades

Métodos de Separación por Difusión

Métodos de Separación Mecánicos

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Métodos de separación por difusión

Destilación Absorción de

Gases Deshumidificación

Extracción

Líquido-Líquido

Extracción de Solidos

(Lixiviación)

Cristalización

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Métodos de separación mecánicos

Tamizado Filtración

Sedimentación por gravedad

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• La separación de los componentes de mezclas, se basan en la transferencia de material desde una fase homogénea a otra.

• Utilizan diferencias de presión de vapor o de solubilidad.

• La fuerza impulsora de la transferencia es una diferencia o gradiente de concentración.

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• Se puede aplicar a mezclas heterogéneas.

• Las técnicas se basan en diferencias físicas entre las partículas, tales como el tamaño, la forma o la densidad.

• Se aplican para separar: • líquidos de líquidos

• sólidos de gases

• líquidos de gases

• sólidos de sólidos

• sólidos de líquidos.

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• Existen procesos especiales que se basan en las diferencias entre la facilidad de mojado o en las propiedades eléctricas, o magnéticas de las sustancias.

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Destilación

• Es utilizada para separar mezclas homogeneas.

• Basada en la diferencia de los puntos de ebullición de las sustancias involucradas.

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Destilación

• El objetivo de la destilación es separar, mediante vaporización, una mezcla líquida de sustancias miscibles y volátiles en sus componentes individuales, o en algunos casos en grupo de componentes.

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Destilación

• Ejemplos de la destilación son:

‒ La separación de mezclas como alcohol y agua en sus componentes

‒ El aire líquido en nitrógeno, oxigeno y argón

‒ El petróleo en gasolina, keroseno, fuel-oil y aceites lubricantes.

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Absorción de Gases

• Un vapor soluble contenido en una mezcla con un gas inerte, es absorbido mediante un líquido en el que el soluto gaseoso es más o menos soluble

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Absorción de Gases

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Absorción de Gases

• Ejemplos

• Lavado mediante agua líquida, del amoniaco contenido en una mezcla amoniaco-aire.

‒ El soluto se recupera posteriormente del líquido mediante destilación y el líquido de absorción se puede reutilizar o desechar.

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Absorción de Gases

Water-oil emulsion sprays in a VOC absorption column by Nicolas Dietrich

http://www.ndietrich.com/archives/author/admin



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Deshumidificación

• La fase líquida es una sustancia pura que se separa de la corriente gaseosa.

• Con frecuencia el gas inerte o vapor es prácticamente insoluble en el líquido

• La separación de vapor de agua del aire por condensación sobre una superficie fría.

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Deshumidificación

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Deshumidificación

• En estas operaciones el sentido de la transferencia es desde la fase gaseosa al líquido.

• Por ejemplo el tetracloruro de carbono, contenido en una corriente de nitrógeno.

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Extracción Líquido-Líquido

• Es llamada también extracción con disolvente, en la que se trata una mezcla líquida con un disolvente que disuelve preferentemente a uno o más componentes de la mezcla.

• La mezcla tratada en esta forma se llama refinado y la fase rica en disolvente recibe el nombre de extracto.

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Extracción Liquido-Liquido

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Extracción de sólidos o lixiviación

• El componente que se transmite desde el refinado hacia el extracto es el soluto, y el componente que queda en el refinado es el diluyente.

• El material soluble contenido en una mezcla con un sólido inerte se diluye en un disolvente líquido. El material disuelto o soluto se puede recuperar posteriormente por evaporación o cristalización.

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Cristalización

• Técnica de separación que da como resultado la formación de partículas sólidas puras a partir de una solución que contiene la sustancia disuelta.

• Cuando una sustancia se evapora, la sustancia disuelta sale de la solución y se recoge como cristales.

• Produce sólidos muy puros

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Cristalización

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Tamizado

• Se basa solamente en la diferencia de tamaño.

• En el tamizado industrial se vierten los sólidos sobre una superficie perforada o tamiz, que deja pasar las partículas pequeñas, o “finos”, y retiene las de tamaños superiores o “rechazos”.

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Tamizado

• Un tamiz puede efectuar solamente una separación en dos fracciones.

• Es usado para efectuar separaciones gruesas.

• Una serie de tamices se apila, con la pantalla de mayor tamaño de agujero en la parte superior

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Filtración

• Se utiliza para separar mezclas heterogéneas compuestas de sólidos y líquidos.

• La filtración es la separación de partículas sólidas contenidas en un fluido, pasándolo a través de un medio filtrante, sobre el que se depositan los sólidos.

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Filtración

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• Separación se sólidos contenidos en gases y líquidos. • Por ejemplo, las partículas de polvo pueden retirarse

de los gases por una gran variedad de métodos. ‒ Para partículas sólidas gruesas, mayores de unas 325

micras, es útil una cámara de sedimentación por gravedad. El aparato es una gran caja, donde en uno de sus extremos entra aire cargado de polvo y por el otro sale el aire clarificado.

‒ En ausencia de corrientes de aire, las partículas sedimentan en el fondo por gravedad.

‒ Si el aire permanece en la cámara durante un período de tiempo suficiente, las partículas alcanzan el fondo de la cámara, de donde se pueden retirar posteriormente

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CÁMARA DE SEDIMENTACIÓN POR GRAVEDAD

CICLÓN

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Centrifugación

• Separa los líquidos con diferentes densidades.

• Los análisis de sangre utilizan centrifugas para separar la sangre en sus diferentes componentes.

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Centrifugación

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Magnética

• El método consiste en acercar un imán a la mezcla a fin de generar un campo magnético, que atraiga al compuesto ferroso dejando solamente al material no ferroso en el contenedor.

• Un ejemplo es el azufre mezclado con limaduras de hierro.

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Magnética

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Cromatografía

• Separa los componentes de una mezcla basados en la capacidad de cada componente de ser extraído a través de la superficie de otro material.

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Cromatografía

CROMATOGRAFO DE GASES

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Decantación

• Se utiliza para separar las partículas de un líquido permitiendo que los sólidos se depositen en el fondo de la mezcla y verter la parte libre de partículas del líquido.

• La decantación líquido-líquido permite que dos líquidos inmiscibles se separen y el líquido más ligero se vierta.

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Decantación

• En el tratamiento de aguas residuales, éstas suelen ser más densas que las limpias, ya que poseen partículas y otras sustancias suspendidas, por lo que además del filtrado se utilizan sucesivos procedimientos de decantación.

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Mecanismos de Separación

• La creación de una mezcla de especies químicas de las especies separadas es un proceso espontáneo que no requiere energía.

• La separación de una mezcla química en componentes puros, no es un proceso espontáneo y por lo tanto requiere energía.

• Una mezcla a separar puede ser monofásica o multifásica (mayor ventaja para separar primero las fases).

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• La alimentación y los productos pueden ser vapor, líquido o sólido

• Puede haber una o más operaciones de separación.

• Los productos difieren en su composición y pueden diferir en fase.

• En cada operación de separación, se induce a los componentes de la mezcla a moverse en diferentes posiciones o fases separables por uno o más de los cinco métodos básicos de separación

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Métodos Básicos de Separación

a. Creación de Fase b. Adición de Fase c. Membrana o Barrera

d. Agente Sólido e. Campo de Fuerza o

Gradiente

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a. Creación de Fase

• La separación se logra creando una segunda fase, inmiscible con la fase de

alimentación, por transferencia de energía o por reducción de presión.

• Las operaciones comunes de este tipo son la destilación, que implica la

transferencia de especies entre las fases vapor y líquida, explotando diferencias en

la volatilidad (por ejemplo, presión de vapor o punto de ebullición) entre las

especies; Y cristalización, que explora diferencias en el punto de fusión

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b. Adición de Fase

• La separación se logra introduciendo otra fase, que absorbe, extrae o separa selectivamente ciertas

especies de la alimentación.

• Las operaciones más comunes de este tipo son:

‒ La extracción líquido-líquido, en la que la alimentación es líquida y se añade una segunda fase líquida

inmiscible

‒ Y absorción, donde la alimentación es vapor, y se añade un líquido de baja volatilidad.

• En ambos casos, las solubilidades de las especies son significativamente diferentes en la fase añadida.

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• Si la alimentación es una solución monofásica, debe desarrollarse una segunda fase separable antes de que se pueda conseguir la separación de la especie. La segunda fase se crea mediante un agente separador de energía (ESA) y / o se añade como un agente separador de masa (MSA)

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c. Barrera o Membrana

• La separación se logra mediante el uso de una barrera, por lo

general es una membrana polimérica, que implica una alimentación

de gas o líquido y explota las diferencias en las permeabilidades de

las especies a separar.

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d. Agente Sólido

d) Técnica que implica poner en contacto un vapor o una

alimentación líquida con un agente sólido, el cual consiste en

partículas que son porosas para conseguir una mayor superficie

de contacto y aprovecha las diferencias en la adsorción de las

especies acarreadores inertes para lograr la separación.

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e. Campo de Fuerza o Gradiente

• Técnica que utiliza los campos externos (centrífugo, térmico, eléctrico,

flujo, etc.) los cuales se aplican en casos especiales a alimentaciones

líquidas o gaseosas.

• Por ejemplo la electroforesis es especialmente utilizada para separar

proteínas mediante la explotación de las diferencias de carga eléctrica y

difusividad.

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• El tamaño del equipo se determina por los flujos de la Transferencia de Masa de cada especie de una fase a otra, con respecto a la transferencia de masa de todas las especies.

• La fuerza impulsora y la dirección de transferencia de masa se rigen por el equilibrio termodinámico, que involucra volatilidades, solubilidades, etc

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• El grado de separación posible depende de las diferencias en las propiedades moleculares, termodinámicas y de transporte de las especies.

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Ejemplo 1

• Factibilidad de separación

‒ ¿Se puede separar el m-xileno del p-xileno por destilación?

COMPUESTO Punto Normal de

Ebullición-NBP (˚C)

Punto Normal de Fusión

(˚C)

M-XILENO 139,3 -47,4

P-XILENO 138,5 13,2

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• Los Puntos Normales de Ebullición son muy cercanos de M-Xileno (139,3°C) y P-Xileno (138,5°C)

∆𝑁𝐵𝑃= 0.8

Imposible la separación por destilación.

• Sin embargo…

• Sus Puntos de Fusión son muy diferentes de (47,4°C) para M-xileno y (13,2°C) para P-Xileno

Se puede lograr la Separación por Cristalización

Ejemplo 1

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Ejemplo 2

• Factibilidad de separación

‒ ¿Se puede separar el Benceno del Ciclohexano por destilación?

COMPUESTO Punto Normal de

Ebullición-NBP (˚C)

Punto Normal de Fusión

(˚C)

BENCENO 80.1 5.5

CICLOHEXANO 80.7 6.5

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• Los puntos de ebullición normales de benceno (80,1°C) y ciclohexano (80,7°C) impiden una separación práctica por destilación.

• Los puntos de fusión también están cerca, (5,5°C) para el benceno y (6,5°C) para el ciclohexano, haciendo la cristalización también impráctica.

• MEJOR OPCIÓN • Usar la destilación en presencia de fenol (NBP de 181,4°C),

lo que reduce la volatilidad del benceno, permitiendo obtener el ciclohexano casi puro. El otro producto, una mezcla de benceno y fenol, es fácilmente separado en una operación de destilación posterior.

Ejemplo 2

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1

Separacion por adicion o creación de fase

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Operación Esquema Fase inicial Fase desarrollada Agente(s) de Ejemplo o de alimentación o agregada separación

V

L

L Vaporización

flash Líquido Vapor

Reducción

de presión

Recuperación de

agua del agua de

mar

1

V

L

V Condensación

parcial Líquido Vapor Calor (ASE)

Recuperación de

H2 y N2 del

amoniaco

2

L

L

V-L Destilación

Vapor y/o

líquido

Vapor y líquido Calor (ASE) y

líquido

solvente (ASM)

Separación de

gasolinas 3

L

L

V-L

MSA Destilación

extractiva

Vapor y/o

líquido Vapor y líquido

Calor (ASE) y

algunas veces

trabajo

Separación de

tolueno de

benceno y

xilenos 4

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L

V-L

MSA

V

Absorción con

rehervidor 5

Vapor y/o

líquido Vapor y líquido

Calor (ASE) y

líquido

absorbente

(ASM)

Separación de

etano e

hidrocarburos

ligeros producto

de una planta

FCC

MSA

L

V

V

Absorción 6 Vapor líquido

Líquido

absorbente

(ASE)

Separación de CO2

de combustión con

solución de

dietanolamina

MSA

L

L

V

Agotamiento 7

Líquido Vapor Vapor de

agotamiento

(ASM)

Separación de

nafta, kerosina,

diesel de crudo


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Agotamiento

con reflujo MSA

L

V-L

MSA

V

8 Vapor y/o

Líquido

Vapor

y

líquido

Vapor de

agotamiento

(ASM) y

transferencia

de calor (ASE)

Destilación al

vacío utilizando

vapor de

agotamiento

L

L

V

Agotamiento

con

rehervidor

Líquido Vapor Transferencia

de calor (ASE)

Remoción de

ligeros de nafta 9

Destilación

Azeotrópica

L

L

V-L

MSA de

reciclo

MSA de

reciclo 10

Vapor

y

líquido

Líquido de

arrastre (ASM)

calor (ASE)

Separación de ac.

de agua

utilizando n-butil

acetato

Vapor y/o

Líquido


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Extracción

líquido-líquido

con dos

solventes L

L1I

MSA1

L2I

MSA2

11 Vapor

y

líquido

Líquido de

arrastre (ASM)

calor (ASE)

Separación de ac.

de agua

utilizando n-butil

acetato

Vapor y/o

Líquido

Evaporación

V

L

L

13 Vapor Calor (ASE) Separación de ac.

de agua

utilizando n-butil

acetato

Líquido

14

Secado (V)

L/(S) S

V Vapor Gas (ASM) y/o

calor (ASE)

Remoción de

agua del cloruro

de PVC con aire

caliente

Líquido y a

menudo

solido

12

L

V

L

S

Cristalización calor (ASE) Líquido Sólido

(y Vapor)

Cristalización del

p-xileno de la

mezcla con m-

xileno Vapor


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Desublimación

V

V

S

15 calor (ASE) Vapor Sólido

Recuperación de

anhídrido ftálico

de gas

conteniendo N2,

O2, CO2 y agua.

Lixiviación

L

MSA

S

S

16 Solvente

líquido( ASM) Sólido Líquido

Agua lechosa de

para recuperar

sulfato de cobre

Adsorción

MSA

V o L

V o L

17

Vapor o

Líquido

Sólido Remoción del

agua del aire

Sólido

adsorbente

(ASM)


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Difusión con

presión Gas

Gradiente de presión

inducido por la

fuerza centrífuga

Fuerza

centrífuga

Separación de

mezclas de

isótopos

1

Membrana Osmosis

inversa

Líquido Gradiente de presión

para aumentar la

presión osmótica

Separación de

gasolinas 3

Difusión

gaseosa Vapor Desalinización de

agua de mar 2 Barrera porosa Flujo forzado a

través de barreras

porosas

Permeación Gas o líquido

Recuperación del

NaOH del proceso

líquido del rayón 4

Flujo forzado a

través de membranas

semiimpermeables

Membrana

Diálisis Líquido

Recuperación del

NaOH del proceso

líquido del rayón 5

Diferencia en la

rapidez de difusión a

través de la

membrana

Membrana

9

Operación Esquema Gradiente o Fuerza Impulsora Agente(s) de Ejemplo

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