Tema 3 Transferencia de materia por conveccin TEMA

Tema 3. Transferencia de materia por convección TEMA 3. Transferencia de materia por convección 1. Introducción 2. Coeficientes de transferencia de materia 2. 1 Coeficientes individuales 2. 2 Coeficientes globales Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

Tema 3. Transferencia de materia por convección 1. INTRODUCCIÓN Convección: Mecanismo por el cual se produce la transferencia de materia cuando los fluidos se desplazan en régimen turbulento. Superpuesto a la difusión (en general, despreciable). Situación habitual en la industria: se favorece el transporte de las tres propiedades extensivas y disminuye la resistencia a la transferencia Fluidos en régimen laminar NA, z Difusión Ley de Fick Coef. difusión Fluidos en régimen turbulento No hay equivalente a Ley de Fick Convección ¿Ecuaciones equivalentes? Coeficientes difusión empíricos, llamados coeficientes de transporte o de transferencia de materia Depende del sistema, punto y condiciones Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

Tema 3. Transferencia de materia por convección 1. INTRODUCCIÓN (cont. ) Zona turbulenta: menor resistencia Fluidos en régimen turbulento Subcapa laminar: mayor resistencia La mayor parte del gradiente de concentración se encuentra en la subcapa laminar x. Ao A+B A A x. A z=0 z= z Transferencia de materia en régimen turbulento. Subcapa laminar. Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

Tema 3. Transferencia de materia por convección 2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA Fuerza impulsora Densidad de flujo Coeficiente de transferencia de materia Densidad de flujo = Fuerza impulsora Densidad de flujo = Resistencia Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

Tema 3. Transferencia de materia por convección 2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA 2. 1 Coeficientes individuales (Transferencia de materia en una fase). Una sola fase. Fuerza impulsora: diferencia de concentraciones entre la interfase y el seno de la fase líquido sólido x. Ai A x. A NA, z = kx·(x. Ai – x. A) (mol/(m 2·s)) Tabla 2 Expresiones de la densidad de flujo de materia Fuerza impulsora NA = Líquido Gas Concentración másica* kl ·( Ai - A)l kg ·( Ai - A)g Concentración molar* kl·(c. Ai - c. A)l kg·(c. Ai - c. A)g Presiones parciales* k. P·(PAi - PA) Fracción molar o másica kx·(x. Ai - x. A) ky·(y. Ai - y. A) Razón (relación) molar o másica k. X·(XAi - XA) k. Y·(YAi - YA) Coeficientes volumétricos Superficie específica: a (m 2/m 3) Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

Tema 3. Transferencia de materia por convección 2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA 2. 1 Coeficientes individuales Tabla 1 Coeficientes de transferencia de materia y superficie específica en algunos equipos industriales Equipo (kl·a)· 102 s-1 Columna de relleno Contracorriente Paralelo 0, 03 - 2 0, 1 - 3 0, 4 - 2 0, 4 - 6 10 - 350 10 - 1700 0, 04 - 7 0, 04 - 102 Columna de platos Campanas Platos perforados 0, 5 - 2 0, 5 - 6 1 -5 1 - 20 100 - 400 100 - 200 1 - 20 1 - 40 Columna de borboteo 0, 5 - 2 1 -4 50 - 600 0, 5 - 24 Columna de burbujeo de relleno 0, 5 - 2 1 -4 50 - 300 0, 5 - 12 Reactor tubular Horizontal Vertical 0, 5 - 4 0, 5 - 8 1 - 10 2 -5 50 - 700 100 - 2000 0, 5 - 70 2 - 100 Columna de pulverización 0, 5 - 2 0, 7 - 1, 5 10 - 100 0, 07 - 1, 5 Reactor de burbujeo agitado mecánicamente --- 0, 3 - 4 100 - 2000 0, 3 - 80 Hidrociclón --- 10 - 30 20 - 50 2 - 15 2 - 10 5 - 10 160 - 2500 8 - 25 Venturi Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

Tema 3. Transferencia de materia por convección 2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA 2. 2 Coeficientes globales (Transferencia de materia entre fases) Región 1 Región 2 turbulento transición laminar transición turbulento c 1 C 1, t C 1, l Fase 2 C 2, i A C 1, i C 2, l C 2, t C 2 Fase 1 Interfase Transporte de componente A por convección entre dos fases inmiscibles 1 y 2 En estado estacionario y sin generación se verifica que el flujo de A que abandona una fase debe ser el mismo que recibe la otra: Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

Tema 3. Transferencia de materia por convección 2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA 2. 2 Coeficientes globales x. A y. Ai x. A A Fase Y Fase X Interfase z Perfil de concentración en un sistema bifásico En estado estacionario y sin generación se verifica que el flujo de A que abandona una fase debe ser el mismo que recibe la otra: Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

Tema 3. Transferencia de materia por convección 2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA 2. 2 Coeficientes globales (cont. ) y. Ae=f(x. A) y. A Transferencia de materia entre fases. -kx/ky Diagrama de equilibrio en un sistema bifásico: m mx y. A, e = f(x. A) Si la interfase no ofrece resistencia: y. Ai y. Ae y. A, i = f(x. A, i) my x. Ai x. Ae x. A y. A = f(x. A, e) y. A, e = f(x. A) Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

Tema 3. Transferencia de materia por convección 2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA 2. 2 Coeficientes globales (cont. ) Para disoluciones diluidas en las que se cumple la ley de Henry: y. A = H x. A la línea de equilibrio es recta y, por tanto, las tres pendientes son iguales: m = H Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

Tema 3. Transferencia de materia por convección 2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA 2. 2 Coeficientes globales (cont. ) x. A y. A=y. Ai A x. Ai=x. A Fase Y Fase X Fase Y z a) Resistencia controlante fase X x. A y. Ai x. Ai Fase Y z b) Resistencia controlante fase Y y. A A x. A Fase X c) Control simultáneo Fase X a) my b) kx x. A 1 a) ky y. A 1 z Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental c) –kx/ky b) my 0 x. A

Tema 3. Transferencia de materia por convección 2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA 2. 2 Coeficientes globales (cont. ) PA PA c. A H<< kg ~ KG kl Fase gas Fase líquida c. A a) Control de la fase gas. Soluto muy soluble en el líquido PA kg Fase gas PA c. A kl ~ KL H>> Fase líquida c. A b) Control de la fase líquida. Soluto muy poco soluble en el líquido o gas puro Resistencias a la transferencia de materia en un sistema gas-líquido con equilibrio lineal, PA=H·c. A Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental