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

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1 Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental TEMA 3. Transferencia de materia por convección 1. Introducción 2. Coeficientes de transferencia de materia 2.1 Coeficientes individuales 2.2 Coeficientes globales Tema 3. Transferencia de materia por convección

2 Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental 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 DifusiónFluidos en régimen laminar Ley de Fick Coef. difusión N A,z ConvecciónFluidos en régimen turbulento ¿Ecuaciones equivalentes? Coeficientes difusión empíricos, llamados coeficientes de transporte o de transferencia de materia No hay equivalente a Ley de Fick Depende del sistema, punto y condiciones Tema 3. Transferencia de materia por convección

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

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

5 Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental 2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA x Ai xAxA A líquido sólido 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 N A,z = k x ·(x Ai – x A ) (mol/(m 2 ·s)) Coeficientes volumétricos Tabla 2 Expresiones de la densidad de flujo de materia Fuerza impulsoraN A = LíquidoGas Concentración másica* k l ·( Ai - A ) l k g ·( Ai - A ) g Concentración molar*k l ·(c Ai - c A ) l k g ·(c Ai - c A ) g Presiones parciales*k P ·(P Ai - P A ) Fracción molar o másicak x ·(x Ai - x A )k y ·(y Ai - y A ) Razón (relación) molar o másicak X ·(X Ai - X A )k Y ·(Y Ai - Y A ) Tema 3. Transferencia de materia por convección Superficie específica: a (m 2 /m 3 )

6 Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental 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(k l ·a)·10 2 s -1 Columna de relleno Contracorriente Paralelo 0, , , , , , Columna de platos Campanas Platos perforados 0, , Columna de borboteo0, , Columna de burbujeo de relleno 0, , Reactor tubular Horizontal Vertical 0, , , Columna de pulverización0,5 - 20,7 - 1, ,07 - 1,5 Reactor de burbujeo agitado mecánicamente ---0, , Hidrociclón Venturi Tema 3. Transferencia de materia por convección

7 Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental 2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA 2.2 Coeficientes globales ( Transferencia de materia entre fases ) Región 1 turbulento Región 1 transición Región 1 laminar Región 2 transición Región 2 laminar Región 2 turbulento c1c1 C 1,t C 1,l C 1,i C 2,i C 2,l C 2,t C2C2 Fase 1 Fase 2 Interfase A Transporte de componente A por convección entre dos fases inmiscibles 1 y 2 Tema 3. Transferencia de materia por convección 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:

8 Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental 2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA 2.2 Coeficientes globales A Fase YFase X z xAyAxAyA yAyA y Ai x Ai xAxA Interfase Perfil de concentración en un sistema bifásico Tema 3. Transferencia de materia por convección 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:

9 Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental 2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA 2.2 Coeficientes globales (cont.) Transferencia de materia entre fases. Diagrama de equilibrio en un sistema bifásico: y A,e = f(x A ) Si la interfase no ofrece resistencia: y A,i = f(x A,i ) y Ai yAyA -k x /k y mxmx mymy m y Ae =f(x A ) xAxA x Ai x Ae xAxA yAyA y Ae Tema 3. Transferencia de materia por convección y A = f(x A,e ) y A,e = f(x A )

10 Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental 2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA 2.2 Coeficientes globales (cont.) Tema 3. Transferencia de materia por convección 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

11 Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental 2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA 2.2 Coeficientes globales (cont.) A Fase YFase X z xAyAxAyA y A =y Ai x Ai xAxA a) Resistencia controlante fase X A Fase YFase X z xAyAxAyA yAyA x Ai xAxA c) Control simultáneo y Ai A Fase YFase X z xAyAxAyA y Ai x Ai =x A b) Resistencia controlante fase Y yAyA yAyA xAxA b) m y 0 a) m y b) k x x A 1 a) k y y A 1 c) –k x /k y Tema 3. Transferencia de materia por convección

12 Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental 2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA 2.2 Coeficientes globales (cont.) PAPA cAcA PAPA cAcA k g ~ K G H<< k l Fase líquidaFase gas a) Control de la fase gas. Soluto muy soluble en el líquido PAPA cAcA k g Fase líquidaFase gas PAPA cAcA k l ~ K L H>> 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, P A =H·c A Tema 3. Transferencia de materia por convección


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