Tema 3. Transferencia de materia por convección

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

2 Tema 2. Transferencia de materia por difusión
Tema 3. Transferencia de materia por convección 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 Difusión Fluidos en régimen laminar Ley de Fick Coef. difusión NA,z Convección Fluidos 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 Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

3 Tema 2. Transferencia de materia por difusión
Tema 3. Transferencia de materia por convección INTRODUCCIÓN (cont.) Zona turbulenta: menor resistencia Subcapa laminar: mayor resistencia Fluidos en régimen turbulento La mayor parte del gradiente de concentración se encuentra en la subcapa laminar xA A+B  A xA xAo z=0 z= z Transferencia de materia en régimen turbulento. Subcapa laminar. Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

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

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Tema 3. Transferencia de materia por convección 2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA 2.1 Coeficientes individuales (Transferencia de materia en una fase) xAi xA A líquido sólido . Una sola fase . Fuerza impulsora: diferencia de concentraciones entre la interfase y el seno de la fase NA,z = kx·(xAi – xA) (mol/(m2·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·(cAi - cA)l kg·(cAi - cA)g Presiones parciales* kP·(PAi - PA) Fracción molar o másica kx·(xAi - xA) ky·(yAi - yA) Razón (relación) molar o másica kX·(XAi - XA) kY·(YAi - YA) Coeficientes volumétricos Superficie específica: a (m2/m3) Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

6 Tema 2. Transferencia de materia por difusión
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 0,04 - 7 0, Columna de platos Campanas Platos perforados 0,5 - 2 0,5 - 6 1 - 5 1 - 20 1 - 40 Columna de borboteo 1 - 4 0,5 - 24 Columna de burbujeo de relleno 0,5 - 12 Reactor tubular Horizontal Vertical 0,5 - 4 0,5 - 8 1 - 10 2 - 5 0,5 - 70 Columna de pulverización 0,7 - 1,5 0,07 - 1,5 Reactor de burbujeo agitado mecánicamente --- 0,3 - 4 0,3 - 80 Hidrociclón 2 - 15 Venturi 2 - 10 5 - 10 8 - 25 Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

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Tema 3. Transferencia de materia por convección 2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA 2.2 Coeficientes globales (Transferencia de materia entre fases) Región 1 turbulento transición laminar Región 2 c1 C1,t C1,l C1,i C2,i C2,l C2,t C2 Fase 1 Fase 2 Interfase A 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

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Tema 3. Transferencia de materia por convección 2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA 2.2 Coeficientes globales A Fase Y Fase X z xA yA yAi xAi Interfase 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

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Tema 3. Transferencia de materia por convección 2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA 2.2 Coeficientes globales (cont.) yAi yA -kx/ky mx my m yAe=f(xA) xA xAi xAe yAe Transferencia de materia entre fases. Diagrama de equilibrio en un sistema bifásico: yA,e = f(xA) Si la interfase no ofrece resistencia: yA,i = f(xA,i) yA = f(xA,e) yA,e = f(xA) Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

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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: yA = H xA la línea de equilibrio es recta y, por tanto, las tres pendientes son iguales: m = H Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

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Tema 3. Transferencia de materia por convección 2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA 2.2 Coeficientes globales (cont.) A Fase Y Fase X z xA yA yA=yAi xAi a) Resistencia controlante fase X A Fase Y Fase X z xA yA yAi xAi=xA b) Resistencia controlante fase Y A Fase Y Fase X z xA yA xAi c) Control simultáneo yAi yA xA b) my0 a) my b) kx xA1 a) ky yA1 c) –kx/ky Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

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Tema 3. Transferencia de materia por convección 2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA 2.2 Coeficientes globales (cont.) PA cA kg ~ KG H<< kl Fase líquida Fase gas a) Control de la fase gas. Soluto muy soluble en el líquido kg kl ~ KL 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, PA=H·cA Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental