Coeficientes de Transferencia de Masa

Coeficientes de Transferencia de Masa

1. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MASA

2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MASA Se ha visto que cuando un fluido fluye a través de una superficie sólida, en condiciones en las cuales por lo general prevalece la turbulencia, hay una región inmediatamente contigua a la superficie en donde el flujo es predominantemente laminar . Al aumentar la distancia de la superficie, el carácter del flujo cambia de modo gradual y se vuelve cada vez más turbulento, hasta que en las zonas más externas del fluido, prevalecen completamente las condiciones de flujo turbulento.

3. Coeficientes de transferencia de masa El mecanismo del proceso de flujo en que intervienen los movimientos de los remolinos en la región turbulenta no se ha entendido completamente. Sucede lo contrario con el mecanismo de la difusión molecular, al menos para gases, el cual se conoce bastante bien, puesto que puede describirse en función de una teoría cinética que proporciona resultados que están de acuerdo con los experimentales. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MASA EN FLUJO LAMINAR Al menos en principio, no se necesitan coeficientes de transferencia de masa en el flujo laminar, puesto que prevalece la difusión molecular y pueden utilizarse las relaciones del capítulo 2 para calcular la rapidez de la transferencia de masa. Sin embargo , es deseable poseer un método uniforme para trabajar tanto con flujo laminar como turbulento.

4. Transferencia de masa de un gas a una película líquida descendente

5. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MASA EN FLUJO TURBULENTO En la mayoría de las situaciones prácticamente útiles interviene el flujo turbulento. Por lo general, para dichas situaciones no es posible calcular coeficientes de transferencia de masa, debido a la imposibilidad para describir matemáticamente las condiciones de flujo. En lugar de esto, se confía en datos experimentales. Sin embargo , los datos son de aplicación limitada a tanto con respecto a circunstancias y situaciones como al rango de las propiedades del fluido.

6. Difusión de remolino La turbulencia se caracteriza por un movimiento de las partículas del fluido, movimiento que es irregular con respecto al tiempo y al sentido. Los remolinos más grandes, cuyas dimensiones en el caso de flujo en una tubería equivalen al radio de la tubería, tal vez contengan únicamente 20 % de la energía cinética de la turbulencia. Los remolinos, se regulan por otros más pequeños, que a su vez forman otros más pequeños que trasfiere la energía. Los de tamaño mediano, “que contiene energía”, da la mayor contribución de energía a la turbulencia. Los más pequeños que disipan su energía por la viscosidad, se energizan por remolinos grandes, dándose un estado de equilibrio.

7. Es útil entender un punto de vista más sencillo de la turbulencia de conceptos utilizados en la transferencia de masa. Se considera una segunda posición 1, en donde la velocidad x es mayor que en 2. En la teoría de Prandtl, los remolinos, mantienen su identidad durante el intercambio, pero se mezclan con el fluido en su nueva posición.   Difusividades de remolino de calor y masa. Las pruebas indican que para los números de Prandtl y Schmidt cercanos a la unidad, como para la mayoría de los gases, las difusividades de remolino de calor y masa son iguales a la difusividad de remolino.

8. Teoría de la película   Se presenta a continuación la descripción del significado de los coeficientes de transferencia de masa; tomada de un concepto similar utilizado para la transferencia de calor por convección. Cuando un fluido fluye turbulentamente a través de una superficie sólida, al tiempo que la transferencia de masa se efectúa de la superficie hacia el fluido. la relación concentración distancia es parecida a la que se muestra en la curva oscura de la figura

9. Transferencia de masa en interfases de fluidos   Debido a que la velocidad en una interface de un fluido, como en el contacto entre un gas y un líquido, no es cero, se han creado algunas teorías para reemplazar a la teoría de la película.   Teoría de la penetración Higbie   En muchos casos es pequeño el tiempo de exposición de un fluido a la transferencia de masa, y que, por ende, no llega a desarrollarse el gradiente de concentración de la teoría de la película, característico del estado estacionario. En realidad su teoría fue concebida para describir el contacto entre dos fluidos , como en la figura .

10. Teorías de renovación de la superficie Danckwertsn   Señaló que la teoría de Higbie, con su tiempo constante de exposición de los remolinos de fluido en la superficie, es un caso especial de lo que puede ser un panorama más realista, en donde los remolinos estén expuestos a diferentes intervalos de tiempo. Teoría combinada de renovación de la superficie de la película Dobbins   Se interesó en la rapidez con que absorben oxígeno los arroyos y ríos en movimiento; señaló que la teoría de la película supone que los elementos superficiales están lo suficientemente expuestos para que el perfil de concentración dentro de la película sea característico del estado estacionario; asimismo, indicó que las teorías de penetración y de renovación de la superficie suponen, por el contrario, que los elementos superficiales se encuentran a una profundidad infinita y que el soluto, que se está difundiendo, nunca alcanza la región inferior de concentración constante

11. Teoría de estiramiento superficial Lightfoot y colaboradores   En un modelo promisorio, han aplicado los conceptos de penetración-renovación de la superficie a situaciones en donde cambia periódicamente con el tiempo la superficie interfacial a través de la cual sucede la transferencia de masa.   Flujo a través de sólidos; capas limite   En el caso de las teorías antes analizadas, en donde la superficie interfacial se forma entre dos fluidos, la velocidad en esa superficie , generalmente no es cero. No obstante, cuando una de las fases es un sólido, la velocidad del fluido paralela a la superficie en la interfase debe, necesariamente, ser cero; en consecuencia, las dos circunstancias son inherentemente distintas .

12. ANALOGÍAS ENTRE LA TRANSFERENCIA DE MASA, DE CALOR Y DE CANTIDAD DE MOVIMIENTO Existen más datos para la caída de presión debida a la fricción y para la transferencia de calor que para la transferencia de masa. La similitud para los procesos de transferencia de cantidad de movimiento, masa y calor y las soluciones idénticas, permiten deducir las características de la transferencia de masa para otras situaciones mediante el conocimiento de los otros dos procesos de transferencia.

13. Para circunstancias análogas, los perfiles de temperatura y concentración en forma adimensional y los coeficientes de transferencia de calor y de masa en la forma de grupos adimensionales, respectivamente, están dados por las mismas funciones. a. Las condiciones del flujo y la geometría deben ser las mismas. b. La mayoría de los datos de transferencia de calor están basados en situaciones en que no interviene la transferencia de masa . c. Las condiciones a la frontera que deben utilizarse para resolver las ecuaciones diferenciales correspondientes deben ser análogas. Gracias particularmente a estas analogías, la considerable cantidad de información sobre transferencia de calor puede utilizarse para obtener la información correspondiente a la transferencia de masa, de la cual es más probable que se carezca.

14. Flujo turbulento en tubos circulares Inmensos esfuerzos se han empleado para establecer las analogías entre los tres fenómenos de transporte para el flujo turbulento en tubos circulares; dichos esfuerzos se inician en 1874 con el concepto original de Reynolds sobre la analogía entre la transferencia de cantidad de movimiento y de calor. Son muchas las relaciones bien conocidas propuestas y continuamente se están proponiendo otras nuevas de mayor complejidad. Como las limitaciones de espacio no permiten la exposición de aquellos esfuerzos, sólo se darán algunos de sus resultados .

15. DATOS EXPERIMENTALES DE TRANSFERENCIA DE MASA EN CASOS SENCILLOS   En particular, cuando los fluidos fluyen a través de objetos sumergidos, el coeficiente de transferencia de masa local varía con la posición sobre el objeto, debido especialmente a la separación de la capa límite de las superficies corriente abajo para formar una cauda. Este fenómeno ha sido estudiado en gran detalle para algunas formas, como por ejemplo, cilindros. El coeficiente de transferencia de masa promedio en estos casos, puede algunas veces correlacionarse mejor sumando las contribuciones de la capa límite laminar y la cauda. Respecto de objetos sumergidos, el nivel de turbulencia del fluido incidente tiene también un efecto importante. Así, por ejemplo, una esfera que descienda a través de un fluido en reposo tendrá como resultado un coeficiente de transferencia de masa diferente de aquél en donde el fluido fluye a través de una esfera estacionaria. En la mayoría de los casos, la distinción no se ha establecido completamente. La aspereza de las superficies, que por lo general aumenta el coeficiente, tampoco ha sido estudiada de modo completo.  

16. Variaciones del flux con la concentración En muchos casos, las concentraciones del soluto en el seno del fluido y aun en la interface del fluido, pueden variar en la dirección del flujo. Más aún, los coeficientes de transferencia de masa dependen de las propiedades del fluido y del gasto; si éstas varían en la dirección del flujo, los coeficientes también lo harán. TRANSFERENCIA SIMULTÁNEA 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 otra. En tales casos, dentro de una fase, el calor transferido es el resultado, de la conducción (convección) 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 en difusión.