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Tema 3. Transferencia de materia por convección. 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. Fluidos en régimen laminar. - PowerPoint PPT Presentation
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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
2.1 Coeficientes individuales
2.2 Coeficientes globales
Tema 3. Transferencia de materia por convección
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
Difusión Fluidos en régimen laminar
Ley de FickCoef. 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
Tema 3. Transferencia de materia por convección
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
xA
A+B
A A
xA
xAo
xA
z=0 z= z
Transferencia de materia en régimen turbulento. Subcapa laminar.
Tema 3. Transferencia de materia por convección
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA
Coeficiente detransferencia de
materia
AA,z A1 A2 y A1 A2
B,ml
D ·cN = · y - y = k · y - y
h ·y
Densidad de flujo
Densidad de flujo
Fuerza impulsora
Fuerza impulsora
Tema 3. Transferencia de materia por convección
A,zN = k · F I
A,zF I F I
N = k · F I =1 Resistenciak
Fuerza impulsora
Resistencia
=
Densidad de flujo =
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA
xAi
xA
A
líquidosólido
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
NA,z = kx·(xAi – xA) (mol/(m2·s))
AA A A,i A 3
F molN = N ·a ·a= k ·a · c - c ( )
S s·m
Coeficientes volumétricos
Tabla 2Expresiones 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)
Tema 3. Transferencia de materia por convección
Superficie específica: a (m2/m3)
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA
2.1 Coeficientes individuales
3g
2
k ·10
kmol
s m atm
41k ·10
m/s2
3
a
mm
Tabla 1Coeficientes de transferencia de materia y superficie específica
en algunos equipos industriales
Equipo (kl·a)·102
s-1
Columna de rellenoContracorrienteParalelo
0,03 - 20,1 - 3
0,4 - 20,4 - 6
10 - 35010 - 1700
0,04 - 70,04 - 102
Columna de platosCampanasPlatos perforados
0,5 - 20,5 - 6
1 - 51 - 20
100 - 400100 - 200
1 - 201 - 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 tubularHorizontalVertical
0,5 - 40,5 - 8
1 - 102 - 5
50 - 700100 - 2000
0,5 - 702 - 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
Venturi 2 - 10 5 - 10 160 - 2500 8 - 25
Tema 3. Transferencia de materia por convección
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA
2.2 Coeficientes globales (Transferencia de materia entre fases)
Región 1turbulento
Región 1transición
Región 1laminar
Región 2transición
Región 2laminar
Región 2turbulento
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
Tema 3. Transferencia de materia por convección
A 1 1 1,i 2 2,i 2N = k · c - c = k · c - c en concentraciones molares
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:
1,
2,
: ir
i
cCoeficiente de reparto k
c
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2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA
2.2 Coeficientes globales
A
Fase Y Fase X
z
xA
yA
yA
yAi
xAi
xA
Interfase
Perfil de concentración en un sistema bifásico
Tema 3. Transferencia de materia por convección
A y A A,i x A,i AN = k · y - y = k · x - x en fracciones molares
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:
,
,
: A ir
A i
yCoeficiente de reparto k
x
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:
yA,e = f(xA)
Si la interfase no ofrece resistencia:
yA,i = f(xA,i)
yAi
yA
-kx/ky
mx
my
m
yAe=f(xA)
xA xAi xAe xA
yA
yAe
A y A A,i x A,i A
y A A,e x A,e A
N = k · y - y k · x - x
= K · y - y = K · x - x
A A,i x
A A,i y
y - y k=
x - x krecta de reparto o unión
Tema 3. Transferencia de materia por convección
A y A A,i x A,i AN = k · y - y = k · x - x
A y A A,e x A,e AN = K · y - y = K · x - x
y xCoeficientes globales : K ; KyA = f(xA,e)
yA,e = f(xA)
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA
2.2 Coeficientes globales (cont.)
y
y y x
x x y x
m1 1= +
K k k
1 1 1= +
K m ·k k
y
y y x
x x y x
m1 1= +
K k k
1 1 1= +
K m ·k k
y x
y x y
y
x x
1 1, Resistencia global a la transferencia de materia
K K
1 1, Resistencia de la película gasesosa
k m ·k
m 1, Resistencia de la película líquida
k k
Tema 3. Transferencia de materia por convección
y x
m1=
K Ky x
m1=
K K
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
y y x x
1 1 H H= +
K k k K
y y x x
1 1 H H= +
K k k K
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA
2.2 Coeficientes globales (cont.)
A
Fase Y Fase X
z
xA
yA
yA=yAi
xAi
xA
a) Resistencia controlante fase X
A
Fase Y Fase X
z
xA
yA
yA
xAi
xA
c) Control simultáneo
yAi
A
Fase Y Fase X
z
xA
yAyAi
xAi=xA
b) Resistencia controlante fase Y
yA
yA
xA
b) my0
a) myb) kx xA1
a) ky yA1
c) –kx/ky
Tema 3. Transferencia de materia por convección
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
2. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA
2.2 Coeficientes globales (cont.)
PA
cA
PA
cA kg ~ KGH<<
klFase líquidaFase gas
a) Control de la fase gas. Soluto muy soluble en el líquido
PA
cA
kg
Fase líquidaFase gas
PA
cA
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
Tema 3. Transferencia de materia por convección
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