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Tecnología de sistemas discontínuos sólido-fluído: Transferencia de materia en sistemas que involucran difusión y reacción química
Marcos Trabucchi Jorge J. Ronco
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Resumen/Descripción – provisto por el repositorio digital
El trabajo realizado es un aporte al estudio de la transferencia de materia entre fases, en particular, en un sistema discontinuo solido-fluido. En el presente trabajo se estudia 1a transferencia de materia sin y con reacción química, en un sistema de cilindros coaxiales rotatorios. Para el primer caso se busca una expresión que vincule los números adimensionales característicos del sistema, o sea Sh, Re, Sc y los factores de forma que se refieren al uso de cortacorrientes en distinto númeroy tamaño, y a la variación de la relación de diámetros de los cilindros. Entre las teorias sobre transferencia de materia sin reacción quimica, las de la película laminar de Whitman-Lewis,de la renovación de la superficie de Danckwerts,y la reciente de la pelicula turbulenta,son las que han tenido más aplicación en Tecnología. Desde hace tiempo ha sido reconocido que el modelo de Whitman-Lewis es una descripción sobresimplificada del mecanismo de la transferencia de materia entre fases, siendo, en particular, deficiente en la relación de los coeficientes de transferencia de materia con la difusividad molecular, prediciendo incorrectamente una dependencia de primer orden. Si es aplicable la teoria de la renovación de la superficie para explicar la transferencia de materia, el exponente del número de Schmidt en una correlación general de los números adimensionales antes mencionados, debe ser 0,5. En cambio, si es aplicable la teoria de la película turbulenta, el exponente deberá ser 1/3. En transferencia de materia con reacción quimica se estudia una reacción de segundo orden, rápida e irreversible. El control es difusional. Se busca la forma de 1a función φ(Sh',Re,ScA,ScB,cBL/cAi) = 0 siendo Sh' el número de Sherwood para transferencia de materia con reacción química y cBL/cAi la razón de las concentraciones de B en el seno del fluido y de A en la interfase. La expresión más conveniente es en términos del factor de reacción FR como función explícita de las demás variables. Las distintas teorias que explican la transferencia de materia con reacción quimica conducen a expresiones del factor de reacción como función de ScA/ScB(que es lo mismo que DB/DA)y cBL/cAi. Esto significa que el Re no es un parámetro que afecte FR. Las más importantes son las de Hatta, que es una aplicación de la teoria de la película laminar al caso en que hay reacción química, la de Meyerink y Friedlander, basada en la clásica teoria de Nernst-Brunner de la reacción controlada por la difusión, y la de Sherwoody Ryan, basada en un modelode película turbulenta. Todas llevan a una expresión del tipo: Fr=(1+ (ScA/Scb)*(CBL/CAi))*(ScB/ScA)^m siendo, el valor de m, de acuerdo a 1a distintas teorías: cero, según 1a primera; el exponente del So para transferencia sin reacción química, según la segunda, y 1/3 según 1a tercera. En el caso, como el presente, que la reacción química comprenda especies iónicas, hay difusión de iones que es importante tener en cuenta, pues cada especie iónica en presencia de otras, puede difundir a velocidades que son bastante diferentes de las que difundiria si fuera la única especie del medio. Por lo tanto los coeficientes de difusión, y en consecuencia los números de Schmidt, deben ser corregidos para tener en cuenta esos efectos iónicos. El efecto de los cortacorrientes no ha sido estudiado nunca en un sistema como el usado en el presente trabajo. Existen antecedentes bibliográficos sobre el uso de cortacorrientes en sistemas de otro tipo, especialmente en sistemas de partículas que se disuelven sin reacción química en líquidos agitados, en cuyo caso el efecto de los cortacorrientes depende de la velocidad de agitación y del tipo de agitador usados. El efecto de la variación de la relación de diámetros de los cilindros ha dido estudiado sin el uso de cortacorrientes, resultando que no influye sobre la velocidad de transferencia de materia. En el presente trabajo se estudió la disolución de ácido benzoico en agua, agua-glicerina, HONa-agua, HONa-agua-glicerina. La glicerina se usó para aumentar la viscosidad del líquido, y por lo tanto, el númerode Schmidt. El equipo utilizado consta esencialmente de un cilindro interior rotatorio (rotor) y de un cilindro exterior (recipiente) que contiene el liquido; El rotor está formado por un eje sobre el cual se calza una probeta anular de ácido benzoico entre anillos similares de acero inoxidable, que tienen como objeto prolongar el cilindro rotor,de tal modo que las bases se hallen alejadas de la superficie soluble, y por lo tanto no introduzcan efectos extraños que afecten el flujo hidrodinámico de la zona donde se produce la transferencia de materia. Con este artificio es posible aproximarse al limite teórico de cilindros infinitamente largos. Se usan dos tamaños de rotor, uno el doble del otro en diámetro y altura, para verificar el cambio de escala. Para los cálculos se usaron valores de las constantes fisicoquímicas determinados experimentalmente,cuando no se hallaron en la bibliografía. Se trabajó a Re comprendidos entre 4 x lO^3 y 10^6, y a ScA comprendido entre 800 y 10900. (Componente A = ácido benzoico; B = HONa). Se realizaron experiencias sin cortacorrientes y con ellos; En este caso se usaron entre 2 y 24 cortacorrientes de un tamaño tal que la relación entre el ancho de los mismosy el espesor de la capa de líquido comprendida entre el rotor y la pared del recipiente, se varió entre 0,13 y 0,95. Se observó que la inserción de cortacorrientes no va acompañada por variación alguna de la velocidad de transferencia de materia tanto con como sin reacción química. Este hecho, que es muy dificilmente explicable por la teoría de la película laminar, puede ser, en cambio, interpretado en términos de la teoria de la renovación de la superficie, diciendo que la velocidad de renovación superficial no es afectada por la presencia de cortacorrientes. Se puede demostrar, que en régimen turbulento, el coeficiente de transferencia de materia es igual a la velocidad media de las fluctuacion nes y en consecuencia cualquier factor que promuevalas fluctuaciones en un determinado punto, incrementará el coeficiente de transferencia de materia en ese punto. El hecho observado de que los cortacorrientes no afectan la velocidad de transferencia de materia,se puede interpretar entonces, comodebido a que los cortacorrientes producirian fluctuaciones de la velocidad del fluido en el seno de éste, pero que no llegarían hasta la interfase misma,no afectándose por lo tanto el coeficiente de transferencia. Tampocola relación de diámetros de los cilindros interior y exterior es un factor que tiene influencia sobre la velocidad de disolución con y sin reacción quimica, hecho que se puede explicar de la mismamanera que la ausencia de efecto de los cortacorrientes. La expresión de los resultados de la transferencia de materia sin reacción química en forma de una correlación general del tipo Sh = mo Re^m1 Sc^m2 es solamente una aproximación, ya que el exponente del Re no es realidad una constante, sino una función del mismo Re; es decir, la representación de Sh/Sc^m2 en función de Re no es una recta en un gráfico doble logarítmico. Una mejor aproximación es suponer una parábola una vez una recta. Por el método de cuadrados minimos de determinó esa función, suponiendo: a) una relación lineal y b) una relación cuadrática, obteniéndose: Ecuación Desv.cuad.media Desv.máx. a)Sh= 0,00540 Re^0,868 So^0,50 11,8% 53% b)Sh= 89,1 Re^-0,856 10^0,174(log Re)^2 Sc^0,50 5,8% 17% El exponente 0,50 del número de Schmidt indica la posible aplicabilidad de la teoría de 1a renovación superficial a la transferencia de materia sin reacción química. Los resultados experimentales de la transferencia de materia con reacción quimica, expresados en términos de FR en función de cBI/cAi y SOA/SCB, comparados con las distintas teorías, indican la mejor aplicabilidad de la teoría de la película turbulenta teniendo en cuenta los efectos de la presencia de iones. Es decir, 1a ecuación aplicable sería: FR= (ScB/ScA)^1/3 + (ScA/ScB)^2/3 cBL/cAi donde los números de Schmidt están calculados en base a coeficientes de difusión corregidos para considerar los efectos iónicos y viscosos. El cambio de escala ha sido satisfactorio en todos los casos.Palabras clave – provistas por el repositorio digital
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Disponibilidad
| Institución detectada | Año de publicación | Navegá | Descargá | Solicitá |
|---|---|---|---|---|
| No requiere | 1963 | Biblioteca Digital (FCEN-UBA) (SNRD) |
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Información
Tipo de recurso:
tesis
Idiomas de la publicación
- español castellano
País de edición
Argentina
Fecha de publicación
1963
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