importancia de la forma de flujo...poner de manifiesto las consideraciones de la forma de flujo que...
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Importancia de la Forma de Flujo en la Enseñanza de la
Ingeniería Química 8 Propuestas para discusión
Mario Díaz Departamento de Ingeniería Química y
Tecnología del Medio Ambiente. Universidad de Oviedo.
8 propuestas para discusión
Conviene repensar cosas
evidentemente, la forma de flujo es muy importante en la enseñanza de la
Ingeniería Química
PROPUESTA 1.
Las formas de flujo deben explicarse al
comenzar Ingeniería Química
Propuesta 1. Las formas de flujo deben explicarse al comenzar Ingeniería Química
Desde luego antes que explicar los Balances de Materia y Energía
Propuesta 1
General
Si no se consideran las energías potencial y cinética (sólo interna E=U)
Si PM
Con otras formas de flujo (FP, FP+PM,.)
Mario Díaz “Ingeniería de Bioprocesos” Ed. Paraninfo, Madrid 2012
Balance global de energía
Balance global de materia
General
Si PM (Perfectamente Mezclado)
Si además 0L̂
¿Donde está el principio del planteamiento anterior?
Tal vez en asociar forma de flujo sólo a reactores
¿Por qué?
Danckwerts, P.V. Levenspiel, O. ; Himmelblau…
Conclusión Propuesta 1 : Forma de flujo antes de los balances de materia y energía
Danckwerts, P.V. “Continuous flow systems…” Chem.Eng.Sci., 2,1-13, 1953
McCabe,…
Desde las primeras etapas de la enseñanza de IQ, se definen
• Sistemas Discontinuos (D) o Continuos (C)
• Equipos de Transferencia (ET), Cambiadores de calor (CC) y Reactores (R).
• Deben enseñarse también las formas de flujo ideales, Perfectamente Mezclado (PM) y Flujo Pistón (FP).
P.1.*. Corolario: Orden, Nomenclatura
Nomenclatura. Ejemplos:
Reactor contínuo flujo piston RCFP, Reactor discontínuo perfectamente mezclado RDPM Reactor contínuo perfectamente mezclado RCPM (en inglés CSTR) Equipo de transferencia contínuo flujo pistón (ETCFP); Destilación contínua flujo pistón (DCFP); Cambiador de calor contínuo perfectamente mezclado CCCPM (no cambiador de calor con forma de flujo CSTR),.. o simplemente FP, PM… en el contexto.
PROPUESTA 1. Las formas de flujo
deben explicarse al comenzar
Ingeniería Química
Propuesta 2.
Forma flujo
Solución balances formas
sencillas
Reactores
Propuesta
En el diseño de Reactores se suele trabajar:
1.Inicialmente con los sistemas RDPM,
RCFP, o RCFL (laminar) o RCPM (en inglés
CSTR)
2.Analizar después (DTR, tipo de fluido,
rapidez de mezcla) otras formas de flujo, por
ejemplo combinación de las anteriores, con
tal de no analizar Navier-Stokes para obtener
el flujo.
3.Calcular después la conversión
En el diseño de Reactores se podría trabajar:
1.Inicialmente analizar (DTR, tipo de fluido,
rapidez de mezcla) las diversas formas de flujo,
así combinación de RDPM, RCFP, RCFL o RCPM
(en inglés CSTR)
2.Después ver los balances de materia y energía
y simplificarlos para los casos sencillos y Calcular
después la conversión
Y tal vez más peso al flujo de fluidos en el
diseño de Reactores :
1.Plantear los balances de cantidad de
movimiento, materia y energía, y las formas
de resolución (CFD).
2.Resolución de algunas situaciones como
ejemplo: RDPM, RCFP, RCFL, RCPM..
Reactores
Conclusión Propuesta 2 : Forma de flujoResolver balances de materia y energía (sencillos o CFD).
Propuesta 3.
Para todas las operaciones, se
debe diferenciar la forma de flujo y el
carácter para “cada una” de las
fases
Transferencia de materia
Dimensionado ultra sencillo Sistemas contínuos en estado estacionario Equipos con PM Volumen dado
Equipos con FP Sección dado v Altura dado k
LV
sa l
en t
c
cc
dc
Sk
LH
*
v
LS
Ejemplos: Con PM, para reactores , puede no ser orden distinto de cero) Con FP en cambiadores de calor Con FP en t.materia
rc /
akk L
Tc pcLL ˆWTTc _* Uak
Las operaciones de transferencia de materia, se basan también en los mismos esquemas
ETDPM, ETCFP y ETCPM, n-ETCPM….
La definición del flujo útil para la uniformización del análisis de operaciones: absorción ,
destilación, extracción, reactores...
Transferencia de materia
Conclusión Propuesta 3 : Empezar el diseño de los distintos equipos de transferencia ET, por indicar la forma de flujo en cada una de las fases
Transmisión de calor
Propuesta 4.
Al diseñar cambiadores de calor indicar FP o la forma de flujo de que se trate,
en cada fase
Cambiadores de calor
En el diseño de cambiadores de calor habitualmente se asume flujo pistón, esto es buena aproximación en cambiadores de carcasa y tubos para el interior de tubos, pero no para la exterior.
).().().().(2/ˆ(.2/ˆ 22 vpvqgvvUvvUt
B. energía
Ahora, para cada fase, aplicar al balance de energía con su forma de flujo
Habitualmente se piensa en forma de flujo en reactores, recordar por ejemplo el modelo de dispersión axial,…pero Ec. Navier Stokes
v
Propuesta 4. Al diseñar cambiadores de calor indicar FP o la forma de flujo de que se trate
En el esquema tradicional:
dAglobalfunciónTTflujodeformasfUdQ )(( 2112
dATTUdQ )( 2112
....),( axialdispersiónUfU o
Comenzar por ver la forma de flujo en cada fase.
Primera Ref: J.M.Díaz, A.Aguayo "How Flow Dispersion Affects Exchanger Performance" Hydrocarbon Processing 66,4, 57-60 (1987)
Cambiadores de calor
TUAQ
Conclusión Propuesta 4 : Empezar el diseño de los cambiadores de calor, indicando la forma de flujo en cada una de las fases, o quizás de la única fase
Transmisión de calor
Cinética
5. Diferenciar mezcla y reacción
6. Cinética heterogénea. Resistencia externa
8. Teorías de interfase
7. Resistencia convectiva
Cinética
Propuesta 5
Al comenzar la cinética, hablar de
los tiempos de mezcla y sus
valores en los sistemas que se
estudian
reacciónmezcla ttCinética tradicional (r=f(concentraciones))
reacciónmezcla ttForma y rapidez de mezcla (N-S+ B.materia)
Al comenzar la descripción de la cinética observada, conviene comparar los tiempos de mezcla tm y de reacción tr, para saber si se está midiendo la cinética química o la mezcla
Propuesta 5. Al comenzar la cinética, hablar de los tiempos de
mezcla y sus valores en los sistemas que se estudian
Cinética
Para la mezcla, son muy importantes: la forma (método, geometría,…) y la intensidad de mezcla (potencia, homogeneidad,…)
G
Tiempo de mezcla, s
P/V
mmN /)(
20 400
, W/m3
20
40
0
723210
Conclusión Propuesta 5. Al comenzar la cinética, hablar de los tiempos de mezcla sus valores en los sistemas que se estudian (forma de flujo)
Cinética
Cinética
Propuesta 6
Al analizar la cinética heterogénea, considerar la transferencia
externa, en particular en fase líquida
Al analizar la cinética heterogénea, y las resistencias
Cinética
)(,, AsAb
p
LhetASAi ccV
Skrr
Como es la difusión entre sólido y fluido, siempre PM, pero depende de la velocidad de difusion, y podría cambiar con posición…
Propuesta 6. Al analizar la cinética heterogénea, considerar la transferencia externa, en particular en fase líquida
Conclusión Propuesta 6. Al analizar la cinética heterogénea, considerar la transferencia externa, en particular en fase líquida
Cinética
Cinética
Propuesta 7
Al analizar la resistencia
convectiva, ver el efecto de la mezcla y de P/V, en particular
en fase líquida
Cinética
Propuesta 7. Al analizar la resistencia convectiva, ver el efecto de la mezcla y de P/V, en particular en fase líquida.
Figura . Eficacia por limitaciones difusionales convectivas en función del módulo de reacción-convección NRC
Por ejemplo con el Número de Convección-Reacción Nrc
Análogo al Número de Conducción-Reacción
Módulo de Thiele
2/1
0,1 )(2()(
Asc
AAefAAs dcrDrx
Abef,A
AbRC
cD
LgrN
Conclusión Propuesta 7. Al analizar la resistencia convectiva, es muy importante la forma y magnitudes de flujo.
Cinética
Cinética
Propuesta 8
Al estudiar las Teorías de Interfase, poner de manifiesto las
consideraciones de la forma de flujo que se
suponen.
- T. película: Como un sólido
Cinética
xvyv xyx /Re332,0)/( 2/1
0
Propuesta 8. Al estudiar las Teorías de Interfase, poner de manifiesto las consideraciones de la forma de flujo que se suponen.
Algunas teorías de interfase (como es el fluido cerca de interfase)
- T. penetración: Difusión en flujo….laminar (o sistema no estacionario) /Higbie-Danckwerts
- T. capa límite: Flujo laminar en lacapa límite
Propuesta 1. Las formas de flujo deben explicarse al comenzar Ingeniería Química
Desde luego antes que explicar los Balances de materia y energía
Propuesta 8. Al estudiar las Teorías de Interfase, poner de manifiesto las consideraciones de la forma de flujo que se suponen
Propuesta 7. Al analizar la resistencia convectiva, ver el efecto de la mezcla y de P/V, en particular en fase líquida.
Propuesta 6. Al comenzar la cinética, tratar los tiempos de mezcla y sus valores en los sistemas que se estudian
Propuesta 5. Al analizar la cinética heterogénea, considerar la transferencia externa, en particular en fase líquida
Propuesta 4. Empezar el diseño de los cambiadores de calor, indicando la forma de flujo en cada una de las fases, o quizás de la única fase.
Propuesta 2. Forma flujo Solución balances: formas sencillas o computacional
Propuesta 3. Para todas las operaciones de transferencia de materia, se debe diferenciar la forma de flujo y el carácter para “cada una” de las fases
8 Tesis
Además…
Estas cuestiones pueden ser incluso más críticas en
titulaciones (no Ingeniería Química) con menor concreción, cuando sólo se recogen enfoques más generales.
- Donde hay fluidos, empezar siempre, por
analizar la forma y magnitudes de flujo, en
cada fase
Conclusiones
- Replantear el enfoque de IQ o la Ingeniería de
Procesos con más frecuencia, en particular al cambiar el objeto
Importancia de la Forma de Flujo en la Enseñanza de Ingeniería Química
Mario Díaz Departamento de Ingeniería Química y
Tecnología del Medio Ambiente. Universidad de Oviedo.
Horacio, Odas 2,16,27-38. “Ninguna cosa hay del todo cumplida”