Fundamentos de Fenómenos de transporte

Fenomenos es el resultado de un estudio sistematico encargado de las transferencias de momentos, energia y materia.

 

Esta disciplina se refiere a las leyes naturales. Por esto algunos la miran como ciencia más que Ingeniería. Más bien pertenecería a las ciencias ingenieriles. ¿POR QUÉ ENSEÑAR FENÓMENOS DE TRANSPORTE?Desde el punto de vista del ingeniero orientado hacia el diseño económico y operación de plantas y equipos, la pregunta es ¿cuál es el valor práctico de los fenómenos de transporte? Se puede responder en dos formas.

 

Primero, es claro que la transferencia de calor, masa e impulso ocurren en muchos tipos de equipos de Ingeniería (intercambiadores de calor, compresores, reactores químicos y nucleares, humidificadores, enfriadores de aire, secadores, fraccionadores y absorbedores). Es importante que el Ingeniero comprenda las leyes físicas que gobiernan estos procesos de transporte si desea entender qué ocurre en el equipo y tomar las decisiones adecuadas para su mejor y más económica operación. Desde otro punto de vista, cuando el Ingeniero diseña equipos de procesos debe predecir las cantidades de calor, masa o impulso a transferir. Esta velocidad de transferencia depende de un parámetro denominado coeficiente de transferencia, que a la vez depende de las dimensiones del equipo, caudal de flujo, propiedades del fluido, etc.

 

Tradicionalmente estos coeficientes se obtienen luego de mediciones lentas y costosas a nivel de laboratorio o planta piloto y correlacionados a través de ecuaciones empíricas adimensionales.Estas ecuaciones empíricas proveen resultados sobre un determinado rango; no están basadas en teorías y no pueden usarse confiablemente fuera del rango en el cual se realizó la experimentación. El método usado en los fenómenos de transferencia es una forma menos costosa y generalmente más confiable de obtener estos coeficientes que consiste en predecirlos a partir de ecuaciones basadas en las leyes de la naturaleza, confirmando esta predicción a través de investigación ayudada de computador. Desde el punto de vista del diseñador es indiferente como hayan sido obtenidos los coeficientes. Por esta razón el curso de fenómenos de transporte podría hacer énfasis solo en la determinación de los coeficientes de transferencia y dejar el procedimiento de diseño a los cursos de operaciones unitarias. Como es un caso práctico el obtener los parámetros (coeficientes de transferencia) que se usarán en el diseño, el curso de "Fenómenos de Transferencia" puede considerarse tanto un curso en Ingeniería como en ciencia. Adicionalmente existen casos en los cuales el diseñador deberá usar métodos y ecuaciones de Fenómenos de Transporte directamente en el diseño de un equipo. Un ejemplo puede ser un reactor tubular en el cual ocurre una reacción química homogénea. El fluido entra con cierta concentración de reactivos y deja el tubo con una concentración menor de éstos pero mayor concentración de productos. Si la reacción es exotérmica, el calor generado deberá removerse por la pared del tubo y tendremos gradientes radiales de temperatura. Como además la velocidad de reacción aumenta con la temperatura, que será mayor en el eje de simetría, los productos de la reacción tenderán a acumularse en esta línea central mientras los reactivos lo harán hacia la pared del reactor. 0 sea que tanto temperatura como concentración variarán axial y radialmente. Para diseñar un reactor de estos necesitamos conocer, para cualquier longitud la concentración promedia en productos. Como esta se obtiene de valores puntuales promediados sobre la sección transversal, debemos conocer la concentración en cualquier punto del reactor (axial y radial). Pero para calcular la concentración en cada punto necesitamos conocer la velocidad de reacción en cada punto y para calcular la velocidad de reacción en cada punto es necesario conocer tanto la temperatura como la concentración en cada punto. Además, para calcular la temperatura debemos conocer el caudal y la velocidad del fluido en cada punto. Tenemos así un sistema complicado de ecuaciones diferenciales parciales que se resolverán por métodos sofisticados de cálculo y equipos de alta velocidad (computador). Es claro que esté problema no se puede manejar empíricamente, y que son esenciales los procedimientos matemáticos y la teoría de fenómenos de transferencia, a no ser que se gaste tiempo y dinero construyendo plantas piloto de tamaños crecientes, determinando las conversiones en cada una. Aun así, el escalado final es precario e incierto. Obviamente, no todos los problemas actuales pueden resolverse por los métodos de los fenómenos de transporte. Sin embargo, con el desarrollo del computador, más y más podrán resolverse. Si se les desea dar a los estudiantes de Ingeniería Química, una educación que no sea obsolescente, debemos prepararlos con la comprensión de los métodos de los fenómenos de transporte, para que hagan uso de los métodos de cálculo que aparecen día a día. Tanto por su uso potencial como por su utilidad actual, un curso en Fenómenos de Transporte deberá en últimas ser el más útil y práctico en una carrera de pregrado. Si las características físicas de un problema conducen a relaciones matemáticas (ecuaciones diferenciales, leyes de flujo y condiciones límite) similares para transferencia de calor y transferencia de masa, se dice que hay una analogía entre los problemas de calor y masa. Intercambiando cantidades análogas (tales como difusividades) podemos usar la solución conocida de un problema en transferencia de calor para obtener la solución de un problema en transferencia de masa o al contrario. Lo mismo puede hacerse si hablamos de transporte de impulso y calor o transporte de impulso y masa. El uso de analogías hace el proceso de aprendizaje más sencillo y debido a estas similitudes podemos estudiar tres temas (transferencia de calor y de masa y dinámica de fluidos) como si fuesen uno. En la práctica posibilita tomar medidas experimentales en un sistema (digamos calor) para obtener información sobre otro (masa o impulso). Ramiro Betancourt Grajales.Manizalea, 1987.