introdução e fenomenologia da transferência de massa

UNIVERSIDADE DE FRANCAENGENHARIA QUÍMICA

FENÔMENOS DE TRANSPORTE IVTRANSFERÊNCIA DE MASSA

Introdução e fenomenologia da transferência de massa.

2015.2

Professor: Hélio Darimheliodarim@outlook.com

Discutir e analisar os processos que envolvem a transferênciade massa e a formulação matemática dos problemas físicos,com o objetivo de calcular variações de concentração etaxas de transferência de massa em diferentes situações.

OBJETIVO GERAL

Qual é a importância deste aprendizado?

Estes conceitos são usados, como fundamentos nodimensionamento de muitos equipamentos na área deengenharia, que envolvem operações de transferênciade massa (destilação, extração e absorção).

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Básica:CREMASCO, M.A. Fundamentos de Transferência de Massa. Ed. UNICAMP , 2002, 2ed., 728 p.ÇENGEL, Yunus A.. Transferência de calor e massa: uma abordagem prática. 3 ed. SãoPaulo: McGraw-Hill, 2009. 902 p. ISBN 9788577260751.WELTY, J. R.; WICKS, C. E.; WILSON, R. E.; RORRER, G. – Fundamentals of Momentum,Heat, and Mass Transfer. Wiley, 4th ed., New York, 2000.

Complementar:BIRD, R. B., STEWART, W. E.; LIGHTFOOT, E. N. – Fenômenos de Transporte. LTC Editora,2ª edição, 2004.INCROPERA, F. P.,– Fundamentos de transferência de calor e massa. LTC Editora, 6ªedição, 2008.

Definição do fenômeno

Para que ocorra fluxo (B) é necessário queexiste um gradiente de potencial (P)

Fluxo

contrárioSentido de fluxo GRADIENTE

)( P

Definição do fenômeno

No equilíbrio, a taxa de transferência é nula.(Quantidade de matéria que atravessa plano são iguais)

Quando um sistema dois ou mais componentes na qual asconcentrações variam de ponto a ponto, há uma tendêncianatural da massa ser transferida, minimizando as diferençasde concentração entre os sistemas.

Definição do fenômeno

Água

Vapor de águaAr

Gelo Seco

CO2

Ar

Café

Açúcar

Ferro

Carbono

1. Destilação Simples e Fracionada2. Absorção de gases3. Umidificação e de desumidificação de ar4. Secagem5. Extração líquido-líquido6. Extração sólido-líquido7. Cristalização8. Separação por membrana9. Difusão

Aplicação Processos industriais

Relembrando alguns conceitos.

- Sistema termodinâmico (ou simplesmente sistema): quantidade de matéria ou região escolhida do espaço.

sistema

vizinhança

contorno

Relembrando alguns conceitos.

Sistemas: aberto,fechado e isolado

Aberto permite a troca de energia (trabalho, calor)e matéria com o meio externo.

Fechado (ou massa de controle) formado poruma quantidade fixa de matéria. Não pode ocorrertransferência de massa entre o sistema e avizinhança. No entanto, pode haver troca de energia.

Isolado Além de fechado, não há troca de energiacom a vizinhança.

Relembrando alguns conceitos.

Propriedades ou grandezas qualquer característicada substância:Ex.: pressão P, temperatura T, volume V, massa m.

)(Kg/m Vm 3 )Kg/(m 1

mV 3

densidade volume específico

Nem todas as propriedades são independentes.

Extensiva São aquelas cujos valores dependem dotamanho, ou extensão, do sistema. Exemplos: massam, volume V, energia total E.

Relembrando alguns conceitos.

Intensiva São aquelas cujos valores independemdo tamanho, ou extensão, do sistema. Exemplos:pressão P, temperatura T.

Específicas propriedades extensivas por unidadede massa. Exemplos: massa específica ou densidadeabsoluta, volume específico, energia internaespecífica.

As propriedades podem ser classificadas com:

Conceitos fundamentais.

“Transferência de massa é um fenômeno ocasionado pela diferença de concentração, maior para menor, de um

determinado soluto em um certo meio”.

Assim, o movimento da matéria devido a diferença deconcentração do soluto com o meio, é diretamenteproporcional a força motriz e inversamente a resistência domeio ou seja:

(movimento da matéria) α (força motriz)(Resistência)

Conceitos fundamentais.

Na transferência de massa há diversas contribuições,mas as mais importantes são:

1. Contribuição difusiva: transporte de matéria devidoàs interações moleculares,

2. Contribuição convectiva: auxílio ao transporte dematéria como conseqüência do movimento do meio.

Conceitos fundamentais.

Exemplo: Mar calmo, um surfista e sua prancha.

Soluto = surfistaMeio = Mar Contribuição DifusivaMovimento = mão

Conceitos fundamentais.

Exemplo: Aparece um onda e leva o surfista.

Soluto = surfistaMeio = Mar Contribuição ConvectivaMovimento = Onda

Conceitos fundamentais.

Exemplo: Ou também

Soluto = surfistaMeio = MarMovimento = Onda + mão

Neste caso tem-se Contribuição Difusiva e Convectivasimultaneamente.

Conceitos fundamentais.

Na contribuição difusiva o surfista (soluto)interage com o mar (meio).

Na contribuição convectiva o surfista (soluto)se deixa carregar pelo mar (meio), existindo umaação do mar em levar a prancha de um lugar paraoutro.

Conceitos fundamentais.

Conceitos fundamentais: Analogia entre T.M e T.C

T.M T.CForça Motriz

Concentração Temperatura

Transf. Condução푤푎 = −퐷푎푏.퐴.

푑퐶푎푑푥

qcond= −퐾.퐴.

Transf. Convecçãoqconv= ℎ푐표푛푣.퐴.(Ts-Tinf)wconv= ℎ푚푎푠푠푎.퐴.(Cs-

Cinf)

Conceitos fundamentais: T.M MolecularBreve históricoParrot, analisando uma mistura com 2 ou mais espécies

moleculares verificou:

1 - Concentrações relativas variam de ponto a ponto em um processoaparentemente natural;

2 - Ao final, a mistura tende a diminuir qualquer inigualdade da composição.

Conceitos fundamentais: T.M Molecular

Causa o fenômeno:- Para temperaturas acima do zero absoluto, moléculas individuais estão no estado domovimento contínuo ainda aleatório.

- Dentro de misturas gasosas diluídas, cada molécula comporta-se independentementedas outras moléculas de soluto.

- Colisões entre moléculas de soluto e solvente estão continuamente ocorrendo.

- Como resultado das colisões, as moléculas de soluto movem-se ao longo de um caminho em zig-zag, ora através de uma região de alta concentração, ora através de baixas concentrações.

Conceitos fundamentais: T.M Molecular

Conceitos fundamentais: T.M Molecular

O espaçamento molecular é um dos principais fatores queinfluenciam o processo de difusão. Quando maior o espaçamento,em geral, maior a taxa de difusão.

Por esse motivo, as taxas de difusão costumam ser mais elevadasnos gases costumam ser muito mais elevadas do que em líquidos esólidos .

E como veremos, os coeficientes de difusão de misturas gasosaspossuem ordem de magnitudes superiores que em soluções delíquidos e sólidos.

As leis de Transferência de Massa mostram uma relação entre:1. Fluxo de uma substância difusiva2. Gradiente de concentração

Conceitos fundamentais: T.M Molecular

Próxima semana- Grandezas fundamentais utilizadas na TM e as correlações

entre elas.

- Estudo das velocidades e fluxos usadas na TM

- 1° Lei de Fick

- Welt seção 24.1- Çengel seção 14.1/2/3