Introdução à Convecção Mássica e Conceitos em Transferência de Massa

UC Transferência de Massa e suas aplicações 1 Aula 1309 2023 CursodeEngenhariaQuímica20232 ProfessoresPriscilaKarachinski eJanaina Karine Andreazza INTRODUÇÃO À CONVECÇÃO MÁSSICA 2 CursodeEngenhariaQuímica20231 ProfessoresPriscilaKarachinskiOLeCelsoValérioAntunesP Conceitos em Transferência de Massa 3 Imaginese caminhando em diferentes ambientes Em Transferência de Massa não estaremos preocupados com a quantidade de matéria a ser transferida mas em como é transferida Equilíbrio de Sistemas Quando ha um desequilíbrio de uma substância no meio a natureza tende a redistribuila ate que o equilíbrio ou igualdade seja estabelecido Essa tendência e muitas vezes referida como força motriz que e o mecanismo subjacente a muitos fenômenos de transporte que ocorrem naturalmente 4 Calor Fluido Diferença de temperatura Diferença de potencial Diferença de potencial gravitacional ou pressão Quanto maiores as diferenças entre as grandezas maior será a intensidade da força motriz Transferência de massa Corrente elétrica Diferença de concentração Transferência de massa No cotidiano podemos observar diversas situações que envolvem transferência de massa como solubilização de oxigênio de água em um aquário preparação de chá evaporação de água de uma piscina entre outros 5 Transferência de Massa 6 É a massa em trânsito como resultado da diferença de concentração de uma espécie em uma mistura ou seja é o movimento relativo de uma espécie em uma mistura devido à presença de um gradiente de concentração Transferência de Massa x Movimento de massa de fluido Movimento ou escoamento de fluido que ocorre em nível macroscópico quando o fluido e transportado de um local para outro Forca motriz diferença de pressão ou altura Transferência de massa exige a presença de duas regiões com diferentes composições químicas e referese ao movimento da espécie química a partir da região de concentração mais elevada em direção a região de menor concentração Força motriz diferença de concentração 7 Transferência de massa De acordo com a segunda lei da termodinâmica haverá fluxo de matéria ou de massa ou de mols de uma região de maior a outra de menor concentração de uma espécie química A espécie transferida denominase soluto As regiões que abrigam as espécies são chamados solventes O conjunto solutosolvente é conhecido como solução líquidos ou mistura gases 8 Analogia entre Transferência de Massa e Transferência de Calor O calor e transferido por condução convecção e radiação A massa porém e transferida apenas por condução chamada difusão e convecção não havendo uma radiação de massa 9 Transferência de Calor Difusão X Convecção 10 Soluto surfista Meio mar Movimento mãos Soluto surfista Meio mar Movimento onda Soluto surfista Meio mar Movimento mar mãos Contribuição difusiva Contribuição convectiva Contribuição convectiva e difusiva Transferência de massa Difusão X Convecção 1 Contribuição difusiva transporte de matéria devido às interações moleculares 2 Contribuição convectiva auxílio ao transporte de matéria como consequência do movimento do meio 11 Preparo de chá por infusão extração sólidolíquido seguido de difusão O processo de transferência de massa é favorecido pela agitação da colher convecção Aplicações do estudo de Transferência de Massa Extração líquidolíquido Extração sólidolíquido Destilação Adsorção Desenvolvimento e aplicações de catalisadores Estudo de sistemas de filtração Produção armazenamento e distribuição de gases 12 Transferência de Massa e Equilíbrio de fases Em operações unitárias a maioria das operações de transferência de massa envolvem fases são apenas parcialmente imiscíveis de modo que no equilíbrio ainda existem duas fases Usualmente estas duas fases têm composições diferentes e estas composições diferentes que no estado inicial O equilíbrio entre as fases é atingido quando um limite de transferência de massa é atingido 13 Transferência de massa e força motriz A diferença de concentração do soluto entre as fases traduzse como força motriz necessária ao movimento da espécie de uma região a outra O teor da resposta de reação desse movimento em virtude da ação da força motriz está associado à resistência oferecida pelo meio ao transporte como 𝑀𝑜𝑣𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑎 𝑚𝑎𝑡é𝑟𝑖𝑎 1 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑜 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒 𝐹𝑜𝑟ç𝑎 𝑚𝑜𝑡𝑟𝑖𝑧 A resistência ao transporte está relacionada com Interação solutomeio Interação solutomeio ação externa 14 Difusao de massa é a transferência de massa devida a um gradiente de concentração Introdução e Conceitos Básicos 15 Convecçao de massa ou Transferência convectiva de massa É a transferência de massa entre uma superfície e um fluido em movimento e é devida tanto a difusao de massa quanto ao movimento da massa de fluido 16 Introdução e Conceitos Basicos grandes razões pelas de massa convectiva quais a pode ser Existem três transferência interessante Transferência de massa é utilizada em operações umitaras como secagem evaporação ou dissolução Transferência de calor os processos de transferência de calor e massa sao análogos e uma modelagem de transferência de massa pode ser mais conveniente de usar e Visualização do fluxo a transferência de calor e massa dependem fortemente da natureza da camada limite que pode ser difícil de investigar diretamente IntroduçãoeConceitosBasicos 17 Conceitos Básicos O que são fluidos 18 Uma substância no estado líquido ou gasoso é denominada fluido Organização estrutural sólido líquido e gás Fluidos Diferençasentresólidoefluido Baseadas na capacidade da substância de resistira uma tensão de cisalhamento que tende a mudar sua forma Solidoeventualmenteparadedeformarse num certo ângulo de deformaçãofixo Fluido nunca para de deformarse e a taxa de deformação tende para umcerto valor constante Conceitos Básicos 19 Solidos Quando a força é removida a borracha voltaàsuaposiçãooriginaldesdequeaforça nãoultrapasseoregimeelástico Fluído a camada de fluido em contato com a placa superior movese continuamente com a velocidade da placa não importando quão pequenasejaaforçaF A velocidade do fluido decresce com a profundidade devidoaoatritoentreas camadasde fluido chegando a zero na camada em contato comaplacainferior ConceitosBasicos 20 Conceitos Básicos Sólidos Resistem a uma tensão de cisalhamento e mudam de forma A tensão de cisalhamento é proporcional a deformação Referimonos aos sólidos como elásticos 21 Fluidos Deformase continuamente sob a influencia da tensão de cisalhamento Nunca para de deformarse e a taxa de deformação tende para um certo valor constante Referimonos aos fluidos como viscosos O tamanho da deformação do sólido depende do módulo de rigidez G do sólido A razão de deformação do fluido depende da viscosidade µ do fluido Numfluído emrepouso Atensão normal pressão Oestado detensão decisalhamento nulo Por exemplo o asfalto comportase como um solido resistindo à tensão de cisalhamento durante curtos períodos de tempos mas comportase como um fluido quando tais forças sãoexercidasdurante longosperíodos de tempo O mesmo ocorre com alguns plásticos chumbo e misturas de argila Conceitos Básicos 22 CONDICÃO DENÃO ESCORREGAMENTO Superfícies alteram o escoamento de um fluido Considereo escoamentodeumfluidonumduto emrepousoousobreuma superfíciesólidanão porosaimpermeável O fluído em movimento estagna na superfície e v 0 Ou seja um fluido em contato direto com um sólido gruda na superfície e não há escorregamento A propriedaderesponsávelpela condiçãode não escorregamentoepelo desenvolvimentodacamada limiteé aviscosidade Conceitos Básicos 23 CONDICÃODENÃO ESCORREGAMENTO Consequencias da condição de não escorregamento Todos os perfis de velocidade devem ter valor nulo em relação à superfície nos pontos de contatoentre o fluidoe a superfície sólida A condição de não escorregamento é responsável pelodesenvolvimentodo perfildevelocidade A região de escoamento adjacente à parede na qual os efeitos viscosos são significativos é chamada de camada limite O arrasto de superfície ou o arrasto de fricção é a força que o fluido exerce sobre a superfície na direção do escoamento Conceitos Básicos 24 CONDICÃODENÃOESCORREGAMENTO Separação de escoamento Quandoum Fluido em Superfície curva em umavelocidade suficientemente alta a camadalimite nãopermanece maiscoladaà superfície e separase dela Conceitos Básicos 25 Conceitos Básicos CLASSIFICACÃO DOS ESCOAMENTOS DE FLUIDOS A Regioes de escoamento viscoso versus não viscoso B Escoamento interno versus externo C Escoamento laminar versus turbulento D Escoamento compressível versus incompressível E Escoamento forçado versus natural F Escoamento estacionário versus não estacionário G Escoamentos uni bi e tridimensionais 26 Viscosidade Viscosidade é uma propriedade de um fluido que mede a resistência ao movimento de uma camada muito fina sobre uma camada adjacente Essa resistência ocorre somente quando uma força tangencial ou de cisalhamento é aplicada ao fluido como pode ser visto na figura A deformação resultante ocorrem diferentes taxas para deferentes tipos de fluidos Por exemplo água ou gasolina se deformarão ou escoarão mais rapidamente baixa viscosidade do que betume ou mel alta viscosidade 2 7 Fluidos Newtonianos Nestes fluidos a tensão de cisalhamento ƭ é proporcional a razão de variação da velocidade na direção normal ao escoamento gradiente de velocidade As tensões de cisalhamento agirão em todas as camadas fluidas e evidentemente naquela junto à placa superior dando origem a uma força oposta ao movimento da placa superior 28 Equação de Newton A tensão de cisalhamento tem a dimensão de quantidade de movimento por unidade de área por unidade de tempo Isto pode ser demonstrada pela equação dimensional como segue Assim podese dizer que a tensão de cisalhamento é um fluxo de quantidade de movimento por unidade de área ou uma densidade de fluxo de quantidade de movimento 29 Fluidos Newtonianos e viscosidade absoluta Os fluidos mais comuns tais como água ar e gasolina são newtonianos em condições normais Se o fluido for newtoniano então A constante de proporcionalidade na anterior é a viscosidade absoluta ou dinâmica μ Desse modo a lei de Newton da viscosidade para o escoamento unidimensional é dada por No sistema SI as unidades de viscosidade absoluta são kgm s ou Pa s 1 Pa s 1 N sm2 O poise símbolo P é a unidade de viscosidade 1 P 1 gcm1s1 1 Pas 1 kgm1s1 10 P 30 Fluidos Newtonianos Os fluidos que obedecem à relação linear entre tensão de cisalhamento e velocidade de deformação são chamados de Newtonianos Os demais por exclusão são chamados de fluidos não newtonianos 31 Viscosidade cinemática Na mecânica dos fluidos a razão entre a viscosidade absoluta μ e a massa específica ρ surge com frequência Essa razão toma o nome de viscosidade cinemática e é representada pelo símbolo ν v Como a massa específica tem as dimensões ML3 as dimensões de v são L2t No sistema SI a unidade de v é stoke 1 stoke 1 m2s 1 Stoke 1 m2s CentiStoke 1100 Stoke 32 Fluidos não Newtonianos Fluidos cujas camadas muito finas apresentam um comportamento não linear entre a tensão de cisalhamento aplicada e a taxa de deformação por cisalhamento são classificados como fluidos não newtonianos A mistura de água e maizena é talvez o fluido nãonewntoniano mais simples de se fazer e testar 33 Exercício 1 1 Uma placa infinita movese sobre uma segunda placa havendo entre elas uma camada de líquido como mostrado Para uma pequena altura da camada d podemos supor uma distribuição linear de velocidade no líquido A viscosidade do líquido é 00065 gcm s e sua densidade relativa é 088 Determine a A viscosidade absoluta do líquido em N sm2 b A viscosidade cinemática do líquido em m2s N kgms2 34 Exercício 1 solução 1a Viscosidade absoluta δ 00065 gcm s A viscosidade absoluta μ N sm2 ou μ kg m sm2 s2 kgms 35 Exercício 1 solução 1b Viscosidade cinemática Densidade relativa é 088 μ 65 104 kg ms 36 Obrigada pela atenção