Transferencia de Massa: Conceitos, Aplicações e Bibliografia Essencial

TRANSFERÊNCIA DE MASSA E SUAS APLICAÇÕES Profª Drª Janaina Karine Andreazza email janainaandreazzaunisociesccombr Bibliografias principais ÇENGEL Yunus A GHAJAR Afshin J Transferência de calor e massa uma abordagem prática 4ª ed São Paulo McGrawHill 2012 902 p Capítulo 14 Transferência de massa CREMASCO Marco Aurélio Fundamentos de transferência de calor e de massa 3ª ed São Paulo Blücher 2015 460 p Capítulo 3 Equações da continuidade em transferência de massa O QUE É TRANSFERÊNCIA DE MASSA TRANSFERÊNCIA DE MASSA Transferência de massa é um fenômeno ocasionado pela diferença de concentração maior para menor de um determinado soluto em certo meio Nítida relação de causa e efeito a diferença de concentração do soluto enquanto causa traduzse em força motriz necessária ao movimento da espécie considerada de uma região a outra M A Cremasco TRANSFERÊNCIA DE MASSA Deve ser feita uma distinção entre transferência de massa e movimento de massa ou escoamento de um fluido que ocorre em nível macroscópico quando o fluido é transportado de um local para outro A transferência de massa exige a presença de duas regiões com diferentes composições químicas e refere se ao movimento da espécie química a partir da região de concentração mais elevada em direção à região de menos concentração A principal força motriz para o escoamento de fluido é a diferença de pressão enquanto para a transferência de massa é a diferença de concentração Y A Çengel DIFUSÃO DE MASSA E CONVECÇÃO MÁSSICA Mar calmo um surfista e sua prancha Soluto surfista Meio mar Movimento mãos Soluto surfista Meio mar Movimento onda Soluto surfista Meio mar Movimento mãos e onda Obs 1 Ocasionalmente o termo advecção é usado como sinônimo de convecção Obs 2 Nas ciências oceânicas e atmosféricas advecção é entendida como um movimento horizontal resultando em transporte de um lugar para outro enquanto que a convecção é vertical mistura Contribuição difusiva Contribuição advectiva Contribuição difusiva Contribuição advectiva Convecção SITUAÇÕES DO COTIDIANO ENVOLVENDO TRANSFERÊNCIA DE MASSA Borrifar perfume Preparar chá por infusão Preparar café Solubilizar sal em água Solubilização de oxigênio Evaporação de água APLICAÇÕES INDUSTRAIS Juntamente com a mecânica dos fluidos e a transferência de calor a transferência de massa constitui a base das operações unitárias O conhecimento dos fenômeno de transferência de massa é essencial para o dimensionamento de equipamentos e principalmente para a simulação otimização e controle de equipamentos e processos APLICAÇÕES INDUSTRIAIS 1 Remoção de substâncias voláteis poluentes por adsorção 2 Remoção de gases a partir de águas residuárias 3 Difusão de partículas adsorvidas no interior dos poros de carvão ativado remoção de odor em geladeira e impurezas em água 4 Taxa de reação química e biológica 5 Produção de álcool 6 Secagem de madeira e muitos outros processos APLICAÇÕES INDUSTRIAIS Simulação em Reator de Leito Fixo Distribuição de concentração do gás que flui em torno de pellets catalíticos São mostradas as linhas de corrente de velocidades e as cores indicam a concentração Fonte Comsol website Simulação em Reator de Leito Fluidizado Distribuição da fase sólida e padrões de escoamento do ar em um reator de leito fluidizado em escala laboratorial Fonte EnginSoft website Simulação CFD de um CSTR heterogêneo httpswwwdcscomputingcomcfddemsimulationstirredtank APLICAÇÕES INDUSTRIAIS 1 ANALOGIA ENTRE TRANSFERÊNCIA DE CALOR E DE MASSA Çengel e Ghajar capítulo 14 4ª edição Investimos um tempo considerável estudando a transferência de calor e poderíamos gastar esse mesmo tempo estudando a transferência de massa No entanto os mecanismos de transferência de calor e de massa são análogos e podemos compreender a transferência de massa em um curto espaço de tempo com pouco esforço simplesmente fazendo paralelos entre transferência de calor e de massa Yunus A Çengel Professor Dr Yunus Çengel em entrevista sobre projeto que visa reduzir em 50 os gastos energéticos em hospitais com estratégias como Instalação de filmes solares nas janelas leste e oeste e painéis solares nas janelas ao sul Uso de coletores solares parabólicos de rastreamento solar para aquecimento de fluido que será usado para geração tripla produzir água quente fornecer água gelada para o ar condicionado por meio da tecnologia de resfriamento por absorção e gerar eletricidade usando ciclo orgânico de Rankine Instalação de trocadores de calor permitindo que ar fresco entrante seja préaquecido pelo ar quente que sai ajudando a reduzir a quantidade de gás natural consumida nos queimadores Os trocadores de calor funcionarão inversamente no verão diminuindo a quantidade de energia usada para o condicionamento de ar Acionamentos de velocidade variável em ventiladores e compressores para reduzir a energia elétrica usada pelos motores desses dispositivos Esperase obter retorno do investimento em 7 anos O período será menor para novos edifícios httpwwwbrickerprojectcomnewsinterviewsturkishhospitalretrofittingmakessustain ableenergyusecasestudykl Condução de calor e difusão de massa dx d D j A AB A dif Primeira Lei de Fourier Fluxo de Calor por Condução Primeira Lei de Fick Fluxo de Massa por Difusão m s kg 2 s m J 2 Condução de calor e difusão de massa Radiação Convecção de calor e convecção de massa T h A T q s A h m s s massa conv s J s kg Geração de calor e geração de massa Geração de calor Conversão de energia elétrica química ou nuclear em energia térmica calor sensível no meio Fenômeno volumétrico ocorre em todo o meio Geração de massa Conversão de uma espécie química em outra gerando massa Reação homogênea Fenômeno volumétrico ocorre em todo o meio análogo à geração volumétrica de calor Reação heterogênea a Reação química ocorrendo somente na superfície do catalisador Fenômeno de superfície e não volumétrico O termo reacional aparecerá como condição de contorno b Difusão intraparticular acompanhada de reação química nos sítios ativos do catalisador É considerado um fenômeno volumétrico e o sistema será dito pseudohomogêneo Reações homogêneas em reator batch batelada e CSTR ContinuousStired Tank Reactor ideais mistura perfeita geração de massa uniforme em todos os pontos do meio reacional ou seja geração volumétrica uniforme de massa Reações homogêneas em reator PFR Plug Flow Reactor ideal sem variação radial de velocidade e portanto sem gradiente radial de concentração gradientes de concentração ao longo do comprimento do reator Portanto a geração de massa não é uniforme quanto ao volume do reator Reações heterogêneas em reatores PBR Packed Bed Reactor Leito Fixo e FBR Fluidized Bed Reactor Leito Fluidizado Nos casos em que a reação química ocorre majoritariamente na superfície de uma partícula o termo reacional aparecerá como condição de contorno fenômeno superficial e não volumétrico