Resumen:
El trabajo realizado es un aporte al estudio de la transferencia demateria entre fases, en particular, en un sistema discontinuo solido-fluido. En el presente trabajo se estudia 1a transferencia de materia sin ycon reacción química, en un sistema de cilindros coaxiales rotatorios. Para el primer caso se busca una expresión que vincule los números adimensionalescaracterísticos del sistema, o sea Sh, Re, Sc y los factores deforma que se refieren al uso de cortacorrientes en distinto númeroy tamaño,y a la variación de la relación de diámetros de los cilindros. Entre las teorias sobre transferencia de materia sin reacción quimica,las de la película laminar de Whitman-Lewis,de la renovación de lasuperficie de Danckwerts,y la reciente de la pelicula turbulenta,son lasque han tenido más aplicación en Tecnología. Desde hace tiempo ha sido reconocido que el modelo de Whitman-Lewises una descripción sobresimplificada del mecanismo de la transferencia demateria entre fases, siendo, en particular, deficiente en la relación delos coeficientes de transferencia de materia con la difusividad molecular,prediciendo incorrectamente una dependencia de primer orden. Si es aplicable la teoria de la renovación de la superficie paraexplicar la transferencia de materia, el exponente del número de Schmidten una correlación general de los números adimensionales antes mencionados,debe ser 0,5. En cambio, si es aplicable la teoria de la películaturbulenta, el exponente deberá ser 1/3. En transferencia de materia con reacción quimica se estudia unareacción de segundo orden, rápida e irreversible. El control es difusional. Se busca la forma de 1a función φ(Sh',Re,ScA,ScB,cBL/cAi) = 0 siendo Sh' el número de Sherwood para transferencia de materia con reacciónquímica y cBL/cAi la razón de las concentraciones de B en el seno delfluido y de A en la interfase. La expresión más conveniente es en términos del factor de reacción FR como función explícita de las demás variables. Las distintas teorias que explican la transferencia de materia conreacción quimica conducen a expresiones del factor de reacción como funciónde ScA/ScB(que es lo mismo que DB/DA)y cBL/cAi. Esto significa queel Re no es un parámetro que afecte FR. Las más importantes son las de Hatta, que es una aplicación de lateoria de la película laminar al caso en que hay reacción química, la de Meyerink y Friedlander, basada en la clásica teoria de Nernst-Brunner dela reacción controlada por la difusión, y la de Sherwoody Ryan, basadaen un modelode película turbulenta. Todas llevan a una expresión del tipo: Fr=(1+ (ScA/Scb)*(CBL/CAi))*(ScB/ScA)^msiendo, el valor de m, de acuerdo a 1a distintas teorías: cero, según 1aprimera; el exponente del So para transferencia sin reacción química, segúnla segunda, y 1/3 según 1a tercera. En el caso, como el presente, que la reacción química comprenda especiesiónicas, hay difusión de iones que es importante tener en cuenta,pues cada especie iónica en presencia de otras, puede difundir a velocidadesque son bastante diferentes de las que difundiria si fuera la únicaespecie del medio. Por lo tanto los coeficientes de difusión, y en consecuencialos números de Schmidt, deben ser corregidos para tener en cuentaesos efectos iónicos. El efecto de los cortacorrientes no ha sido estudiado nunca en unsistema como el usado en el presente trabajo. Existen antecedentes bibliográficossobre el uso de cortacorrientes en sistemas de otro tipo, especialmente en sistemas de partículas que se disuelven sin reacción químicaen líquidos agitados, en cuyo caso el efecto de los cortacorrientes dependede la velocidad de agitación y del tipo de agitador usados. El efecto de la variación de la relación de diámetros de los cilindrosha dido estudiado sin el uso de cortacorrientes, resultando que noinfluye sobre la velocidad de transferencia de materia. En el presente trabajo se estudió la disolución de ácido benzoicoen agua, agua-glicerina, HONa-agua, HONa-agua-glicerina. La glicerina seusó para aumentar la viscosidad del líquido, y por lo tanto, el númerode Schmidt. El equipo utilizado consta esencialmente de un cilindro interiorrotatorio (rotor) y de un cilindro exterior (recipiente) que contiene elliquido; El rotor está formado por un eje sobre el cual se calza una probetaanular de ácido benzoico entre anillos similares de acero inoxidable,que tienen como objeto prolongar el cilindro rotor,de tal modo que lasbases se hallen alejadas de la superficie soluble, y por lo tanto no introduzcanefectos extraños que afecten el flujo hidrodinámico de la zonadonde se produce la transferencia de materia. Con este artificio es posibleaproximarse al limite teórico de cilindros infinitamente largos. Se usan dos tamaños de rotor, uno el doble del otro en diámetro yaltura, para verificar el cambio de escala. Para los cálculos se usaron valores de las constantes fisicoquímicasdeterminados experimentalmente,cuando no se hallaron en la bibliografía. Se trabajó a Re comprendidos entre 4 x lO^3 y 10^6, y a ScA comprendidoentre 800 y 10900. (Componente A = ácido benzoico; B = HONa). Se realizaron experiencias sin cortacorrientes y con ellos; En estecaso se usaron entre 2 y 24 cortacorrientes de un tamaño tal que la relaciónentre el ancho de los mismosy el espesor de la capa de líquido comprendidaentre el rotor y la pared del recipiente, se varió entre 0,13y 0,95. Se observó que la inserción de cortacorrientes no va acompañadapor variación alguna de la velocidad de transferencia de materia tantocon como sin reacción química. Este hecho, que es muy dificilmente explicablepor la teoría de la película laminar, puede ser, en cambio, interpretadoen términos de la teoria de la renovación de la superficie, diciendoque la velocidad de renovación superficial no es afectada por lapresencia de cortacorrientes. Se puede demostrar, que en régimen turbulento, el coeficiente detransferencia de materia es igual a la velocidad media de las fluctuacionnes y en consecuencia cualquier factor que promuevalas fluctuaciones enun determinado punto, incrementará el coeficiente de transferencia de materiaen ese punto. El hecho observado de que los cortacorrientes no afectanla velocidad de transferencia de materia,se puede interpretar entonces,comodebido a que los cortacorrientes producirian fluctuaciones dela velocidad del fluido en el seno de éste, pero que no llegarían hastala interfase misma,no afectándose por lo tanto el coeficiente de transferencia. Tampocola relación de diámetros de los cilindros interior y exteriores un factor que tiene influencia sobre la velocidad de disolucióncon y sin reacción quimica, hecho que se puede explicar de la mismamaneraque la ausencia de efecto de los cortacorrientes. La expresión de los resultados de la transferencia de materia sinreacción química en forma de una correlación general del tipo Sh = mo Re^m1 Sc^m2 es solamente una aproximación, ya que el exponente del Re no es realidad una constante, sino una función del mismo Re; es decir,la representación de Sh/Sc^m2 en función de Re no es una recta en un gráficodoble logarítmico. Una mejor aproximación es suponer una parábola una vez una recta. Por el método de cuadrados minimos de determinó esa función, suponiendo: a) una relación lineal y b) una relación cuadrática, obteniéndose: Ecuación Desv.cuad.media Desv.máx. a)Sh= 0,00540 Re^0,868 So^0,50 11,8% 53% b)Sh= 89,1 Re^-0,856 10^0,174(log Re)^2 Sc^0,50 5,8% 17% El exponente 0,50 del número de Schmidt indica la posible aplicabilidadde la teoría de 1a renovación superficial a la transferencia de materiasin reacción química. Los resultados experimentales de la transferencia de materia con reacciónquimica, expresados en términos de FR en función de cBI/cAi y SOA/SCB, comparados con las distintas teorías, indican la mejor aplicabilidadde la teoría de la película turbulenta teniendo en cuenta los efectos dela presencia de iones. Es decir, 1a ecuación aplicable sería: FR= (ScB/ScA)^1/3 + (ScA/ScB)^2/3 cBL/cAidonde los números de Schmidt están calculados en base a coeficientes dedifusión corregidos para considerar los efectos iónicos y viscosos. El cambio de escala ha sido satisfactorio en todos los casos.
