Estudio teórico-experimental de la hidrodinámica y la transferencia de masa de burbujas generadas en platos perforados

Resumen

La presente tesis doctoral tiene como objeto de estudio la transferencia de masa en equipos de contacto gas líquido partiendo del análisis de su hidrodinámica. Dentro de este tipo de procesos nos encontramos con diferentes resultados derivados de los distintos equipos pueden emplearse (tanques con o sin agitación mecánica). El mayor reto consistía en tratar de predecir dicha transferencia de materia con independencia de las peculiaridades de los diferentes supuestos, cosa que finalmente se consiguió, tras un análisis exhaustivo de los diferentes casos. Así, en un primer lugar, se estudió la formación de burbujas en tanques sin agitación mecánica, para lo cual se emplearon diferentes dispositivos de dispersión, caudales y fluidos de trabajo. En función de los resultados obtenidos se propuso un modelo, basado en un balance de fuerzas y otro de cantidad de movimiento, que reproduce fielmente los datos experimentales. Se llegó a la conclusión de que será la hidrodinámica de formación la que determina la renovación de la superficie de las burbujas, y por tanto, la transferencia de materia obteniéndose una correlación general para la transferencia de masa. Durante la formación de las burbujas en platos perforados puede tener lugar coalescencia de las mismas dependiendo de la proximidad de los orificios, del caudal, del tamaño de las burbujas y el sistema gas líquido. El estudio permite concluir que la deformabilidad de las burbujas define su coalescencia. Un modelo mecanístico, basado en el estudio de las colisiones y su eficiencia, y otro estadístico, basado en la distribución de probabilidad logística, permiten explicar y predecir el fenómeno. La coalescencia de burbujas tiene dos efectos claros en la transferencia de masa: en primer lugar, reduce el área de contacto, y en segundo lugar, el mayor tamaño de las burbujas aumenta la transferencia de masa al provocar oscilaciones. Como se comprobó experimentalmente, si las burbujas iniciales son de unos 5 mm, la coalescencia no tiene efecto negativo en la transferencia de materia, sin embargo, si las burbujas iniciales son mayores, contribuye a reducir la velocidad de la transferencia de materia. En este punto, el estudio se centró en el análisis de este efecto en los fluidos viscosos, desarrollando una ecuación para el número de Sherwood basada en el método de la perturbación y considerando el efecto de la viscosidad en las características de las oscilaciones, capaz de predecir la transferencia de masa experimental en columnas de burbujas. Como dijimos al principio, esta tesis se desarrollo empleando diferentes equipos, con el objeto de obtener una visión integral del fenómeno. Por ello, se estudiaron los procesos los procesos gas - líquido tienen lugar en un tanque agitado, empleando diferentes agitadores y observando efecto de los esfuerzos cortantes de los mismos en la formación y ascenso de las burbujas, así como en la generación de dispersiones y su resultado en la transferencia de masa. De esta manera, se pudo concluir que, en general, las burbujas formadas en tanques agitados son menores que en fluidos sin agitación mecánica, debido a que los esfuerzos cortantes ayudan al desprendimiento de las burbujas del plato barriéndolas o succionándolas del plato, así como que las dispersiones se forman debido a la rotura de las burbujas, bien en el fluido, bien en las palas. Centrándonos en este último punto, se demostró, mediante un modelo de balances de población, que el efecto de la geometría de las palas determina el mecanismo de rotura de las burbujas y la energía necesaria. Por otro lado se observó también que las turbinas de palas son los agitadores más eficientes en la generación de dispersiones y para la transferencia de materia. Por último, y como resultado final, es posible explicar y predecir la transferencia de materia en base al comportamiento de las burbujas dentro de los equipos de contacto, tanto en tanques con agitación mecánica como sin ella y, por otro, que los procesos de rotura y coalescencia de las burbujas determinan la eficiencia energética en la transferencia de materia, especialmente en tanques agitados donde la potencia del agitador determina la economía del proceso.