La diferencia clave es que los cambios de temperatura afectan las propiedades de transporte de gases y líquidos de manera opuesta, mientras que la presión influye principalmente en la difusión en fase gaseosa. A medida que aumenta la temperatura, la viscosidad, la conductividad térmica y la difusividad de los gases generalmente aumentan, mientras que la viscosidad de los líquidos disminuye considerablemente y su difusividad aumenta. A presiones moderadas, la viscosidad y la conductividad térmica son relativamente poco sensibles a la presión en ambas fases, pero la difusividad de los gases disminuye aproximadamente en proporción a (1/P), mientras que la difusividad de los líquidos es prácticamente independiente de la presión.
Para la operación de plantas piloto, la temperatura suele ser la variable dominante para el comportamiento del flujo de líquidos y las velocidades de transporte de gases, mientras que la presión es especialmente importante para la difusión de gases, la densidad de los gases, el flujo volumétrico y el equilibrio de fases.
Por qué las fases responden de manera diferente
Las moléculas de gas adquieren mayor movilidad al aumentar la temperatura
Las moléculas de gas están relativamente separadas, por lo que su comportamiento de transporte está determinado en gran medida por el movimiento molecular y las colisiones. El aumento de la temperatura eleva la actividad cinética molecular.
En consecuencia, la viscosidad del gas (\mu), la conductividad térmica (k) y la difusividad binaria (D_{AB}) generalmente aumentan con la temperatura.
La viscosidad de los líquidos está controlada por la cohesión intermolecular
Las moléculas de los líquidos están muy próximas y experimentan fuerzas intermoleculares más intensas. El calentamiento reduce el efecto relativo de estas fuerzas cohesivas, permitiendo que las moléculas se deslicen entre sí con mayor facilidad.
El resultado es una disminución considerable de la viscosidad del líquido al aumentar la temperatura. Esto suele producir una menor caída de presión y mayores caudales con el mismo ajuste de la bomba o la válvula.
La difusividad de los líquidos aumenta principalmente porque disminuye la viscosidad
La difusión molecular en líquidos es mucho más lenta que en gases porque las moléculas deben desplazarse a través de una estructura densa de disolvente. Una relación cualitativa útil es:
[ D_{AB,\ell} \propto \frac{T}{\mu} ]
Al aumentar la temperatura, (T) aumenta mientras que la viscosidad del líquido normalmente disminuye, por lo que la difusividad del líquido aumenta.
Las difusividades típicas de los líquidos son del orden de (10^{-9}\ \text{m}^2/\text{s}), frente a aproximadamente (10^{-5}\ \text{m}^2/\text{s}) para los gases en volumen.
Cómo afecta la temperatura a los cálculos de transporte
La viscosidad y la conductividad térmica de los gases generalmente aumentan
En las tuberías de gas, el aumento de la temperatura puede incrementar tanto la viscosidad como la conductividad térmica. El efecto sobre la viscosidad influye en la caída de presión por fricción, mientras que el efecto sobre la conductividad influye en los cálculos de transferencia de calor convectiva y conductiva.
Estos cambios son importantes cuando una unidad piloto pasa de condiciones ambientales a etapas de precalentamiento, reacción y enfriamiento.
La viscosidad de los líquidos suele dominar los cambios en la caída de presión
En los líquidos, la viscosidad puede cambiar considerablemente dentro de un intervalo de temperatura relativamente moderado. Por lo tanto, un circuito de circulación de líquido puede mostrar cambios significativos en la caída de presión, la carga de la bomba, el número de Reynolds y el comportamiento de mezclado al calentarse o enfriarse.
Una calibración realizada a temperatura ambiente puede no seguir siendo representativa a la temperatura del proceso.
La conductividad térmica de los líquidos normalmente cambia solo ligeramente
La conductividad térmica de los líquidos generalmente disminuye ligeramente al aumentar la temperatura, aunque el agua es una excepción importante en los intervalos de operación habituales. Este efecto suele ser menor que la sensibilidad de la viscosidad del líquido a la temperatura.
Por lo tanto, los modelos de transferencia de calor deben actualizar cuidadosamente la viscosidad del líquido y actualizar la conductividad térmica cuando la precisión requerida o el intervalo de operación lo justifiquen.
La difusividad de los gases presenta una fuerte sensibilidad a la temperatura
Para los gases en volumen, la difusividad suele seguir una relación aproximada de la forma:
[ D_{AB,g} \propto \frac{T^{1.75}}{P} ]
Esto significa que el calentamiento puede aumentar considerablemente las velocidades de transferencia de masa en fase gaseosa, siempre que la presión y la composición sigan siendo adecuadas.
En poros muy pequeños, la difusión de Knudsen sigue una tendencia diferente, aproximadamente (D_K \propto T^{1/2}), y no depende de la presión total de la misma manera que la difusión molecular en volumen.
Cómo afecta la presión a las dos fases
La difusividad de los gases disminuye al aumentar la presión total
Para la difusión de gases en volumen:
[ D_{AB,g} \propto \frac{1}{P} ]
El aumento de la presión incrementa la frecuencia de las colisiones moleculares y reduce la distancia que recorren las moléculas entre colisiones. Por lo tanto, la difusividad en fase gaseosa disminuye al aumentar la presión.
Esto puede reducir las velocidades de transferencia de masa en unidades piloto de absorción, membranas y reacciones gaseosas, a menos que otros cambios operativos lo compensen.
La difusividad de los líquidos es prácticamente independiente de la presión
Las moléculas de los líquidos ya están muy próximas, por lo que los cambios moderados de presión tienen poco efecto sobre su separación molecular. Por ello, la difusividad de los líquidos suele considerarse independiente de la presión total en los cálculos habituales de plantas piloto.
Las presiones muy elevadas pueden requerir modelos de propiedades más detallados, pero normalmente la presión influye mucho menos en la difusión de líquidos que en la difusión de gases en volumen.
La viscosidad y la conductividad térmica son bastante estables a presión moderada
A presiones moderadas, la viscosidad y la conductividad térmica de gases y líquidos suelen permanecer aproximadamente constantes en comparación con sus dependencias mucho más intensas de la temperatura.
Esta aproximación se vuelve menos fiable a alta presión, cerca de los límites de fase o en condiciones cercanas al punto crítico, donde los efectos de fluido real pueden adquirir importancia.
La densidad de los gases cambia considerablemente con la presión y la temperatura
Incluso cuando una propiedad de transporte de un gas cambia moderadamente, su densidad puede cambiar de manera considerable. En condiciones de gas ideal:
[ \rho_g \propto \frac{P}{T} ]
Para un flujo másico de gas fijo, el caudal volumétrico cambia aproximadamente según:
[ V_2 = V_1\left(\frac{P_1}{P_2}\right)\left(\frac{T_2}{T_1}\right) ]
Las temperaturas deben expresarse en unidades absolutas, como kelvin.
Esto afecta directamente la velocidad del gas, el número de Reynolds, el tiempo de residencia, las predicciones de caída de presión y el dimensionamiento de las tuberías de la planta piloto.
Qué significa esto para las operaciones de plantas piloto
Predicción del flujo y la caída de presión
En los sistemas líquidos, la viscosidad dependiente de la temperatura suele ser la primera propiedad que debe actualizarse al predecir la caída de presión o el rendimiento de la bomba.
En los sistemas gaseosos, tanto la viscosidad como la densidad deben evaluarse a la temperatura y presión reales de operación. Los cambios en la densidad del gas pueden dominar los cálculos de velocidad y régimen de flujo.
Cálculos de transferencia de calor
La conductividad térmica de los gases generalmente aumenta con la temperatura, mientras que la conductividad térmica de los líquidos suele cambiar solo moderadamente. Para obtener balances de calor fiables y estimaciones de los coeficientes de transferencia de calor, se necesitan las tendencias correctas de las propiedades específicas de cada fase.
Estos efectos son especialmente relevantes en intercambiadores de calor, reactores calentados, condensadores y unidades didácticas térmicas.
Equipos de transferencia de masa
La difusión de los gases es más rápida en magnitud, pero más sensible a la presión. El aumento de la presión reduce la difusividad de los gases, mientras que el aumento de la temperatura generalmente la incrementa.
La difusión de los líquidos es más lenta, pero está fuertemente afectada por la viscosidad del líquido. Calentar un disolvente puede mejorar la difusión en la fase líquida, aunque el cambio resultante en la solubilidad del gas o en el equilibrio químico puede mejorar o reducir el rendimiento global del proceso.
Absorción gas-líquido
Para muchos solutos gaseosos, una temperatura más alta reduce la solubilidad en el líquido, mientras que una presión parcial de gas más alta la aumenta. Dado que (p_i = y_iP), el aumento de la presión total incrementa la presión parcial del componente cuando la composición del gas se mantiene constante.
Por lo tanto, una presión más alta puede mejorar el equilibrio de absorción aunque reduzca la difusividad del gas en volumen. La operación de la planta piloto debe considerar ambos efectos en lugar de asumir que una presión más alta siempre mejora o siempre reduce la absorción.
Comprensión de las compensaciones
Una temperatura más alta no siempre mejora la transferencia de masa
El calentamiento generalmente aumenta la difusividad de gases y líquidos, pero puede reducir la solubilidad del gas en un disolvente líquido. En los equipos de absorción, la pérdida de solubilidad de equilibrio puede compensar el beneficio de una difusión más rápida.
Por lo tanto, la selección de la temperatura debe considerar tanto la cinética de transporte como el equilibrio de fases.
Una presión más alta tiene efectos contrapuestos en la fase gaseosa
Una presión más alta aumenta la densidad del gas y las presiones parciales de los componentes, lo que puede mejorar algunas fuerzas impulsoras de separación o absorción. Al mismo tiempo, reduce la difusividad del gas en volumen y puede introducir un comportamiento no ideal significativo.
A altas presiones, pueden ser necesarias ecuaciones de estado y cálculos basados en fugacidades, ya que las suposiciones de gas ideal pueden volverse inexactas, especialmente cerca de condiciones críticas.
Las tendencias de las propiedades no son universales cerca de los límites de fase
Las tendencias simples descritas aquí son más útiles para intervalos de operación ordinarios en una sola fase. Cerca de la condensación, la vaporización, el punto crítico o condiciones fuertemente no ideales, las propiedades de transporte pueden variar bruscamente y deben obtenerse a partir de correlaciones de propiedades validadas o simuladores de procesos.
Las condiciones de calibración deben coincidir con las condiciones de operación
Los sensores y los instrumentos de flujo pueden calibrarse en condiciones que difieren considerablemente del punto de operación de la planta piloto. Las mediciones del flujo de gas son especialmente sensibles a la base de presión y temperatura indicada.
El flujo de gas informado debe distinguir claramente entre las condiciones reales de operación y las condiciones estándar o de referencia.
Cómo tomar la decisión adecuada para su objetivo
El énfasis operativo adecuado depende de la operación unitaria y de la propiedad que controle su rendimiento.
- Si su enfoque principal es el flujo de líquidos y la caída de presión: controle primero la viscosidad dependiente de la temperatura, ya que el calentamiento puede reducir considerablemente la resistencia al flujo.
- Si su enfoque principal es la medición del flujo de gas: corrija la densidad del gas y el flujo volumétrico según la temperatura absoluta y la presión reales.
- Si su enfoque principal es la transferencia de masa en fase gaseosa: tenga en cuenta la fuerte dependencia de la difusividad del gas en volumen respecto a la presión y su aumento con la temperatura.
- Si su enfoque principal es la transferencia de masa en fase líquida: tenga en cuenta la baja magnitud de la difusividad de los líquidos y su dependencia de la temperatura y de la viscosidad del líquido.
- Si su enfoque principal es la absorción gas-líquido: evalúe conjuntamente la difusividad y la solubilidad, ya que una temperatura y una presión más altas pueden mejorar un aspecto del rendimiento mientras perjudican otro.
- Si su enfoque principal es la operación a alta presión: utilice métodos de propiedades de fluidos reales cuando las condiciones se aproximen a regiones críticas o cuando las suposiciones de gas ideal ya no proporcionen una precisión adecuada.
Un modelo fiable de planta piloto trata la temperatura y la presión como entradas de propiedades dependientes de la fase, en lugar de aplicar un único conjunto de suposiciones tanto a gases como a líquidos.
Tabla resumen:
| Propiedad o efecto | Fase gaseosa | Fase líquida | Implicación para la planta piloto |
|---|---|---|---|
| Temperatura y viscosidad | La viscosidad generalmente aumenta | La viscosidad normalmente disminuye de manera significativa | Actualice los cálculos de fricción de gases y de caída de presión de líquidos |
| Temperatura y difusividad | La difusividad aumenta, aproximadamente según T^1.75/P | La difusividad aumenta al elevarse la temperatura y disminuir la viscosidad | El calentamiento puede mejorar la transferencia de masa, pero también deben comprobarse los efectos sobre el equilibrio |
| Presión y difusividad | La difusividad en volumen disminuye aproximadamente como 1/P | Es prácticamente independiente de la presión en condiciones moderadas | La presión es especialmente importante para la transferencia de masa en fase gaseosa |
| Densidad y flujo volumétrico | La densidad cambia considerablemente con la presión y la temperatura | La densidad suele ser menos sensible | Corrija la velocidad del gas, el tiempo de residencia, el número de Reynolds y las lecturas de flujo |
| Conductividad térmica | Generalmente aumenta con la temperatura | Normalmente cambia ligeramente; el agua puede comportarse de manera diferente | Utilice propiedades específicas de cada fase en los modelos de transferencia de calor |
| Rendimiento de la absorción | Una presión más alta aumenta la presión parcial, pero reduce la difusividad | Una temperatura más alta puede mejorar la difusión, pero reducir la solubilidad del gas | Evalúe conjuntamente la cinética de transporte y el equilibrio de fases |
| Operación a alta presión o cerca del punto crítico | Las suposiciones de gas ideal pueden volverse poco fiables | Pueden requerirse modelos detallados de propiedades | Utilice correlaciones validadas, ecuaciones de estado o simuladores de procesos |
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