A principal distinção é que as variações de temperatura alteram as propriedades de transporte de gases e líquidos de maneiras opostas, enquanto a pressão afeta principalmente a difusão na fase gasosa. À medida que a temperatura aumenta, a viscosidade, a condutividade térmica e a difusividade dos gases geralmente aumentam, enquanto a viscosidade dos líquidos diminui acentuadamente e a difusividade dos líquidos aumenta. Em pressões moderadas, a viscosidade e a condutividade térmica são comparativamente pouco sensíveis à pressão em ambas as fases, mas a difusividade dos gases diminui aproximadamente na proporção de (1/P), enquanto a difusividade dos líquidos é praticamente independente da pressão.
Para a operação de plantas-piloto, a temperatura geralmente é a variável dominante para o comportamento do escoamento de líquidos e para as taxas de transporte de gases, enquanto a pressão é especialmente importante para a difusão dos gases, a densidade dos gases, o escoamento volumétrico e o equilíbrio de fases.
Por que as fases respondem de maneira diferente
As moléculas de gás tornam-se mais móveis à medida que a temperatura aumenta
As moléculas de gás estão relativamente afastadas umas das outras, portanto seu comportamento de transporte é governado em grande parte pelo movimento molecular e pelas colisões. O aumento da temperatura eleva a atividade cinética molecular.
Consequentemente, a viscosidade dos gases (\mu), a condutividade térmica (k) e a difusividade binária (D_{AB}) geralmente aumentam com a temperatura.
A viscosidade dos líquidos é controlada pela coesão intermolecular
As moléculas dos líquidos estão compactadas e sofrem forças intermoleculares mais intensas. O aquecimento reduz o efeito relativo dessas forças coesivas, permitindo que as moléculas se movam umas sobre as outras com maior facilidade.
O resultado é uma redução substancial da viscosidade dos líquidos com o aumento da temperatura. Isso frequentemente produz menor queda de pressão e maiores vazões na mesma regulagem da bomba ou da válvula.
A difusividade dos líquidos aumenta principalmente porque a viscosidade diminui
A difusão molecular em líquidos é muito mais lenta que a difusão em gases porque as moléculas precisam se deslocar através de uma estrutura densa de solvente. Uma relação qualitativa útil é:
[ D_{AB,\ell} \propto \frac{T}{\mu} ]
À medida que a temperatura aumenta, (T) aumenta, enquanto a viscosidade do líquido geralmente diminui; portanto, a difusividade dos líquidos aumenta.
As difusividades típicas de líquidos são da ordem de (10^{-9}\ \text{m}^2/\text{s}), em comparação com aproximadamente (10^{-5}\ \text{m}^2/\text{s}) para gases em volume.
Como a temperatura afeta os cálculos de transporte
A viscosidade e a condutividade térmica dos gases geralmente aumentam
Em tubulações de gás, o aumento da temperatura pode elevar tanto a viscosidade quanto a condutividade térmica. O efeito da viscosidade influencia a queda de pressão por atrito, enquanto o efeito da condutividade influencia os cálculos de transferência de calor por convecção e condução.
Essas alterações são importantes quando uma unidade-piloto passa por condições ambiente, pré-aquecimento, reação e etapas de resfriamento.
A viscosidade dos líquidos frequentemente domina as alterações na queda de pressão
Para líquidos, a viscosidade pode variar substancialmente em uma faixa de temperatura relativamente pequena. Portanto, um circuito de circulação de líquido pode apresentar uma mudança significativa na queda de pressão, na carga da bomba, no número de Reynolds e no comportamento de mistura à medida que é aquecido ou resfriado.
Uma calibração realizada à temperatura ambiente pode não continuar representativa na temperatura do processo.
A condutividade térmica dos líquidos geralmente muda apenas ligeiramente
A condutividade térmica dos líquidos geralmente diminui ligeiramente à medida que a temperatura aumenta, embora a água seja uma exceção importante em faixas operacionais comuns. Esse efeito normalmente é menor que a sensibilidade da viscosidade dos líquidos à temperatura.
Portanto, os modelos de transferência de calor devem atualizar cuidadosamente a viscosidade do líquido e atualizar a condutividade térmica quando a precisão necessária ou a faixa operacional justificarem isso.
A difusividade dos gases apresenta forte sensibilidade à temperatura
Para gases em volume, a difusividade geralmente segue uma relação aproximada da forma:
[ D_{AB,g} \propto \frac{T^{1.75}}{P} ]
Isso significa que o aquecimento pode aumentar substancialmente as taxas de transferência de massa na fase gasosa, desde que a pressão e a composição permaneçam adequadas.
Em poros muito pequenos, a difusão de Knudsen segue uma tendência diferente, aproximadamente (D_K \propto T^{1/2}), e não depende da pressão total da mesma forma que a difusão molecular em volume.
Como a pressão afeta as duas fases
A difusividade dos gases diminui à medida que a pressão total aumenta
Para a difusão de gases em volume:
[ D_{AB,g} \propto \frac{1}{P} ]
O aumento da pressão eleva a frequência das colisões moleculares e reduz a distância percorrida pelas moléculas entre as colisões. Portanto, a difusividade na fase gasosa diminui à medida que a pressão aumenta.
Isso pode reduzir as taxas de transferência de massa em unidades-piloto de absorção, membranas e reações gasosas, a menos que outras alterações operacionais compensem esse efeito.
A difusividade dos líquidos é praticamente independente da pressão
As moléculas dos líquidos já estão compactadas, portanto alterações moderadas na pressão têm pouco efeito sobre seu espaçamento molecular. Assim, a difusividade dos líquidos é normalmente considerada independente da pressão total em cálculos comuns de plantas-piloto.
Pressões muito elevadas podem exigir modelos de propriedades mais detalhados, mas a pressão normalmente é muito menos influente na difusão de líquidos do que na difusão de gases em volume.
A viscosidade e a condutividade térmica são relativamente estáveis em pressão moderada
Em pressões moderadas, a viscosidade e a condutividade térmica de gases e líquidos frequentemente permanecem aproximadamente constantes em comparação com suas dependências muito mais fortes da temperatura.
Essa aproximação se torna menos confiável em alta pressão, próximo aos limites de fase ou em condições próximas do ponto crítico, onde os efeitos de fluidos reais podem se tornar importantes.
A densidade dos gases varia fortemente com a pressão e a temperatura
Mesmo quando uma propriedade de transporte de um gás varia modestamente, sua densidade pode mudar substancialmente. Em condições de gás ideal:
[ \rho_g \propto \frac{P}{T} ]
Para uma vazão mássica fixa de gás, a vazão volumétrica varia aproximadamente de acordo com:
[ V_2 = V_1\left(\frac{P_1}{P_2}\right)\left(\frac{T_2}{T_1}\right) ]
As temperaturas devem ser expressas em unidades absolutas, como kelvin.
Isso afeta diretamente a velocidade do gás, o número de Reynolds, o tempo de residência, as previsões de queda de pressão e o dimensionamento das tubulações da planta-piloto.
O que isso significa para as operações de plantas-piloto
Previsão de escoamento e queda de pressão
Para sistemas líquidos, a viscosidade dependente da temperatura geralmente é a primeira propriedade a ser atualizada ao prever a queda de pressão ou o desempenho da bomba.
Para sistemas gasosos, tanto a viscosidade quanto a densidade devem ser avaliadas na temperatura e pressão reais de operação. As alterações na densidade dos gases podem dominar os cálculos de velocidade e regime de escoamento.
Cálculos de transferência de calor
A condutividade térmica dos gases geralmente aumenta com a temperatura, enquanto a condutividade térmica dos líquidos normalmente varia apenas moderadamente. As tendências corretas das propriedades específicas de cada fase são necessárias para balanços de calor confiáveis e estimativas dos coeficientes de transferência de calor.
Esses efeitos são particularmente relevantes em trocadores de calor, reatores aquecidos, condensadores e unidades didáticas térmicas.
Equipamentos de transferência de massa
A difusão dos gases é mais rápida em magnitude, mas mais sensível à pressão. O aumento da pressão reduz a difusividade dos gases, enquanto o aumento da temperatura geralmente a eleva.
A difusão dos líquidos é mais lenta, mas é fortemente afetada pela viscosidade do líquido. O aquecimento de um solvente pode melhorar a difusão no lado líquido, embora a alteração resultante na solubilidade do gás ou no equilíbrio químico possa melhorar ou reduzir o desempenho geral do processo.
Absorção gás-líquido
Para muitos solutos gasosos, temperaturas mais elevadas reduzem a solubilidade no líquido, enquanto pressões parciais mais elevadas do gás aumentam essa solubilidade. Como (p_i = y_iP), o aumento da pressão total eleva a pressão parcial do componente quando a composição do gás é mantida constante.
Portanto, uma pressão mais elevada pode melhorar o equilíbrio de absorção, embora reduza a difusividade do gás em volume. A operação da planta-piloto deve considerar ambos os efeitos, em vez de presumir que uma pressão mais alta sempre melhora ou sempre reduz a absorção.
Compreendendo os compromissos
Uma temperatura mais elevada nem sempre melhora a transferência de massa
O aquecimento geralmente aumenta a difusividade de gases e líquidos, mas pode reduzir a solubilidade do gás em um solvente líquido. Em equipamentos de absorção, a perda de solubilidade no equilíbrio pode compensar o benefício de uma difusão mais rápida.
Portanto, a seleção da temperatura deve considerar tanto a cinética de transporte quanto o equilíbrio de fases.
Uma pressão mais elevada produz efeitos concorrentes na fase gasosa
Uma pressão mais elevada aumenta a densidade do gás e as pressões parciais dos componentes, o que pode melhorar algumas forças motrizes de separação ou absorção. Ao mesmo tempo, reduz a difusividade do gás em volume e pode introduzir um comportamento não ideal significativo.
Em altas pressões, podem ser necessárias equações de estado e cálculos baseados em fugacidade, pois as suposições de gás ideal podem se tornar imprecisas, especialmente próximas às condições críticas.
As tendências das propriedades não são universais próximas aos limites de fase
As tendências simples descritas aqui são mais úteis para faixas operacionais comuns de fase única. Próximo à condensação, vaporização, ao ponto crítico ou em condições fortemente não ideais, as propriedades de transporte podem variar acentuadamente e devem ser obtidas a partir de correlações de propriedades validadas ou de simuladores de processo.
As condições de calibração devem corresponder às condições operacionais
Sensores e instrumentos de medição de vazão podem ser calibrados em condições substancialmente diferentes do ponto de operação da planta-piloto. As medições de vazão de gases são especialmente sensíveis à base de pressão e temperatura especificada.
A vazão de gás informada deve distinguir claramente entre condições reais de operação e condições padrão ou de referência.
Fazendo a escolha certa para o seu objetivo
A ênfase operacional adequada depende da operação unitária e da propriedade que controla seu desempenho.
- Se seu foco principal é o escoamento de líquidos e a queda de pressão: Acompanhe primeiro a viscosidade dependente da temperatura, pois o aquecimento pode reduzir substancialmente a resistência ao escoamento.
- Se seu foco principal é a medição da vazão de gases: Corrija a densidade do gás e a vazão volumétrica para a temperatura absoluta e a pressão reais.
- Se seu foco principal é a transferência de massa na fase gasosa: Considere a forte dependência da difusividade do gás em volume em relação à pressão e seu aumento com a temperatura.
- Se seu foco principal é a transferência de massa na fase líquida: Considere a baixa magnitude da difusividade dos líquidos e sua dependência da temperatura e da viscosidade do líquido.
- Se seu foco principal é a absorção gás-líquido: Avalie conjuntamente a difusividade e a solubilidade, pois temperaturas e pressões mais elevadas podem melhorar um aspecto do desempenho enquanto prejudicam outro.
- Se seu foco principal é a operação em alta pressão: Utilize métodos de propriedades de fluidos reais quando as condições se aproximarem de regiões críticas ou quando as suposições de gás ideal já não proporcionarem precisão adequada.
Um modelo confiável de planta-piloto trata a temperatura e a pressão como entradas de propriedades dependentes da fase, em vez de aplicar um único conjunto de suposições a gases e líquidos.
Tabela-resumo:
| Propriedade ou efeito | Fase gasosa | Fase líquida | Implicação para a planta-piloto |
|---|---|---|---|
| Temperatura e viscosidade | A viscosidade geralmente aumenta | A viscosidade geralmente diminui significativamente | Atualize os cálculos de atrito dos gases e de queda de pressão dos líquidos |
| Temperatura e difusividade | A difusividade aumenta, aproximadamente com T^1.75/P | A difusividade aumenta à medida que a temperatura sobe e a viscosidade diminui | O aquecimento pode melhorar a transferência de massa, mas os efeitos sobre o equilíbrio também devem ser verificados |
| Pressão e difusividade | A difusividade em volume diminui aproximadamente como 1/P | Praticamente independente da pressão em condições moderadas | A pressão é especialmente importante para a transferência de massa na fase gasosa |
| Densidade e vazão volumétrica | A densidade varia fortemente com a pressão e a temperatura | A densidade geralmente é menos sensível | Corrija a velocidade do gás, o tempo de residência, o número de Reynolds e as leituras de vazão |
| Condutividade térmica | Geralmente aumenta com a temperatura | Geralmente varia pouco; a água pode ser diferente | Utilize propriedades específicas da fase nos modelos de transferência de calor |
| Desempenho da absorção | Uma pressão mais elevada aumenta a pressão parcial, mas reduz a difusividade | Uma temperatura mais elevada pode melhorar a difusão, mas reduzir a solubilidade do gás | Avalie conjuntamente a cinética de transporte e o equilíbrio de fases |
| Operação em alta pressão ou próxima do ponto crítico | As suposições de gás ideal podem se tornar pouco confiáveis | Podem ser necessários modelos detalhados de propriedades | Utilize correlações validadas, equações de estado ou simuladores de processo |
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