facsa_053921_2_r

PROYECTO DIUBB 053921 2/R
TITULO:
SIMULACION DE SECADO EN MEDIOS POROSOS EN REDES 2D Y 3D
MEDIANTE EL METODO DE MONTECARLO Y VALIDACION A TRAVES DE
EXPERIMENTOS EN MICROMODELOS.
Investigador Principal
Luis Andrés Segura Ponce
Facultad/Depto.
Ciencias de la Salud y de los Alimentos/Ingeniería en
Alimentos
E-Mail
[email protected]
Coinvestigadores
Luisa Arriagada S.
OBJETIVOS:
-
El objetivo general de este trabajo consiste por una parte, en desarrollar e implementar
un modelo microscópico, a nivel de segmentos de poro, del proceso de secado, con
fuerte carácter predictivo, en base al modelo previamente desarrollado y que involucre
la presencia de materiales sólidos (sales) disueltas en el líquido, incorporando de esta
manera otros fenómenos físicos (mecanismo de transporte, solubilidad, cristalización,
etc.) en el secado. Y por otra parte complementar el modelo desarrollado con
observaciones experimentales de secado de soluciones (solvente + sales) en
micromodelos.
RESUMEN Y RESULTADOS:
El secado de una de las operaciones unitarias más ampliamente utilizadas en la industria de
procesos, destacándose su aplicación en el secado de alimentos, madera, celulosa y papel,
productos farmacéuticos y biotecnológicos, minerales, polímeros, revestimientos,
materiales fibrosos catalizadores, etc.
El enfoque clásico del secado involucra un análisis macroscópico del proceso, obteniendo
curvas de saturación, coeficientes de difusión efectivo y tiempos de operación que varían
según el tipo de producto, composición y geometría y de las condiciones del proceso
(temperatura, humedad ambiente, velocidad del aire de secado, etc.). Este enfoque no
entrega información acerca de la distribución de fluidos al interior de productos durante el
secado, como tampoco acerca de los diferentes mecanismos de transporte de líquido que
operan ni de su importancia relativa en el proceso.
Una propuesta alternativa al enfoque macroscópico es el estudio del proceso de secado a
nivel de segmentos de poros, es decir, a nivel microscópico, donde no sólo se pueden
incorporar a la modelación los mecanismos de transporte de humedad a nivel de segmentos
de poro, algunos de ellos ampliamente estudiados en la bibliografía y otros son tema de
permanente estudio, sino que además se puede obtener información acerca de la
distribución de fluidos al interior de productos a secar, como a su vez información de los
coeficientes de difusividad efectiva que dependen del contenido de humedad y de los
mecanismos que en cada momento estén operando.
El autor de este proyecto en el marco de su tesis doctoral desarrolló un modelo de secado
isotermal de un material no-higroscópico que captura la esencia de experimentos
desarrollados en el secado de hexano en micromodelos 2D fabricados en plexiglás. La
esencia de este modelo es que, a partir de principios físicos fundamentales, es capaz de
capturar la naturaleza y comportamiento de un material poroso sometido a un proceso de
secado. En el modelo se consideran dos mecanismos, el de evaporación y el de flujo
líquido o hidráulico, de igual manera se determina la saturación líquida en toda la red no
sólo en cuerpos de poro u gargantas llenas de líquido, sino también en las esquinas de los
poros que permanecen con líquido residual durante el secado.
Este proyecto es concebido como una continuación natural del trabajo desarrollado por el
autor en el marco de su proyecto de tesis doctoral.
El trabajo hasta ahora desarrollado considera el secado de un líquido puro. Luego el
objetivo general de este trabajo consiste en desarrollar e implementar un modelo
microscópico, a nivel de segmentos de poro, del proceso de secado, con fuerte carácter
predictivo, en base al modelo previamente desarrollado y que involucre la presencia de
materiales sólidos (sales) disueltas en el líquido, incorporando de esta manera otros
fenómenos físicos (mecanismos de transporte, solubilidad, cristalización, etc.) en el secado.
La metodología a desarrollar considera: (1) determinar la configuración y estabilidad de
fluidos en espacios porosos; (2) determinar la solubilidad y distribución de los sólidos en la
matriz porosa; (3) el desarrollo e implementación del modelo de secado; (4) la obtención de
perfiles de concentración de sólidos en la red a medida que el secado avanza; (5) estudiar
de sensibilidad de tamaño de red, condiciones de borde y condiciones de operación del
secado; (6) determinación de Propiedades de Transporte y Curvas de Secado; (7)
determinar la influencia de varios factores en las propiedades de transporte y curvas de
secado; (8) realizar experimentos de secado en Micromodelos.
En este trabajo se espera que conociendo la solubilidad de las sales disueltas en el líquido,
así como los mecanismos de transporte que intervienen en el secado, sea posible determinar
la concentración y distribución tanto de los sólidos disueltos como de los sólidos que
cristalizan durante el proceso de secado en la matriz porosa considerada en el estudio. La
idea es complementar el modelo de secado previamente desarrollado con nuevos
mecanismos de transporte y fenómenos físicos involucrados. En la medida en que se
estudie estos fenómenos a partir de primeros principios, es posible plantear un modelo
general que permita finalmente controlar las variables que producen diferentes efectos en el
secado de materiales porosos. Finalmente se plantea que es posible desarrollar códigos en
2D y 3D a través del método de Monte Carlo que permita capturar la esencia de los
fenómenos planteados.