FENOMENOS DE TRANSPORTE Las Industrias Químicas

FENOMENOS DE TRANSPORTE
Las Industrias Químicas existían mucho antes de que la profesión de Ingeniero Químico
fuera reconocida. La tecnología de cada industria se miraba como una rama especial del
conocimiento, y las personas que realizaban el trabajo que hoy hace el Ingeniero Químico
eran entrenadas como Químicos, Ingenieros Mecánicos y Técnicos. Los primeros cursos de
Ingeniería Química se orientaron al estudio de la tecnología industrial. Estos cursos se
modificaron rápidamente con la introducción del concepto de Operación Unitaria. Estos
surgieron de la observación de la similitud en los cambios físicos que ocurrían en industrias
químicas bastante dife-rentes. Así, se reconoció que la evaporación de un líquido desde una
solución seguía los mismos principios independientemente de si el proceso era fabricar
azúcar o un fertilizante. De esta manera la evaporación se convirtió en una de las primeras
operaciones unitarias en reconocerse. Muchas otras etapas alcanzaron el grado de operación
unitaria, tales fueron: flujo de fluidos, transferencia de calor, humidificación, secado,
destilación, absorción gaseosa, extracción, molienda y tamizado, cristalización, filtración,
mezclado, etc.
Cuando se comprendieron mejor las operaciones unitarias, se evidenció que no eran entes
diferentes. La filtración era claramente un caso de flujo de fluidos, la evaporación una
forma de transferencia de calor, la extracción y la absorción gaseosa involucraban
transferencia de masa. El secado y la destilación se reconocieron como operaciones en las
cuales, tanto la transferencia de masa como la de calor presentaban importancia. Se puede
entonces considerar las operaciones unitarias como casos especiales o combinaciones de
transferencia de calor, transferencia de masa y flujo de fluidos. Los ingenieros se refieren a
estos tres últimos eventos como Fenómenos de Transporte y son la base de las operaciones
unitarias.
Fenómenos de transporte, es pues el nombre colectivo que se da al estudio sistemático e
integrado de tres áreas clásicas de la ciencia de la Ingeniería:
1. Transporte de Energía o Calor.
2. Transporte de Masa o Difusión, y
3. Transporte de Cantidad de Movimiento o Impulso (Momentum en Ingles), o
Dinámica de Fluidos.
Si las características físicas de un problema conducen a relaciones matemáticas (ecuaciones
diferenciales, leyes de flujo y condiciones límite) similares para transferencia de calor y
transferencia de masa, se dice que hay una analogía entre los problemas de calor y masa.
Intercambiando cantidades análogas (tales como difusividades) podemos usar la solución
conocida de un problema en transferencia de calor para obtener la solución de un problema
en transferencia de masa o al contrario. Lo mismo puede hacerse si hablamos de transporte
de impulso y calor o transporte de impulso y masa.
El uso de analogías hace el proceso de aprendizaje más sencillo y debido a estas similitudes
podemos estudiar tres temas (transferencia de calor y de masa y dinámica de fluidos) como
si fuesen uno.
En la práctica posibilita tomar medidas experimentales en un sistema (digamos calor) para
obtener información sobre otro (masa o impulso).
El estudio de los fenómenos de transporte se ha realizado tradicionalmente comenzando por
el transporte de cantidad de movimiento, luego el transporte de energía y finalmente el
transporte de masa. Para cada proceso de transporte, tópicos como el transporte molecular,
los balances en límites planos o curvos y el transporte multidimensional se discuten en
forma tal que las similitudes y analogías entre los procesos de transporte pueden inferirse.
Se derivan entonces las ecuaciones diferenciales generalizadas del cambio, generalmente
expresadas en notación vector-tensorial. Luego el estudiante aprende como simplificar estas
ecuaciones para casos físicos específicos.
Una organización alternativa es tomar los tópicos similares para los tres fenómenos en
forma simultánea. Esta alternativa presenta las siguientes ventajas:






Las analogías se pueden explotar completamente reduciendo la repetición.
Las limitaciones de, y las excepciones a, las analogías, pueden relievarse.
Los tópicos más elementales, tales como transporte unidimensional, pueden
abordarse inicialmente.
El significado físico de términos tales como difusión, convección, generación y
acumulación en las ecuaciones de los balances generales pueden ilustrarse
inicialmente por medio de ejemplos físicos simples, sin la complicación de
ecuaciones generalizadas.
Las ecuaciones multidimensionales generalizadas pueden derivarse como una
extensión lógica del transporte unidimensional y como la incorporación en forma
general de los términos previamente ilustrados.
La simplificación de las ecuaciones multidimensionales puede verificarse así para
casos específicos con una completa apreciación de su significado.
Como consecuencia de este orden, el difícil tema de transporte laminar de cantidad de
movimiento puede tratarse después del más familiar e intuitivo (para el estudiante) de la
conducción de calor. De esta forma el transporte molecular unidimensional de la cantidad
de movimiento en el flujo de Couette se demuestra como análogo a la conducción de calor
unidimensional. Luego a través de la ley de Newton del movimiento, se demuestra la
relación entre flujo de cantidad de movimiento y esfuerzo viscoso y se discute el
significado físico del mismo.
Así pues, para demostrar las analogías entre los procesos de transporte, se propone estudiar
cada proceso en paralelo, en lugar del transporte de impulso primero, luego el transporte de
energía, y finalmente el transporte de masa. Colateral a mejorar la comprensión, existen
otras razones pedagógicas para no usar el estudio en serie tradicional: de los tres procesos,
el concepto y las ecuaciones involucradas en el estudio del transporte de cantidad de
movimiento son las más difíciles de entender y usar por parte del principiante.
Debido a que es imposible cubrir completamente el transporte de calor y masa sin un previo
conocimiento del transporte de impulso, en el método en serie se fuerza a tomar el tema
más difícil (transporte de impulso) primero. De otra parte, si los temas se estudian en
paralelo, el transporte de cantidad de movimiento se hace más comprensible haciendo
referencia al tema más familiar de transferencia de calor. Además, el tratamiento en
paralelo permite estudiar los conceptos más sencillos primero y avanzar más tarde a las
ideas más difíciles y abstractas.