Predicción de coeficientes de difusión en soluciones refrigerantes multicomponentes

TELLO ALONSO, HA; RUBIOLO, AC; ZORRILLA, SE

Mar del Plata

Congreso; VI Congreso Argentino de Ingeniería Química; 2010

Asociación Argentina de Ingenieros Químicos

El proceso de enfriamiento y/o congelación por inmersión (ICF) consiste en someter al alimento a bajas temperaturas usando soluciones acuosas concentradas, las cuales suelen referirse como refrigerantes secundarios. En estas soluciones, generalmente se usan compuestos inorgánicos (por ej., NaCl, CaCl2) o compuestos orgánicos (por ej., azúcar, etanol). El proceso ICF está asociado a elevadas velocidades de transferencia y a menores costos anuales en comparación con otras alternativas de enfriamiento, entre otras ventajas. En el caso de las soluciones multicomponentes, es posible trabajar con temperaturas de congelación menores; además, desde el punto vista de la formulación de alimentos, esta tecnología es potencialmente útil para el ingreso de solutos de interés desde el medio refrigerante hacia el alimento. A pesar de las ventajas mencionadas, no existen modelos matemáticos para representar los fenómenos de transferencia que ocurren en el proceso ICF cuando se usan soluciones multicomponentes. Una de las propiedades críticas para completar la formulación matemática es el coeficiente de difusión. A medida que aumenta la concentración y el número de componentes en una solución, los modelos de predicción de coeficientes de difusión son más inexactos y los datos experimentales, más escasos en la bibliografía. Esto se debe fundamentalmente a que son sistemas no ideales, aumentando el problema cuando se consideran multicomponentes de cualquier naturaleza eléctrica. Por lo tanto, el objetivo de este trabajo fue desarrollar un modelo para la predicción de coeficientes de difusión, particularmente de interés en ICF. En la formulación del modelo, se usaron las ecuaciones generalizadas de Stefan-Maxwell (SM). Estas ecuaciones consideran coeficientes de difusión binarios de SM asociados a las interacciones entre los diferentes tipos de componentes del sistema, los cuales dependen de la temperatura y pueden ser obtenidos experimentalmente. Por otro lado, estas ecuaciones también consideran la situación de no idealidad a través de una apropiada definición de las fuerzas impulsoras intervinientes. En el caso de soluciones de electrolitos, la fuerza impulsora generalizada es función del gradiente de potencial químico y del gradiente de potencial eléctrico. Estos gradientes pueden expresarse en función de los coeficientes de actividad, cantidades importantes en el caso de sistemas no ideales. En la predicción de estos coeficientes se usó el modelo de UNIQUAC extendido. Para validar el modelo, se usaron datos experimentales de la bibliografía para mezclas electrolíticas con potencialidad de ser usadas industrialmente en ICF. Se usaron datos de coeficientes de difusión fickianos de los sistemas binarios NaCl-H2O (24 datos experimentales) y KCl-H2O (21 datos experimentales) y el ternario NaCl-KCl-H2O (20 datos experimentales). Los resultados fueron satisfactorios, obteniéndose para el caso de soluciones binarias errores menores al 13% y para la solución ternaria errores menores al 12% para el caso de los coeficientes principales. En conclusión, si se dispone de los coeficientes de SM y los parámetros del modelo de UNIQUAC, las ecuaciones obtenidas permiten predecir los coeficientes de difusión para un sistema multicomponente y estos resultados se podrían extender a los rangos de concentración y temperatura usuales de ICF, para los cuales no existe información disponible en la bibliografía.