Límite de fase
Un límite de fase designa la superficie de separación entre dos fases termodinámicas. En esta interfaz, las propiedades de la materia cambian bruscamente. Los límites de fase típicos son sólido-gas, sólido-líquido y líquido-gas.
En la tecnología de materiales a granel, los límites de fase no suelen presentarse como superficies lisas. Están distribuidos espacialmente y varían en el tiempo. La causa es la gran superficie específica de los polvos, aglomerados y partículas porosas. Por ello, la superficie efectiva de la interfaz de fase es muy grande, aunque el material a granel parezca macroscópicamente compacto.
En el caso de los materiales a granel secos, existe una interfaz de fase entre las partículas sólidas y la fase gaseosa circundante. Esta interfaz sólido-gas determina la transferencia de calor durante la atemperación, así como la transferencia de masa durante el secado. Su tamaño se ve influido por el tamaño de las partículas, la porosidad y la mezcla.
Durante la atemperación, la transferencia de calor se produce a través de la interfaz entre la superficie de las partículas y el fluido caloportador. El flujo de calor se puede describir de forma general mediante:
Q̇ = α A_PB (T_fluido − T_sólido)
- Q̇ es la tasa de transferencia de calor
- α es el coeficiente de transferencia de calor
- A_PB es la interfaz de fase efectiva
- T_fluido es la temperatura del fluido
- T_sólido es la temperatura del sólido
Una mezcla intensa aumenta la interfaz de fase efectiva utilizada y mejora la transferencia de calor. En el secado al vacío, la interfaz se encuentra entre la humedad líquida dentro o sobre la partícula y la fase gaseosa circundante. En esta interfaz tiene lugar la transición de fase de líquido a vapor. El flujo de masa a través de la interfaz viene determinado por el gradiente de presión de vapor:
ṁ ∝ A_PG (p_vapor,liq − p_vapor,gas)
- ṁ es la tasa de transferencia de masa en función del tiempo
- ∝ es el signo de proporcionalidad
- A_PG es la superficie de interfaz efectiva
- p_vapor,liq es la presión de vapor del líquido en la superficie de la partícula
- p_vapor,gas es la presión de vapor en la fase gaseosa
Al reducir la presión ambiental, se reduce el punto de ebullición y se acelera la transferencia de masa. Durante la evaporación y la evaporación por calentamiento, la interfaz líquido-gas constituye el límite de fase. Aquí tienen lugar simultáneamente la transferencia de calor y la transferencia de masa. El calor aportado se transforma en entalpía de evaporación en el límite de fase:
Q̇ = ṁ_vapor Δh_v
- Q̇ es la tasa de transferencia de calor
- ṁ_vapor es el caudal másico de la sustancia evaporada
- Δh_v es la entalpía de evaporación específica
En los materiales a granel, este límite de fase puede situarse en la superficie de las partículas o dentro de estructuras porosas y desplazarse continuamente durante el proceso.
La ubicación, el tamaño y la accesibilidad del límite de fase influyen de manera decisiva en la eficiencia de los procesos de atemperado, secado y evaporación. Determinan el consumo de energía y la calidad del producto. Mediante la mezcla, el aflojamiento o la aglomeración selectiva, se puede influir de manera específica en la interfaz de fase efectiva.