Coeficientes de transferencia de masa y calor de sólidos al aire dentro de las camas

Se ha prestado poca atención en la literatura de SSF a la efectividad del calor y la transferencia de masa entre las fases de sólidos y gas dentro de un lecho de partículas sólidas húmedas. Sin embargo, los estudios de secado de productos agrícolas han llevado a ecuaciones que posiblemente pueden adaptarse para sistemas de SSF.

En su modelo de dos fases de transferencia de calor y masa en un biorreactor de lecho fijo, von Meien y Mitchell (2002) utilizaron las correlaciones que se habían determinado para el secado del maíz.

donde «ha» tiene las unidades de J s^-1m^-3° C^-1, G es el flujo de aire que pasa por la cama (kg-aire m^-2s^-1), Tg es su temperatura (° C), y P es la presión (Pa). Tenga en cuenta que las unidades de «ha» son diferentes de las indicadas para h en esta ecuación:

y esa «ha» multiplicada por una fuerza impulsora da la tasa de transferencia global por metro cúbico de volumen de lecho. Este conjunto de unidades se usa para «ha», ya que el área de transferencia de calor en el lecho es imposible de medir con precisión y, por lo tanto, el efecto del área se combina con el coeficiente de transferencia de calor subyacente como una sola variable. Por el contrario, el volumen total de la cama es simple de medir y, cuando la cama se empaqueta de cierta manera, cada volumen de la cama tendrá una cierta área interfacial. Como resultado, aunque el área a través de la cual se produce la transferencia de calor no se conoce explícitamente, de hecho se tiene en cuenta. Potencialmente, una ecuación como en la primer ecuación que mostramos podría incluir la densidad de empaquetamiento del lecho como variable, aunque la dependencia de «ha» de la densidad de empaquetamiento debería determinarse empíricamente.

De manera similar, el coeficiente de transferencia de masa de agua entre las fases sólida y gaseosa, que aparece en

está dada por una ecuación empírica determinada para el secado de maíz.

donde T_ges la temperatura del gas (° C), W es el contenido de agua en sólidos (kg-agua kg-sólidos secos^-1) y «Ka» tiene unidades de kg-H₂O s^-1m^-3(kg-H₂O kg-sólidos secos^-1). Las unidades entre paréntesis son las unidades de la fuerza motriz, de modo que el kg-H₂O se cancela, dando las unidades de «Ka» como kg-sólidos secos s^-1m^-3. Al igual que con «ha», «Ka» está relacionado con la velocidad de transferencia global por metro cúbico de volumen de lecho. En algunos experimentos de informó de un coeficiente de transferencia de masa para el agua de 0.00492 m s^-1(presumiblemente estas unidades son kg-H₂O s^-1m^-2(kg-H₂O m^-3) ^-1). Sin embargo, tal valor solo se vuelve útil si hay una estimación disponible del área superficial para la transferencia de masa dentro de la cama.

Coeficientes de transferencia entre lecho y espacio superior

La transferencia de calor y masa del lecho al espacio superior es de crucial importancia en los tambores rotativos, mientras que en los biorreactores con aireación forzada generalmente se ignora ya que se supone que el aire que sale de la cama se va a la temperatura de la cama y no interactúa más con la cama antes de salir del biorreactor. Tenga en cuenta que la velocidad de transferencia depende de la fuerza motriz, y la fuerza motriz puede variar de forma compleja con la posición debido a los complejos patrones de flujo que se producen con el espacio superior del tambor. Además, estos patrones de flujo y el valor resultante del coeficiente de transferencia pueden depender de cómo se opera el tambor, especialmente la tasa de rotación y la tasa de aireación. Por lo tanto, no es una cuestión fácil determinar los coeficientes de transferencia de la base a la parte superior.

Asumiendo que el espacio de cabeza de su biorreactor de tambor giratorio estaba bien mezclado, en algunos procesos se utilizaron estos datos para estimar el coeficiente de transferencia de calor del lecho al espacio de cabeza (h_bg, J s^-1m-2 ° C ^-1):

donde D es el diámetro del tambor (m), L es la longitud del tambor (m), S es la fracción de la velocidad crítica, F es el caudal de entrada de aire (kg-aire seco ^-1), y H_ines la humedad del aire de entrada (kg-vapor kg-aire seco^-1).

Para flujo pistón del aire, potencialmente se puede usar para estimar h_bg. Por otro lado, una idea, de lo que es necesario para determinar los coeficientes de transferencia lecho-cabeza en un biorreactor de tambor rotativo en el que no se producen ni los regímenes bien mezclados ni los flujos de tapón,  es dada por el control de la humedad de salida de un tambor de 200 L con un lecho de salvado de trigo húmedo en diferentes condiciones de funcionamiento. Mediante el uso de un modelo matemático de los patrones de flujo (que se ha desarrollado sobre la base de estudios de distribución del tiempo de residencia para describir el patrón de flujo

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para deducir el valor del coeficiente de transferencia, «ka», que es un coeficiente global de transferencia global (es decir, el término del área no se determinó por separado).

Tenga en cuenta que definieron «ka» de tal manera que tienen unidades de s^-1, ya que se utilizó en combinación con concentraciones adimensionales de vapor de agua en el aire del espacio de cabeza. La concentración adimensional de vapor de agua se calculó a partir de la humedad (H, kg-H₂O kg-aire seco^-1) como