INSTABILITATI INTERFACIALE

INSTABILITATI INTERFACIALE

In sistemele lichid - lichid sau gaz - lichid turbulenta poate sa apara la interfata si din alte cauze decat cresterea vitezelor de circulatie a fazelor. Este vorba despre turbulenta interfaciala, spontana, observata experimental acum mai mult de un secol.

In conditii de turbulenta interfaciala creste viteza transferului de masa prin interfata. Un astfel de efect poate fi folosit pentru intensificarea proceselor de distilare (rectificare), absorbtie si extractie. Turbulenta interfaciala se poate datora si prezentei unei reactii chimice in sistem, caz in care trebuie luati in considerare factori de transport si de cinetica de reactie. Este deci, esential sa se realizeze un set de criterii in functie de a carui valoare sa se poata prevedea domeniile de variatie ale parametrilor pentru care se manifesta turbulenta interfaciala.

Sunt cunoscute numeroase sisteme care prezinta turbulenta interfaciala spontana atat la interfata lichid - lichid cat si gaz - lichid. O trecere in revista a acestor fenomene ii apartine lui Davies (1972). Cateva exemple care pot fi date sunt:

daca o solutie de 10% metanol in toluen este pusa fara agitare deasupra apei, apa ramane clara, dar in faza organica apare o emulsie. Cand se foloseste o solutie 40% metanol in toluen, faza organica ramane clara si emulsia apare in faza apoasa;

daca un strat de izobutanol continand acid clorhidric este asezat lent pe o solutie apoasa amoniacala saturata cu izobutanol, nu numai ca apar miscari interfaciale, dar dupa 30 secunde sau chiar mai repede apar picaturi de apa in faza de alcool care cresc, coboara spre interfata si apoi "explodeaza". De altfel, experiente cu picatura care sare sunt mult mai numeroase.

Calitativ s-a constatat ca astfel de fenomene depind de proprietatile celor doua faze, de natura solutului si chiar de sensul in care are loc transferul de solut. Au mai fost puse in evidenta astfel de fenomene si in prezenta agentilor superficial - activi.

Ca structura organizata sitemele cu instabilitatile interfaciale fac parte din categoria structurilor disipative studiate in primul rand de termodinamica proceselor ireversibile ale carei baze teoretice au fost puse de Prigogine, Glandsdorff si Nicolis (Prigogine, 1955; Nicolis si Prigogine, 1977; Glandsdorff si Prigogine, 1978).

Ca parte a termodinamicii proceselor ireversibile, ingineria chimica se ocupa, intre altele, si cu studiul oricarui reactor, intelegand prin acesta un sistem macroscopic departe de echilibru in care are loc transportul si transformarea speciilor. Evolutia unui reactor implica trei tipuri de procese: transformarea interna, transportul intern si transport extern sau schimb cu mediul. Un model de reactor poate fi scris intr-o forma generala de tipul:

(1.79)

unde:

- vectorul de stare cuprinzand concentratiile tipurilor care interactioneaza si alte

variabile cum ar fi: temperatura sau potentialul; - vectorul valorilor functiei

cinetice; iar a - operatorul de transport, care descrie un proces de transport intern.

De obicei, fiind vorba de cinetica chimica functia reflecta transformarile speciilor chimice. In principiu, toate tipurile de procese descrise de modelul reactorului pot deveni sursa unei comportari dinamice complicate departe de echilibru.

Daca ne referim la cinetica chimica, sursele de neliniaritate pot proveni din autocataliza, conexiune inversa si cvasistationaritate descrise pe larg in literatura (Gurel si Gurel, 1984). Se cunosc numeroase exemple de reactie a caror cinetica este puternic neliniara, conducand la oscilatii periodice intretinute sau la oscilatii haotice, in functie de conditiile de perturbare.

In afara instabilitatilor cinetice se pot intalni si instabilitati de transport, provocate de orice mecanism de transport capabil sa destabilizeze distributia spatiala uniforma a marimii transferate. In aceasta categorie intra instabilitatile hidrodinamice, cum ar fi vartejurile Taylor si instabilitatile termice cum ar fi fenomenul Bénard.

In anumite cazuri, instabilitatile pot fi provocate de interactiunea termenilor de cinetica si de transport, deoarece numai cinetica sau numai termenii de transport nu ar putea explica comportarea dinamica neobisnuita. Oscilatiile lui Torell prin membrane poroase schimbatoare de ioni pot intra in aceasta categorie (Teorell, 1954, citat de Franck, 1970).

Instabilitatile interfaciale pot avea drept cauza transferul de caldura si/sau masa cu sau fara reactie chimica si/sau eforturi de forfecare in sistemul bifazic la interfata.

Teoriile de stabilitate, aplicate pentru a descrie pe larg aceste fenomene, utilizeaza ecuatiile Navier - Stokes, legile care guverneaza transportul de materie si caldura si conditii la limita, in special referitoare la hidrodinamica sistemului.

In incercarea de sistematizare a fenomenelor de instabilitate interfaciala, descrise pana acum in literatura, s-a ales drept criteriu de clasificare forta motoare care determina aparitia lor. Din acest punct de vedere se poate discuta despre:

a) instabilitati cauzate de eforturi de forfecare in sisteme bifazice (efectul Linde);

b) instabilitati cauzate de transferul de caldura (efectul Bénard);

c) instabilitati cauzate de transferul de masa (efectul Gibbs - Marangoni).

Aceasta clasificare prezinta cazurile extreme, deoarece in realitate de cele mai multe ori, apar efecte conjugate datorita existentei mai multor surse de instabilitate in sistem. De exemplu, din cuplarea efectelor termice cu cele de transfer de masa se poate discuta despre efectul Bénard - Marangoni.

De asemenea, efectul Linde poate fi considerat un caz particular al efectului Marangoni.