Difusividad efectiva en medios porosos con microestructura heterogénea Öffentlichkeit Deposited
En este trabajo se aborda el estudio de transporte por difusión de sustancias a través de medios porosos con microestructura heterogénea, comenzando con el estudio de las ecuaciones de medio efectivo para desarrollar el problema de cerradura local con significado físico para calcular el tensor de difusividad efectiva, el cual se obtiene de cerrar la ecuación de difusión macroscópica mediante el escalamiento de las ecuaciones microscópicas aplicando el me todo de promedio volumétrico (VAM) por sus siglas en inglés, resaltando la implicación de uso de condiciones periódicas con respecto al uso de otro tipo de condiciones en la frontera en el orden de capturar el efecto de la microestructura en el transporte de sustancias. Se realizó el desarrollo de la expresión matemática para el cálculo de coeficiente mediante el planteamiento de problema de difusión en términos de variables de concentración local y su solución a partir de simulaciones a escala del poro (PSS) por sus siglas en ingles. Posteriormente, se realizó una comparación entre el modelo a partir del problema de difusión con respecto al modelo a partir de VAM correspondiente a la ecuación de difusión macroscópica. Se extiende el estudio al caso de difusión reacción en catalizadores heterogéneos porosos que se visualizan como sistema multiescala dado que satisface una disparidad de escala entre el tamaño promedio de poros con respecto a longitud característica de partícula, donde se plantea y resuelve el problema de difusión reacción para tres tipos de geometrías en régimen estacionario analizando el efecto de distribución de difusividades efectivas en el factor de efectividad y módulo de Thiele, así como el problema de difusión reacción en régimen transitorio con la finalidad de evaluar el impacto de coeficiente de difusividad efectiva en la distribución espacial y temporal de concentración. Se realiza el análisis de efecto de presencia de asimetría en la microestructura en el coeficiente de difusión de sustancias causando la formación de zonas con puntos máximos y mínimos locales de concentración, comparando los modelos PSS, PCL, analizando la confiabilidad de las soluciones numéricas mediante criterio de convergencia de malla. Se estudia la anisotropía en medios porosos, analizando las componentes normal y tangencial del tensor de difusividad efectiva, a partir imágenes de microscopia electrónica de barrido (SEM) de material polimérico con aplicación en columnas cromatografías confirmando la presencia de distribución asimétrica de concentración. Se analiza el efecto de distribución heterogénea de la microestructura, mediante la generación de microestructuras generadas aleatoriamente considerando tres tipos de geometría de fase sólida. De esta manera, para un mismo valor de porosidad la difusividad efectiva toma un rango de valores, resultando en una distribución de difusividades efectivas en función de la microestructura del medio. Posteriormente se estudia su efecto en el factor de efectividad a través del módulo de Thiele. Cerrando el estudio con el análisis de distribución de concentración en estado transitorio para el problema de difusión y reacción; comparando el valor mínimo de difusividad efectiva con el valor máximo calculado a partir de las simulaciones, lo cual se encontró, influye en el rendimiento de la reacción y espacio ocupado por la reacción en la región de medio poroso. Este trabajo aporta conocimiento a nivel fundamental de coeficiente de difusividad efectiva en procesos de escalamiento, su efecto en el factor de efectividad y módulo de Thiele, clarifica el uso de condiciones de frontera apropiadas para reducir el margen de error en el cálculo de coeficientes de medio efectivo en sistemas complejos donde es difícil identificar una celda unitaria representativa.
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2025-11-24 | Öffentlichkeit |
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