Operaciones unitarias Unidad I

Transporte de Fluidos

Realizado por: Bermúdez Raúl

Dentro de los diferentes procesos químicos e industriales existe la necesidad de transportar fluidos (líquidos y gases) de un lugar a otro utilizando para ello ductos o canales. Este movimiento se logra por medio de una transferencia de energía.

Para ellos se utilizan equipos denominados "bombas" y "compresores". Por convenición se habla de bombeo cuando se trata de líquidos y de compresión cuando se trata de gases, sin embargo los principios de funcionamiento de los equipos son básicamente los mismos.

Transporte de fluidos

Aplicando el Principio de la conservación de la masa a dos puntos de una canalizacion se llega a que la cantidad de materia que pasa por ambos puntos en la unidad de tiempo es la misma

A1 V1 1 = A2V22 En función de volumen especifico se tiene

=

Principio de la conservación

El producto de A*u=Q se denomina gasto caudal

la relación u/v=G se denomina velocidad másica y

el cociente Q/v=W se domina como flujo de masa:

W= A1G1 = A2G2

Ecuación de Bernoulli describe el comportamiento de un fluido

moviéndose a lo largo de una corriente de agua. Fue expuesto por Daniel Bernoulli en su obra Hidrodinámica (1738) y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en régimen de circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido.

Ecuaciones generales de flujo

para la aplicación de las ecuaciones es necesaria la evaluación de la fricción

Hf = fL

f: factor o coeficiente de fricciónL: longitud total de la canalizaciónD: diámetroV: velocidad lineal media

El estudio del mecanismo de la circulación de fluidos no lleva a considerar dos tipos de flujo

LAMINAR-VISCOSO Cuando el flujo es paralelo a las paredes en

cualquier punto que consideremos turbulento

Perdidas por Fricción

Se llama flujo laminar o corriente laminar, al movimiento de un fluido cuando éste es ordenado, estratificado, suave.

En un flujo laminar el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse y cada partícula de fluido sigue una trayectoria suave, llamada línea de corriente.

El flujo laminar es típico de fluidos a velocidades bajas o viscosidades altas

Laminar

Cuando el flujo es paralelo a las paredes en cualquier punto que consideremos turbulento

corriente turbulenta al movimiento de un fluido que se da en forma caótica, en que las partículas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partículas se encuentran formando pequeños remolinos periódicos, (no coordinados) como por ejemplo el agua en un canal de gran pendiente. Debido a esto, la trayectoria de una partícula se puede predecir hasta una cierta escala, a partir de la cual la trayectoria de la misma es impredecible, más precisamente caótica.

Turbulento

Un sistema de tuberías en paralelo está formado por un conjunto de tuberías que nacen en un mismo punto inicial y terminan en un único punto final.

El caudal total del sistema, es la suma de los caudales individuales de cada una de las tuberías (ecuación de continuidad)

La pérdida de carga total del sistema es igual a la pérdida de carga de cada una de las tuberías: Donde  y  son las pérdidas primarias y secundarias en cada una de las tuberías del sistema.

Donde   y    son las pérdidas primarias y secundarias en cada una de las tuberías del sistema.

tuberías en paralelo

Sistema de 3 tuberías en paralelo entre A y B

Cálculo y resoluciónLa resolución de estos sistemas, se basa en: Considerando las perdidas de carga locales

en accesorios (los cálculos son muy engorrosos)

NO considerando estas perdidas (se asume que estas corresponden a cierto porcentaje de la longitud de la tubería, de esta manera la longitud de la tubería es neta y mayor a la longitud real de la tubería)

En cualesquiera de los casos, se hace amplio uso del teorema de oros

La resolución de sistemas de tuberías en paralelo, emplea formulas tales como la formula de Darcy-Weisbach (esta formula es la más completa, incluyendo todos los factores importantes de las tuberías). Otras formulas de naturaleza empírica son: fórmula de Manning, Hazen-Williams, Kutter y otras.

El Numero de Reynolds nos indica el tipo de flujo, si es mayor de 2100 es turbulento, si es menor es laminar

Para flujo laminar: = 0,5

Para flujo turbulento: = 0,81

Numero de Reynolds

se refiere a la perdida por fricción para una tubería recta a lo largo de una longitud considerando que la tubería no tiene ningún tipo de accesorios

Coeficiente de fricción: cuando se trata de régimen laminar se puede calcular con: F=

Longitud equivalente

para el régimen turbulento se determina en función a Re y de la rugosidad relativa. Conociendo ya estos se puede calcular el coeficiente de fricción con ayuda de una tabla o mediante de algunas ecuaciones

4f=0,0057+0,500 (Re) – 0,32=2,0 Log (Re) - 0,80

F=0,0140+1,056 Re -0,16F=0,16(Re) -0,46

régimen turbulento

el transporte de fluidos mediante tuberías , sean fluidos líquidos como el agua, petróleo, gasolina., o gaseosos como el aire, vapor, metano. requieren el control de flujo, su regulación, o impedir que este se pueda retornar en contra del sentido de circulación, muchas veces también se requiere poder mantener el flujo a una determinada presión o liberar el exceso de presión cuando esta sobrepasa ciertos limites de seguridad.

Tuberías Y accesorios

Para todas estas funciones se utilizan las válvulas, las cuales, intercaladas convenientemente en las tuberías cumplen a cabalidad el fin para el que se las ha elegido en principio la elección es simple. para ellos se debe tener en cuenta su capacidad, la clase de fluido, su temperatura, la clase y tipo de tubería en la cual se debe instalar, la forma de realizar las conexiones, la manera de como se va a operar y, finalmente, las facilidades para su buena maniobra.

Válvulas

Una instalación fabril consume 40 m3/h de agua que toma de un río próximo situado a 15m de desnivel del depósito de la fábrica. Calcúlese el costo diario de bombeo si el agua se conduce a través de una tubería de 3’’ y de 240m de longitud total, incluyendo los accesorios. El kilovatio – hora cuesta 0,30 ptas, yel rendimiento es del 80%.DATOS:Tubería de 3’’Q= 40 m3/h = 0.0111 m3/sΔZ= –15 mL=240mkW-h = 0.3 ptasRendimiento = 80%  Hallando la velocidad D = 0.0779 m  u== =2,329A = 0.00477 m µ= 0.00089 Kg/m.s 

PROBLEMAS DE TRANSPORTE DE FLUIDOSPRIMERA

–Hallando el índice de Reynolds: Re=== 2,04x10³ E/D= 0,0006 F=0,0195

Hallando la carga de fricción

Hf= f==16,61 m

Para concentrar una disolución de ClN a se bombea desde un depósito almacén hasta un evaporador, a través de una tubería lisa de cobre de 3 cm de diámetro interno, a razón de 150 m3/día. A la temperatura de bombeo la disolución tiene una densidad de 1150 Kg/m2 y su viscosidad es de 2.3 centipoises. Calcúlese:

a)La pérdida de presión por fricción si la longitud total de la tubería es de50m.

b)La potencia necesaria para vencer la fricción:

DATOS Tubería lisa de CuQ = 150 m3/dia

= 0.001736m3/sD = 3 cm = 0.03 m ρClNa=1150 Kg/m2 μ=2.3 cp = 0.0023 kg/m.sHallamos la velocidad:

Hallamos el indice de Reynolds:

Hallando el número de fanin en la figura 1-3, para un tubo liso f =0,022

Hallamos la carga por fricción

Hf= 12,114m Hallamos la perdida de presión por fricción: