OPERACIONES UNITARIAS

ECAESDescargar la Presentación en: http://ingenieria.uniandes.edu.co/profesores/ja.davila1982/doku.php?id=start

TEMAS

Diagramas en ingeniería

Mecánica de fluidos

Diagramas de Flujo

Diagramas de Tubería e Instrumentación

Representación 3D de procesos

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DIAGRAMAS DE BLOQUES

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Formados por corrientes y bloques.

Corrientes: dirección del flujo.

Bloques: Abstracción de unidades de proceso.

No incluye servicios auxiliares.

Comprensión general (entradas y Salidas).

Adecuados para balances de materia y energía.

DIAGRAMAS DE BLOQUES

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Diagrama de bloques de proceso

Producción de Benceno (HDA)

DIAGRAMAS DE BLOQUES

5Diagrama de bloques de planta

Producción de Alcohol carburante

DIAGRAMAS DE BLOQUES

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Refinería

DIAGRAMAS DE FLUJO

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Los diagramas de flujo de proceso “Process FlowDiagram” (PFD) contienen la informaciónnecesaria para el diseño de un proceso químico.

Los PFD comerciales contienen la siguienteinformación:1. Los equipos del proceso con nombre y número

2. Todas las corrientes de proceso identificadas

3. Todas las corrientes de servicios de los equiposprincipales

4. Los lazos de control básicos

DIAGRAMAS DE FLUJO

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La información contenida se organiza en trescategorías:

1. Iconografía de proceso (American National Standars InstituteANSI)

2. Información de corrientes de flujo

3. Información de los equipos

Ico

no

graf

ías

DIAGRAMAS DE FLUJO

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Información de los equipos

Tipo de Equipo

Torres: diámetro y altura, presión, temperatura,número y tipo de platos, altura de empaque y tipo,materiales de construcción.

Intercambiadores de calor: Tipo, Número de pasos enlos tubos y la coraza, materiales de construcción.

Bombas: Flujo, presión de descarga, temperaturas deoperación, materiales de construcción.

DIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESO

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Toda esta información suele combinarse

algunas veces utilizando banderas

dentro de los diagramas.

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DIAGRAMAS DE TUBERÍA E INSTRUMENTACIÓN (P&ID)

El P&ID (Piping and Instrumentation Diagrams) proveela información requerida para la planeación de laconstrucción de la planta.

Provee información de Equipos, Instrumentación yTubería de proceso y servicios industriales.

Toda la información que se mida en el proceso se representa a través de banderas circulares.

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DIAGRAMAS DE TUBERÍA E INSTRUMENTACIÓN (P&ID)

Topología, corrientes y estrategias de control

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P&ID

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DIAGRAMAS DE TUBERÍA E INSTRUMENTACIÓN (P&ID)

Alguna información que se muestra en los P&IDs es:

Detalles de bombas como tubería de calentamiento, filtros,venteos y drenajes, facilidades para lavado y líneas auxiliares.

Purga de equipos y líneas asociadas

Código de acabados externos

Símbolos de instrumentos de acuerdo a norma

Válvulas de control y de seguridad

Numeración de las líneas

Referencia a la continuación en otros diagramas

Elementos especiales de tubería

Qué es Mecánica de Fluidos?

¿Qué es mecánica?

La mecánica es el estudio de las fuerzas y movimientos

¿Que es mecánica de fluidos?

Es el estudio de las fuerzas y movimiento de los fluidos

DE QUE SE ENCARGA LA MECÁNICA DE FLUIDOS?

Hidráulica: el flujo deagua en riveras,tuberías, canales,bombas, turbinas, etc.

Aerodinámica: el flujo

de aire entorno a

aviones, rockets,

proyectiles,

estructuras, etc

DE QUE SE ENCARGA LA MECÁNICA DE FLUIDOS?

Meteorología: el fluir de laatmosfera (pronosticos).

Dinámica de partículas: el flujo de

fluidos en torno a partículas, la

interacción entre las partículas y el

fluido (sólidos en suspensión,

transporte neumático, lechos

fluidizados, etc).

DE QUE SE ENCARGA LA MECÁNICA DE FLUIDOS?

Combinatorios: flujoscon reacción química,fenómenoselectrostáticos,secado, destilación,etc.

Dominio viscoso: flujos

de lubricantes, inyección,

etc.

PILARES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS

Principio de conservación de masa

Primera ley de la termodinámica (principio de conservación de la energía) (U=Q-W)

La segunda ley de la termodinámica (dS/dt >= Q/T)

Ley de Newton (F = ma)

Complejidad & Números adimensionales

QUÉ ES UN FLUIDO??

Esfuerzo de cizalla(shear stress)

Esfuerzo = fuerza/superficie (Pa)

Cizalla o corte = tangente a la superficie.

Un fluido se define como una sustancia que se deforma

continuamente bajo la acción de un esfuerzo de corte,

por tanto en ausencia de este no habrá deformación.

CANTIDADES…Cantidad Definen Ejemplo

Escalar Magnitud Temperatura

Vectorial Magnitud y dirección Fuerza

Velocidad

Tensorial Magnitud y dirección

(9 componentes

escalares)

Esfuerzos

Deformaciones

Momentos de

inercia

PILARES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS

VISCOSIDAD

Propiedad de un fluido que mide suresistencia a fluir (con cizalla)

Tipos de viscosidad

Absoluta o dinámica

Cinemática

Viscosidad Cinemática (CSt) = Viscosidad Absoluta / Densidad

Absoluta

Representa la viscosidad dinámica dellíquido y es medida por el tiempo enque tarda en fluir a través de un tubocapilar a una determinadatemperatura. Sus unidades son elpoise o centipoise (gr/seg.cm), siendomuy utilizada a fines prácticos.

Cinemática

Representa la característica propia dellíquido desechando las fuerzas quegenera su movimiento, obteniéndosea través del cociente entre laviscosidad absoluta y la densidad delproducto en cuestión. Su unidad es elstoke o centistoke (cm2/seg).

dy

dV

TIPOS DE FLUIDOS

Fluidos Newtonianos:

Viscosidad constante con el tiempo.

Ejemplo: agua.

TIPOS DE FLUIDOS

Fluidos No Newtonianos:

Proporcionalidad variable entre esfuerzo y rapidez de deformación.

Ejemplo: Arcilla, leche, sangre, soluciones concentradas de azúcar, de almidón de maíz.

Almidón de Maíz

TIPOS DE FLUIDOS

Dependientes del tiempo

Tixotrópicos: plasma sanguíneo, polietileno fundido, látex, melazas y tintas.

Reopécticos: Clara de huevo y crema batida.

TIPOS DE FLUIDOS

Pseudoplasticos:

Disminución de la viscosidad y

esfuerzo con la velocidad de

deformación.

Alginato de Na en agua

Esmalte para uñas

Algunos plásticos

Algunas Salsas

TIPOS DE FLUIDOS

Dilatantes:

Aumento de la viscosidad y

esfuerzo con la velocidad de

deformación.

Masillas

Dioxido de titanio (pinturas)

Mezclas con alto contenido de solidos.

FLUJO POR CONDUCTOS

•Flujo laminar y turbulento•Pérdidas de energía por fricción•Tuberías•Válvulas•Accesorios

Flujo Laminar y Turbulento

Número de Reynolds alAdimension viscosaFuerza

inercial FuerzaRe

VLVL

Las fuerzas de fricción tratan de introducir rotación entre las partículas,

pero al mismo tiempo la viscosidad trata de impedir la rotación.

Flujo Laminar: Las partículas se desplazan pero no rotan (F. Viscosas >

F. Inerciales)

Flujo Turbulento: El gradiente de velocidad aumenta y se incrementa la

fricción, las partículas chocan entre si y cambian de rumbo. (F. Inerciales

> F. Viscosas)

Flujo Laminar y Turbulento

Número de Reynolds

¿Qué es velocidad crítica?

¿Qué tipos de flujo determina esta velocidad?

¿Cuáles son las características del flujo turbulento?

¿Qué relacionó OsborneReynolds para determinar el régimen flujo en tuberías? Diámetro de la tubería

Viscosidad del fluido

Densidad del fluido

Velocidad media del flujo

Flujo Laminar y Turbulento

Número de Reynolds

Lc = diámetro de la tubería (m)

V = velocidad media del flujo (m/s)

Ѵ = viscosidad cinemática en (centistokes)

Pérdidas de energía por fricción

Tipos de pérdidas

Perdidas mayores En tuberías

Perdidas menores

En accesorios y válvulas

La ecuación general de perdidas por fricción (Darcy - weisbach)

Flujo laminar

Pérdidas de energía por fricción

(Darcy - weisbach)

Flujo turbulento Número de Re

Rugosidad relativa de las paredes de la tubería ( )

Como el tipo de superficie interna comercial es prácticamente independiente del diámetro, la rugosidad de la pared tiene mayor efecto en el

factor de fricción para diámetros pequeños.

Diagrama de Moody

La información más útil y universalmenteaceptada sobre factores de fricción que seutiliza en la fórmula de Darcy, larepresenta el diagrama de Moody.

Diagrama de Moody

Pérdidas de energía por fricción

Efecto del uso y tiempo:

Las pérdidas por fricción en tuberías sonmuy sensibles a los cambios de diámetroy rugosidad

Para Q y f fijos, la perdida de presiónpor metro de tubería varíainversamente a la quinta potenciadel diámetro:

Reducción del 2% del diámetro,causa un incremento en la perdidade presión del 11%

Reducción del 5% incrementa el 29%

Con el paso del tiempo se puedeincrementar la rugosidad de una tuberíapor la aparición de corrosión eincrustaciones (material de la tubería +fluido)

Después de 3 años de uso moderado deuna tubería de acero galvanizado de 4”,esta duplico su rugosidad e incremento elfactor de fricción en un 20%.

TuberíasConsideraciones

Propiedades del fluido

Corrosividad

Condiciones de servicio

Presión

Ambientes corrosivos

Cargas internas

Cargas externas

Asentamiento

Etc

Tuberías - selección

Parámetros que afectan a la elección de una tubería

• Rugosidad (punto de vista hidráulico)

La elección no es obvia ni única:

• Costo

• Facilidad de transporte

• Facilidad de montaje

• Resistencia a las cargas internas y externas

• Protección requerida

• Envejecimiento con el tiempo

• Mantenimiento

• Vida prevista exigida

• Tradición de uso

• Normativa

Tuberías - selección

Cédula de una tubería

¿Qué es la cédula, catálogo o thickness?

El espesor de la pared del tubo seindica mediante un número de cédula,que es una función entre la presióninterna y el esfuerzo permisible:

Comercialmente se utilizan dieznúmeros de cedula:

10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140 y160.

Debido a que todas las cedulas de tuberías de un tamaño nominaldado tienen el mismo diámetro exterior, las mas grandes tienen undiámetro interior mas pequeño.

Por que la Cavitación?El paso de liquido a vapor depende de temperatura y presión.

Por que la Cavitación?La energía total almacenada en un deposito es energía potencial.

Cuando circula un caudal por la tubería horizontal la energía potencial

disponible se convierte en energía cinética, de presión y perdidas.

.

Por que la Cavitación?

Al pasar por la válvula:

Su velocidad aumenta

Perdidas aumentan

Carga de presión disminuye

Por que la Cavitación?

Si en la válvula, la presión esta por debajo de la presión de vapor elagua se evapora.

Se forman burbujasde vapor.

Se deforman con lapresión.

Implotan ydesaparecen

(microchorro).

Válvulas y accesoriosCaída de presión en válvulas y accesorios

Perdidas de velocidad