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Estos apuntes cubren los conceptos clave del flujo de fluidos, la agitación y la mezcla, esenciales en ingeniería. Se exploran temas como el balance de energía mecánica, su aplicación en sistemas dinámicos, las características del balance de energía, la dinámica de fluidos, las condiciones de equilibrio, el cálculo de eficiencia, el tamaño y compatibilidad de las líneas hidráulicas, la contaminación del fluido, el transporte de fluidos, el control de procesos, la eficiencia energética, los medidores de flujo másico, la selección de equipos, la eficiencia y sostenibilidad, las clases y tipos de agitadores, los principios de operación, los mezcladores de tanques agitados, la selección de equipos en procesos de separación, las condiciones del proceso, la potencia de agitación y el número de Reynolds, la potencia en sistemas de alta viscosidad, el número de Froude, recomendaciones de diseño y la conclusión.
Tipo: Resúmenes
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El balance de energía mecánica es un principio fundamental que se utiliza para analizar sistemas en los que se produce trabajo y transferencia de energía. Este balance se basa en la conservación de la energía, que establece que la energía total de un sistema cerrado permanece constante, aunque puede transformarse de una forma a otra se basan en principios de conservación de energía y se aplican a sistemas mecánicos donde se consideran las transformaciones entre diferentes formas de energía.
1. Conservación de la Energía - Este principio establece que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma de una forma a otra. En un sistema cerrado, la suma total de la energía permanece constante. 2. Tipos de Energía - Energía Cinética (Ec) : Asociada al movimiento de un objeto. Se define como 𝐸𝑐 =
4. Ecuación de Balance de Energía - La ecuación general para el balance de energía mecánica es: 𝐸#$ − 𝐸%&' + 𝑊()'(*$% = ∆𝐸'%'+, - Esta ecuación relaciona la energía que entra y sale del sistema, el trabajo realizado y el cambio en la energía total. 5. Aplicación a Sistemas Dinámicos - En sistemas como fluidos en movimiento, se puede aplicar el balance de energía para analizar el comportamiento de los fluidos, considerando la energía cinética del flujo, la energía potencial y las pérdidas por fricción. 6. Ejemplos de Aplicación - Se utiliza en el diseño de maquinaria, análisis de estructuras, estudios de dinámica de fluidos, y sistemas térmicos. 7. Limitaciones - El balance de energía asume que no hay pérdidas significativas por fricción o deformaciones, lo que puede no ser el caso en sistemas reales. Es importante considerar estas pérdidas para un análisis más preciso. [1] Características Las características del balance de energía mecánica son fundamentales para su aplicación en ingeniería y física. Los balances de energía se basan en la aplicación de leyes de conservación de masa y energía, la resolución sistemática de muchos de ellos creara la intuición necesaria para resolver casos de procesos industriales. Los balances de energía tienen implicaciones termodinámicas, debido a que para realizarlos se hace uso de la Primera Ley de la Termodinámica. La cual señala que la energía no se crea o se destruye sólo se transforma. Esta ley nos permite identificar a los procesos que requieren suministro de energía denominados endotérmicos y los que liberan energía que son los exotérmicos. Cuando la temperatura del sistema y su entorno es diferente, la dirección de la transferencia de calor se realiza de acuerdo, al gradiente de temperatura; la transferencia ocurre del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. I. Conservación de la Energía II. Simplicidad en la Modelación III. Aplicabilidad a Diferentes Sistemas IV. Interacción entre Energía Cinética y Potencial V. Consideración de Trabajo Externo VI. Pérdidas de Energía
Una línea hidráulica es un tubo o conducto utilizado para transportar fluidos, generalmente aceite hidráulico, en sistemas hidráulicos. Estas líneas son esenciales para transmitir la presión y el movimiento a través de máquinas y equipos, como en vehículos, grúas y sistemas industriales. Están diseñadas para soportar altas presiones y pueden estar hechas de diversos materiales, como acero, goma o plástico, dependiendo de la aplicación y las condiciones de operación. Características Las líneas hidráulicas tienen varias características importantes que garantizan su funcionamiento eficaz y seguro.
Desventajas
3. Medidores de flujo electromagnético
Medidores Los medidores son instrumentos utilizados para medir diferentes magnitudes físicas en diversos campos de la ingeniería y la ciencia. Estos dispositivos son esenciales para garantizar la precisión y la eficiencia en procesos industriales, así como para el monitoreo ambiental y de la salud.
La agitación se refiere a forzar un fluido La agitación se refiere a forzar un fluido por medio por medios mecánicos para que adquiera un s mecánicos para que adquiera un movimiento circulatorio en el interior de un recipiente. Equipo para agitación Consiste en un recipiente cilíndrico (cerrado o abierto), y un agitador o impulsor mecánico, montado en un eje y accionado por un motor eléctrico. Las proporciones del tanque varían ampliamente, dependiendo de la naturaleza del problema de agitación. El fondo del t agitación. El fondo del tanque debe ser redondeado, con el fin de eliminar los bordes rectos o regiones en las cuales no penetrarían las corrientes del fluido. Clases de agitadores o impulsores Los agitadores se dividen en: v Los que generan corrientes paralelas al eje del impulsor que se denominan impulsores de flujo axial v Aquellos que generan corrientes en dirección radial tangencial que se llaman impulsores de flujo radial.[1] Tipos de agitadores Los agitadores se utilizan para facilitar la mezcla y el movimiento dentro de un recipiente. Dependiendo de las necesidades del proceso, se pueden usar diferentes tipos de agitadores: Agitadores de paletas: Son utilizados principalmente para mezclar líquidos de baja viscosidad y soluciones. Su diseño consta de paletas planas que Figura 1. Campos de velocidad en los quipos de agitación axial (A) y radial (B)
giran lentamente, generando un flujo laminar. Son muy eficientes en procesos donde se requiere una agitación suave. Agitadores de hélice: Con un diseño similar al de una hélice de barco, este tipo de agitador se emplea para mover líquidos de baja viscosidad a alta velocidad, creando un flujo turbulento. Son ideales para procesos de mezcla rápida o para líquidos con poca resistencia al flujo. Agitadores de turbina: Tienen paletas más anchas que giran a altas velocidades, creando corrientes radiales. Estos se utilizan en líquidos de viscosidad moderada a alta. La agitación que generan es más agresiva, por lo que son adecuados para procesos en los que se necesita una mezcla más vigorosa. Agitadores de ancla: Se usan principalmente en líquidos de alta viscosidad, como cremas y geles. Su diseño está pensado para raspar el fondo y las paredes del recipiente, evitando que el producto se adhiera a las superficies y asegurando una mezcla uniforme. Agitadores de propela (o de tornillo): Estos agitadores funcionan de manera similar a los de hélice, pero tienen una hélice más estrecha. Son útiles en procesos de mezcla continua y en reacciones que requieren un movimiento constante en sistemas de alta viscosidad o donde se necesitan velocidades más controladas. Principios de Operación de los Agitadores Los agitadores operan según principios físicos que deben entenderse bien para optimizar su funcionamiento en diferentes procesos: Ø Flujo laminar vs flujo turbulento: En función de la velocidad de agitación y la viscosidad del líquido, el flujo puede ser laminar (lento y ordenado) o turbulento (rápido y caótico). Los agitadores de hélice, por ejemplo, promueven un flujo turbulento, mientras que los de paletas suelen generar un flujo laminar. Ø Número de Reynolds: Este parámetro adimensional ayuda a determinar el tipo de flujo que se está generando. Un número de Reynolds bajo indica flujo laminar, mientras que un número alto indica flujo turbulento. Los valores del número de Reynolds permiten ajustar la velocidad del agitador y su diseño para lograr la mezcla deseada. Ø Patrones de flujo: Los agitadores generan diferentes patrones de flujo dentro de los tanques, tales como flujos radiales, axiales o tangenciales. Estos patrones son importantes para determinar la eficiencia de la mezcla y se pueden optimizar dependiendo de las propiedades del fluido y del proceso.
Emulsificación: Es la combinación de dos fases inmiscibles (como en este caso sería el agua y el aceite) en una emulsión. Tipos de Mezcladores De acuerdo con su función de aplicación, existen varios tipos de mezcladores como, por ejemplo: Mezcladores de flujo turbulento Estos son los más comunes y se usan cuando la mezcla involucra líquidos de baja viscosidad, ya que son dispositivos que mezclan fluidos mediante la creación de remolinos que rompen la capa limite y mezclan el fluido con la parte más interna del tubo. Mezcladores de Hélice. Los mezcladores de hélices proporcionan un medio poco costoso, sencillo y compacto, para mezclar materiales en un gran número de casos. Su acción mezcladora se deriva de que sus aletas helicoidales al girar empujan constantemente hacia delante, lo que para todos los fines puede considerarse un cilindro continuo de material, aunque el deslizamiento produce corrientes que modifican bastante esta forma cilíndrica; ya que la hélice hace que un cilindro de material se mueva en línea recta; es evidente que la forma del recipiente decidirá la disposición subsiguiente de esta corriente. Mezcladores de Palas o Aspas (Continuo) Los mezcladores industriales de aspas y palas continuos utilizan la disposición de las herramientas de mezclado y la rapidez de la rotación para crear un movimiento de vórtice centrifugado. La perfecta homogeneización y la alta precisión de mezclado están garantizadas, sin importar la granulometría o el peso de los diferentes componentes. Estos mezcladores están equipados con una puerta de drenaje que reconstituye la curvatura del tanque (sin zonas muertas). Características: Motorización de 4 a 200 kW Flujo de 1 000 a 450 000 l./h. Capacidad de 2 a 450 m³/h. (Según la receta de formulación) Tiempo de mezclado de 25 a 60 segundos. Tiempo de granulación de 3 a 6 minutos. Rodamientos agitadores presurizados por aire o nitrógeno Tallas de 75 a 25 000 litros:
Tabla 1. Tallas de 75 a 15000 litros de un mezclador de palas o aspas (continuo). Mezcladores de Aspas o Palas (Discontinuo) Los mezcladores discontinuos horizontales de eje simple utilizan herramientas de mezclado en forma de aspas o palas inclinadas para provocar turbulencia dentro de la mezcla. Se garantiza una alta precisión de mezcla, ya que se evitan las zonas muertas y los movimientos a baja velocidad. Los mezcladores discontinuos MRS son utilizados para mezclar polvos, granulados y fibras, para humedecer, granular o mezclar con líquidos o productos pastosos o de baja viscosidad. Hay 3 versiones disponibles de mezcladores de aspas y palas discontinuos: Drenado por escotilla inferior MRS. Drenado por escotilla: abierta 15° MRS15. Drenado por escotilla: abierta 60° MRS60. Características técnicas. Motorización de 4 a 200 kW Capacidad de mezclado: de 2 a 15 lotes por hora Tamaño de 75 a 15 000 litros: Tabla 2. Tamaño de 75 a 15000 litros en un mezclador de aspas o plas discontinuo. Mezcladores de Tanques Agitados Los mezcladores de tanques agitados, también llamados tanques mezcladores o tanques de agitación, son equipos industriales que se utilizan para mezclar sustancias en una o varias fases de proceso. Se emplean en una gran cantidad de industrias, como la farmacéutica o la de investigación, y pueden ser utilizados para mezclar fases homogéneas y heterogéneas, con o sin reacción química.
La selección de equipos en procesos de separación es una fase crítica en el diseño y operación de plantas industriales. Escoger el equipo adecuado depende de las propiedades de los materiales a separar, las condiciones del proceso, los requerimientos de pureza del producto y los costos operativos y de inversión. Factores Clave en la Selección de Equipos de Separación Propiedades Físico-Químicas de la Mezcla Densidad: Equipos como centrífugas o decantadores se eligen cuando la separación depende de la diferencia de densidad entre los componentes. Volatilidad: Para la separación de mezclas con diferentes puntos de ebullición, los equipos más adecuados son las columnas de destilación. Solubilidad: En la separación de fases líquidas, como en la extracción líquido- líquido, se seleccionan mezcladores y decantadores adecuados para mejorar el contacto entre fases. Tamaño de las partículas: Para suspensiones de sólidos en líquidos, los filtros o las centrífugas son comunes. Condiciones del Proceso Temperatura y presión: Algunos equipos, como las columnas de destilación, operan bajo alta presión y temperatura. En cambio, procesos como la adsorción suelen operar a temperatura ambiente. Viscosidad: Los equipos de separación deben ser seleccionados considerando la viscosidad del fluido; por ejemplo, un fluido viscoso puede requerir equipos de separación de fases más robustos o con mayor energía de entrada, como los hidrociclones. Tasa de producción: Equipos como torres de absorción o torres de enfriamiento se seleccionan en función de la cantidad de material que debe ser tratado. Requisitos de Pureza del Producto Especificaciones del producto: La pureza requerida influye en la elección de equipos más complejos. Por ejemplo, en la destilación, una pureza muy alta puede requerir una destilación fraccionada o el uso de columnas de destilación con platos.
Costos de Operación y Capital Costos de inversión: La inversión inicial del equipo debe ser justificada por los beneficios en eficiencia. Los equipos modulares o de operación continua suelen requerir una mayor inversión inicial. Costos operativos: Algunos equipos, como las centrífugas o las turbinas, pueden tener altos costos de energía. La destilación también es costosa en términos de consumo de energía, mientras que procesos como la filtración pueden ser más eficientes energéticamente. Capacidad del Equipo y Escalabilidad Capacidad de procesamiento: Es necesario verificar si el equipo puede manejar los volúmenes requeridos de producción. Equipos como las centrífugas o las membranas pueden ser más adecuados para plantas pequeñas, mientras que las columnas de destilación pueden escalarse para plantas de mayor producción. Tipos Comunes de Equipos de Separación Columnas de destilación: Usadas para separar líquidos basados en sus puntos de ebullición. Comúnmente seleccionadas para separar mezclas multicomponentes. Centrífugas: Adecuadas para separar fases sólidas y líquidas basadas en diferencias de densidad. Filtros: Para separar sólidos de líquidos, utilizando tamices o membranas. Absorbedores y desorbedores: Utilizados en la separación de gases, basados en la solubilidad de los componentes en un líquido absorbente. Membranas: Usadas para filtración y separación de fases líquidas, basadas en el tamaño de las moléculas. 2.4 CÁLCULO DE POTENCIA El cálculo de potencia para la agitación y el mezclado es fundamental en muchos procesos industriales, especialmente en la ingeniería de procesos químicos, donde es necesario mezclar fluidos para obtener una mezcla homogénea o realizar una transferencia de calor o masa de manera eficiente. Fórmulas Básicas para el Cálculo de la Potencia de Agitación La potencia requerida para la agitación depende de diversos factores como el tipo de agitador, el fluido a mezclar, el tamaño del tanque, entre otros. Las fórmulas principales para el cálculo de potencia están basadas en ecuaciones empíricas y parámetros adimensionales.[1]
