MECÁNICA DE FLUIDOS PARA INGENIEROS DE PROCESO
Por Jaime Santillana y Julia Salinas de Santillana
(Ing. Químicos (UNI), M.S. in Ch.E. (U - Wisconsin Madison, U - Ilinois Urbana Champaigne)
www.ssecoconsulting.com
INTRODUCCION
Con mucha alegría los autores del blog participan la próxima presentación y venta de su segundo libro:
MECÁNICA DE FLUIDOS PARA INGENIEROS DE PROCESO
Con mucha alegría los autores del blog participan la próxima presentación y venta de su segundo libro:
MECÁNICA DE FLUIDOS PARA INGENIEROS DE PROCESO
Buena parte de este libro tomo forma en circunstancias muy especiales para uno de los autores y se tuvo un apoyo muy comprometido de un número de ellos que permitió que este y un segundo libro que se informará antes de acabar el año 2017, se pudieran convertir en textos.
Como un adelanto inicial se incluye la introducción y el índice, esperamos les guste y que alguno encuentre interés en el libro.
Oportunamente informaremos de la presentación del libro.
INTRODUCCIÓN
Las diversas ingenierías que tienen relación con los procesos industriales se fueron asentando como disciplinas independientes de las otras ingenierías a principios del siglo pasado. Así ocurrió, por ejemplo, con la ingeniería química al reconocerse el desarrollo que habían alcanzado las industrias de procesos químicos.
Durante la primera mitad del siglo XX, se reconoció que los procesos químicos estaban constituidos por operaciones unitarias que podían ser estudiadas y tratadas separada e independientemente del proceso en sí.
Así por ejemplo, el flujo de fluidos compresibles, como el vapor, es el mismo se trate de una refinería de petróleo, una fábrica de cerveza, una industria textil o una planta de harina de pescado; el flujo de un fluido incompresible: agua, efluentes acuosos, petróleo, cerveza se gobierna por las mismas leyes a pesar de su uso en diferentes industrias; el flujo de un fluido no newtoniano: pasta alimenticia en industrias alimentarias, suspensiones de sólidos en industrias metalúrgicas o polímeros fundidos en industrias de transformación de plásticos se modelan con las mismas leyes independientes de la disciplina que la emplea. De esta forma se empezó la enseñanza de las Operaciones Unitarias en ingeniería.
Este concepto de Operación Unitaria fue empleado inicialmente por la ingeniería química; bastante tiempo después fue empleada por otras especialidades: Ingeniería Metalúrgica, Ingeniería de Industrias limentarias, Ingeniería Pesquera, Ingeniería Siderúrgica, Ingeniería Industrial y más recientemente por la Ingeniería de Protección Ambiental. En cada una de las ingenierías se fueron generando textos en operaciones unitarias, en los que se presentan tópicos comunes, como flujo de fluidos incompresibles; filtración; sedimentación, flujo de fluidos compresibles; bombas; compresión de gases, etc.
La similitud de tópicos se debió a la aparición de la ingeniería de procesos, la que se puede definir como aquella rama de la ingeniería encargada de establecer las características de todos, y cada uno de los equipos y elementos de una planta para tratar materia mediante transformaciones físicas, químicas y bioquímicas con un fin utilizable.
El ingeniero de procesos se encarga, entre otros, de diseñar procesos productivos; especificar materias primas, productos y subproductos; especificar productos químicos auxiliares, catalizadores, enzimas, etc.; caracterizar las interrelaciones de una unidad de procesos con otras; diseñar y dimensionar los equipos básicos de proceso; determinar sistemas de instrumentación, control de procesos y automatización; determinar sistemas de control de calidad incluidas desde aplicación de métodos de laboratorio hasta técnicas modernas (control estadístico de calidad, sistemas de calidad total); establecer requisitos de seguridad; evaluar aspectos ambientales del proceso, etc.
Así definida la ingeniería de procesos, es claro que existen ingenieros de diversas especialidades que comparten conocimientos comunes. En particular esto ocurre con aquellas ramas de la ingeniería que tratan con fluidos en sus procesos.
Esta situación, la existencia de conocimientos comunes a diversos procesos, se hizo más evidente desde principios de los años sesenta con la publicación del texto Fenómenos de transporte, de los profesores Bird, Stewart y Lightfoot, en el que se reconoció en el ámbito de la enseñanza de la ingeniería química que existían fenómenos que subyacían y eran comunes a las operaciones unitarias. Se los denominó fenómenos de transporte: transferencia de cantidad de movimiento, transferencia de calor, transferencia de masa, conservación de carga iónica.
En la década de 1970, aparecen textos que emplean las técnicas de los fenómenos de transporte en procesos metalúrgicos (especialmente los textos de Szekely) y en industrias alimentarias. Este desarrollo de los fenómenos de transporte con las mayores capacidades computacionales hizo creer a algunas universidades de países desarrollados que en un futuro la enseñanza de las operaciones unitarias iba a ser innecesaria.
Actualmente, se conceptúa que tanto los fenómenos de transporte como las operaciones unitarias coexistirán durante mucho tiempo en ls currículas de aquellas especialidades de ingeniería en las que se realiza ingeniería de procesos: química, metalúrgica, alimentaria, siderúrgica, pesquera, etc.
El presente libro trata de ir desde un enfoque de fenómenos de transporte hacia el de operaciones unitarias para el tratamiento de la conservación de la cantidad de movimiento o el flujo de fluidos aplicado a la ingeniería de procesos con énfasis en procesos industriales.
La aplicación práctica de estos conceptos se encuentra en el dimensionamiento, diseño y simulación de sistemas de transportes de fluidos.
Las aplicaciones en ingeniería de procesos para el flujo de fluidos en ductos se encuentran en el transporte de gas natural y condensados; transporte de petróleo crudo e hidrocarburos y mucho más recientemente en el transporte de minerales.
Históricamente las primeras aplicaciones para el transporte industrial de fluidos en ductos correspondieron a los gasoductos ingleses en el siglo XVIII para transportar gas pobre para iluminación.
El desarrollo del transporte de fluidos diferentes del agua se impulsó con el desarrollo de la industria del petróleo en el siglo XIX.
Al inicio de la industria del petróleo, este era transportado hacia las estaciones de los trenes empleando carretas jaladas por caballos en las que se colocaban barriles que habían sido usados para llevar whisky y que habían sido reconvertidos para el transporte de petróleo. Este transporte era sumamente costoso.
Este empezó a cambiar cuando en 1865 se construyó, en Pensilvania el primer oleoducto de madera de 9 millas de longitud. El siglo XX vio el abrumador desarrollo de los oleoductos; son de mencionar el transcontinental construido en Estados Unidos durante la Segunda Guerra Mundial para llevar petróleo crudo y productos refinados hasta la costa este de ese país lejos de los submarinos alemanes.
Luego, vino el portentoso desarrollo de la industria del gas natural con los gasoductos, como el Trans Siberia que une Rusia con Europa Occidental.
En la actualidad, hay decenas de miles de kilómetros construidos tanto de oleoductos como gasoductos y poliductos.
Mucho después llegó el empleo de tuberías para llevar concentrados de minerales mediante el aprovechamiento de economías de escala, para disminuir costos de transporte y porque es un medio de transporte seguro desde el punto de vista ambiental.
El Perú dispone en la actualidad de todos estos medios de transportar fluidos distintos del agua: el Oleoducto Nor Peruano de aproximadamente 700 kilómetros de longitud (Petroperú S.A.); el gasoducto Malvinas Lurín (Lima) (Transportadora de Gas del Perú).
En el sector minero, se tiene el mineroducto de la compañía Antamina de 200 km de longitud, que transporta concentrados de cobre y zinc.
Existen numerosas aplicaciones diferentes en ingeniería de procesos para los flujos multifásicos sobre cuerpos sólidos. Así tenemos el craqueo catalítico del petróleo, la gasificación de carbón, reactores químicos de lecho empacado, etc.
El libro presenta cuatro secciones y diecinueve capítulos. La primera sección corresponde a una revisión de los fundamentos de fenómenos de transporte aplicados a los fenómenos de flujo de fluido y consta de dos capítulos.
La segunda sección suele corresponder a un curso de pregrado en flujo de fluidos y comprende la mecánica de los fluidos incompresibles; dimensionamiento de tuberías; sistemas de bombeo de fluidos; medidores de flujo y termina con procesos de filtración.
La tercera sección corresponde al flujo de fluidos compresible. Este tópico tiene particular importancia por la implantación del gas natural en el Perú, especialmente a partir del desarrollo del proyecto de gas de Camisea y la exportación de gas natural licuefactado.
Esta sección trata los fluidos compresibles: fluido adiabáticos, fluido isotérmico. A continuación, trata de los medidores de flujo, específicamente los medidores de orificio y termina con un capítulo dedicado a una introducción al diseño de gasoductos. Se ha visto por conveniente incluir un capítulo específico sobre la implantación de gas natural en el Perú, en el texto se enfatizan los aspectos relacionados con el tema de flujo de fluidos.
La cuarta y última sección comprende una introducción a los fluidos multifásicos, específicamente se tratan flujos bifásicos unidireccionales según los modelos de flujo pseudohomogéneos y de flujo separado. A continuación, se tratan los fluidos a través de los lechos empacados y finalmente los flujos en lechos fluidizados.
Finalmente, se concluye el texto con un capítulo dedicado a las aplicaciones de los fluidos multifásicos incluida una reciente aplicación en el Perú sobre los denominados mineroductos para el flujo de concentrado de minerales en tuberías.
Una característica especial del texto está en el mínimo empleo de gráficos y nomogramas para efectuar cálculos en mecánica de fluidos. Los últimos años han aparecido innumerables correlaciones que casi han dejado de lado el uso de métodos gráficos. Se hace empleo intensivo de hojas electrónicas de cálculo para desarrollar las diversas aplicaciones y se adjunta un CD con los cálculos de las aplicaciones que se presentan y con los problemas propuestos.
A la espera de contribuir a la enseñanza, en el Perú, de la Ingeniería de Procesos (con especial énfasis en la Ingeniería Química), mediante la publicación de textos, entregamos este segundo esfuerzo.
Ing. M.S. Julia Salinas de Santillana
Ing. M.S. Jaime Santillana Soto
ÍNDICE
PARTE I - FUNDAMENTOS DE FLUJO DE FLUIDOS
1. CONCEPTOS BÁSICOS
1.1. Densidad y peso específico
1.2. Ley de Newton de viscosidad
1.3. Fluidos no newtonianos
1.4. Flujo laminar y turbulento
1.5. Velocidad del sonido y número de Mach
1.6. Ecuaciones de cambio
1.7. Solución de problemas de flujo laminar con el empleo de las ecuaciones de cambio
1.8. Flujo no estacionario
1.9. Teoría capa límite
1.10. Problemas propuestos
2. TURBULENCIA
2.1. Fenómeno de la turbulencia
2.2. Flujos turbulentos en el interior de tuberías circulares lisas
2.3. La ecuación de Navier Stokes y su aplicación para flujos turbulentos
2.4. Factor de fricción para tuberías lisas
2.5. Mecánica de fluidos computacional
PARTE II - OPERACIONES UNITARIAS CON FLUIDOS INCOMPRESIBLES
3. FUNDAMENTOS
3.1. Introducción
3.2. Definición de factores de fricción
3.3. Análisis dimensional
3.4. Factores de fricción para diversas situaciones físicas
3.5. Balances macroscópicos
3.6. Ecuación de Bernoulli
3.7. Solución de problemas de flujo con la utilización de los balances macroscópicos
3.8. Problemas propuestos
4. TRANSPORTE DE FLUIDOS INCOMPRESIBLES EN TUBERÍAS
4.1. Introducción
4.2. Diseño
4.3. Pérdida de fricción en tuberías
4.4. Correlaciones para el factor de fricción
4.5. Efecto tiempo en tuberías
4.6. Diámetro óptimo de tuberías
4.7. Flujo de fluidos en redes (networks) de tuberías
4.8. Aplicaciones
4.9. Problemas propuestos
5. BOMBAS
5.1. Generalidades sobre bombas para manipuleo de fluidos
5.2. Bombas de desplazamiento positivo
5.3. Bombas centrífugas
5.4. Balances de energía
5.5. Selección de bombas centrífugas
5.6. Cavitación
5.7. Métodos gráficos para análisis de sistemas de bombas
5.8. Aplicaciones
5.9. Problemas propuestos
6. MEDIDORES DE FLUJO
6.1. Introducción
6.2. Ecuación general para medidores de carga variable
6.3. Medidor de orificio
6.4. Medidor de Venturi
6.5. Tubo de Pitot
6.6. Rotámetros
6.7. Aplicaciones
6.8. Problemas propuestos
7. MEDIOS POROSOS-FILTRACIONES
7.1. Introducción
7.2. Generalidades sobre filtración
7.3. Equipos de filtración
7.4. Procesos de filtración modernos
7.5. Mecánica de fluidos de la filtración
7.6. Modelamiento de la filtración
7.7. Aplicaciones
7.8. Problemas propuestos
PARTE III - FLUJO DE FLUIDOS COMPRESIBLES
8 FLUJO DE FLUIDOS COMPRESIBLES
8.1. Introducción
8.2. Balance macroscópico de energía mecánica. Ecuación de Bernoulli
8.3. Flujo de fluidos compresibles adiabáticos
8.4. Método detallado de Lapple para flujos adiabáticos
8.5. Aplicaciones
8.6. Problemas propuestos
9. FLUJO DE FLUIDOS COMPRESIBLES ISOTÉRMICOS
9.1. Condiciones generales de diseño para flujos compresibles isotérmicos
9.2. Flujo isotérmico en tuberías horizontales
9.3. Ecuaciones simplificadas para flujo isotérmico
9.4. Flujo crítico
9.5. Aplicaciones
9.6. Problemas propuestos
10. MEDIDORES DE FLUJO PARA FLUJOS COMPRESIBLES
10.1. Criterios de selección
10.2. Ecuaciones de diseño
10.3. Aplicaciones
10.4. Problemas propuestos
11 COMPRESIÓN Y COMPRESORES
11.1. Características generales de compresión de gases
11.2. Tipos de compresión
11.3. Teoría de operación de compresores
11.4. Aplicaciones
11.5. Problemas propuestos
12. APLICACIONES DE LOS MODELOS DE FLUJO COMPRESIBLE ISOTÉRMICO AL DISEÑO DE GASODUCTOS
12.1. Consideraciones de diseño
12.2. Empleo de fórmulas semiempíricas para tuberías horizontales
12.3. Diseño de gasoductos horizontales
12.4. Aplicaciones
12.5. Problemas propuestos
13. PROYECTOS DE GAS NATURAL EN EL PERÚ
13.1. Desarrollo del gas natural en el Perú
13.2. Proyecto energético de Aguaytia
13.3. Proyecto Camisea
13.4. Proyecto exportación de gas natural licuefactado (LNG)
PARTE IV - FLUJO DE FLUIDOS BIFÁSICOS
14. INTRODUCCIÓN A LOS FLUJOS BIFÁSICOS
14.1. Introducción
14.2. Análisis de flujo bifásico
14.3. Patrones de flujo en sistemas bifásicos gas líquido vertical
14.4. Patrones de flujo en sistemas bifásicos gas líquido horizontal
14.5. Aplicaciones
14.6. Problemas propuestos
15. FLUJO PSEUDOHOMOGÉNEO
15.1. Planteamiento del modelo
15.2. Pérdidas por fricción
15.3. Aplicación de flujos homogéneos
15.4. Transporte de lodos (slurries) homogéneos
15.5. Aplicaciones
15.6. Problemas propuestos
16. FLUJO SEPARADO
16.1. Introducción a los flujos separados
16.2. Correlaciones de Lockhart y Martinelli
16.3. Actualización de caídas de presión para flujos separados
16.4. Aplicaciones
16.5. Problemas propuestos
17. FLUJO EN LECHOS EMPACADOS
17.1. Introducción a los lechos empacados
17.2. Cálculo de caídas de presión
17.3. Flujo de fluidos compresibles en lechos empacados
17.4. Aplicaciones
17.5. Problemas propuestos.
18.FLUJO EN LECHOS FLUIDIZADOS
18.1. Introducción a la fluidización
18.2. Propiedades de los sólidos a fluidizarse
18.3. Mínima fluidización
18.4. Regímenes de fluidización
18.5. Fluidización particular
18.6. Fluidización burbujeante
18.7. Diseño de lechos fluidizados
18.8. Aplicaciones
18.8. Problemas propuestos
19. APLICACIONES DE LOS FLUIDOS MULTIFÁSICOS
19.1. Craqueo catalítico fluido
19.2. Otras aplicaciones catalíticas de lechos fluidizados
19.3. Aplicaciones no catalíticas de lechos fluidizados
19.4. Combustión en lechos fluidizados
19.5. Sistemas de combustión y ejemplo de lechos fluidizados
19.6. Mineroductos en el Perú
BIBLIOGRAFÍA
ANEXOS
ANEXO 1.- Densidad y sus unidades
ANEXO 2.- Viscosidad de líquidos
ANEXO 3.- Ecuaciones de cambio en coordenadas curvilíneas
ANEXO 4.- Factores de conversión
ANEXO 5.- Data sobre tuberías y pérdidas de carga
ANEXO 6.- Relación del calor específico a presión constante al calor
específico a volumen constante
ANEXO 7.- Notación para flujos bifásicos
Como un adelanto inicial se incluye la introducción y el índice, esperamos les guste y que alguno encuentre interés en el libro.
Oportunamente informaremos de la presentación del libro.
INTRODUCCIÓN
Las diversas ingenierías que tienen relación con los procesos industriales se fueron asentando como disciplinas independientes de las otras ingenierías a principios del siglo pasado. Así ocurrió, por ejemplo, con la ingeniería química al reconocerse el desarrollo que habían alcanzado las industrias de procesos químicos.
Durante la primera mitad del siglo XX, se reconoció que los procesos químicos estaban constituidos por operaciones unitarias que podían ser estudiadas y tratadas separada e independientemente del proceso en sí.
Así por ejemplo, el flujo de fluidos compresibles, como el vapor, es el mismo se trate de una refinería de petróleo, una fábrica de cerveza, una industria textil o una planta de harina de pescado; el flujo de un fluido incompresible: agua, efluentes acuosos, petróleo, cerveza se gobierna por las mismas leyes a pesar de su uso en diferentes industrias; el flujo de un fluido no newtoniano: pasta alimenticia en industrias alimentarias, suspensiones de sólidos en industrias metalúrgicas o polímeros fundidos en industrias de transformación de plásticos se modelan con las mismas leyes independientes de la disciplina que la emplea. De esta forma se empezó la enseñanza de las Operaciones Unitarias en ingeniería.
Este concepto de Operación Unitaria fue empleado inicialmente por la ingeniería química; bastante tiempo después fue empleada por otras especialidades: Ingeniería Metalúrgica, Ingeniería de Industrias limentarias, Ingeniería Pesquera, Ingeniería Siderúrgica, Ingeniería Industrial y más recientemente por la Ingeniería de Protección Ambiental. En cada una de las ingenierías se fueron generando textos en operaciones unitarias, en los que se presentan tópicos comunes, como flujo de fluidos incompresibles; filtración; sedimentación, flujo de fluidos compresibles; bombas; compresión de gases, etc.
La similitud de tópicos se debió a la aparición de la ingeniería de procesos, la que se puede definir como aquella rama de la ingeniería encargada de establecer las características de todos, y cada uno de los equipos y elementos de una planta para tratar materia mediante transformaciones físicas, químicas y bioquímicas con un fin utilizable.
El ingeniero de procesos se encarga, entre otros, de diseñar procesos productivos; especificar materias primas, productos y subproductos; especificar productos químicos auxiliares, catalizadores, enzimas, etc.; caracterizar las interrelaciones de una unidad de procesos con otras; diseñar y dimensionar los equipos básicos de proceso; determinar sistemas de instrumentación, control de procesos y automatización; determinar sistemas de control de calidad incluidas desde aplicación de métodos de laboratorio hasta técnicas modernas (control estadístico de calidad, sistemas de calidad total); establecer requisitos de seguridad; evaluar aspectos ambientales del proceso, etc.
Así definida la ingeniería de procesos, es claro que existen ingenieros de diversas especialidades que comparten conocimientos comunes. En particular esto ocurre con aquellas ramas de la ingeniería que tratan con fluidos en sus procesos.
Esta situación, la existencia de conocimientos comunes a diversos procesos, se hizo más evidente desde principios de los años sesenta con la publicación del texto Fenómenos de transporte, de los profesores Bird, Stewart y Lightfoot, en el que se reconoció en el ámbito de la enseñanza de la ingeniería química que existían fenómenos que subyacían y eran comunes a las operaciones unitarias. Se los denominó fenómenos de transporte: transferencia de cantidad de movimiento, transferencia de calor, transferencia de masa, conservación de carga iónica.
En la década de 1970, aparecen textos que emplean las técnicas de los fenómenos de transporte en procesos metalúrgicos (especialmente los textos de Szekely) y en industrias alimentarias. Este desarrollo de los fenómenos de transporte con las mayores capacidades computacionales hizo creer a algunas universidades de países desarrollados que en un futuro la enseñanza de las operaciones unitarias iba a ser innecesaria.
Actualmente, se conceptúa que tanto los fenómenos de transporte como las operaciones unitarias coexistirán durante mucho tiempo en ls currículas de aquellas especialidades de ingeniería en las que se realiza ingeniería de procesos: química, metalúrgica, alimentaria, siderúrgica, pesquera, etc.
El presente libro trata de ir desde un enfoque de fenómenos de transporte hacia el de operaciones unitarias para el tratamiento de la conservación de la cantidad de movimiento o el flujo de fluidos aplicado a la ingeniería de procesos con énfasis en procesos industriales.
La aplicación práctica de estos conceptos se encuentra en el dimensionamiento, diseño y simulación de sistemas de transportes de fluidos.
Las aplicaciones en ingeniería de procesos para el flujo de fluidos en ductos se encuentran en el transporte de gas natural y condensados; transporte de petróleo crudo e hidrocarburos y mucho más recientemente en el transporte de minerales.
Históricamente las primeras aplicaciones para el transporte industrial de fluidos en ductos correspondieron a los gasoductos ingleses en el siglo XVIII para transportar gas pobre para iluminación.
El desarrollo del transporte de fluidos diferentes del agua se impulsó con el desarrollo de la industria del petróleo en el siglo XIX.
Al inicio de la industria del petróleo, este era transportado hacia las estaciones de los trenes empleando carretas jaladas por caballos en las que se colocaban barriles que habían sido usados para llevar whisky y que habían sido reconvertidos para el transporte de petróleo. Este transporte era sumamente costoso.
Este empezó a cambiar cuando en 1865 se construyó, en Pensilvania el primer oleoducto de madera de 9 millas de longitud. El siglo XX vio el abrumador desarrollo de los oleoductos; son de mencionar el transcontinental construido en Estados Unidos durante la Segunda Guerra Mundial para llevar petróleo crudo y productos refinados hasta la costa este de ese país lejos de los submarinos alemanes.
Luego, vino el portentoso desarrollo de la industria del gas natural con los gasoductos, como el Trans Siberia que une Rusia con Europa Occidental.
En la actualidad, hay decenas de miles de kilómetros construidos tanto de oleoductos como gasoductos y poliductos.
Mucho después llegó el empleo de tuberías para llevar concentrados de minerales mediante el aprovechamiento de economías de escala, para disminuir costos de transporte y porque es un medio de transporte seguro desde el punto de vista ambiental.
El Perú dispone en la actualidad de todos estos medios de transportar fluidos distintos del agua: el Oleoducto Nor Peruano de aproximadamente 700 kilómetros de longitud (Petroperú S.A.); el gasoducto Malvinas Lurín (Lima) (Transportadora de Gas del Perú).
En el sector minero, se tiene el mineroducto de la compañía Antamina de 200 km de longitud, que transporta concentrados de cobre y zinc.
Existen numerosas aplicaciones diferentes en ingeniería de procesos para los flujos multifásicos sobre cuerpos sólidos. Así tenemos el craqueo catalítico del petróleo, la gasificación de carbón, reactores químicos de lecho empacado, etc.
El libro presenta cuatro secciones y diecinueve capítulos. La primera sección corresponde a una revisión de los fundamentos de fenómenos de transporte aplicados a los fenómenos de flujo de fluido y consta de dos capítulos.
La segunda sección suele corresponder a un curso de pregrado en flujo de fluidos y comprende la mecánica de los fluidos incompresibles; dimensionamiento de tuberías; sistemas de bombeo de fluidos; medidores de flujo y termina con procesos de filtración.
La tercera sección corresponde al flujo de fluidos compresible. Este tópico tiene particular importancia por la implantación del gas natural en el Perú, especialmente a partir del desarrollo del proyecto de gas de Camisea y la exportación de gas natural licuefactado.
Esta sección trata los fluidos compresibles: fluido adiabáticos, fluido isotérmico. A continuación, trata de los medidores de flujo, específicamente los medidores de orificio y termina con un capítulo dedicado a una introducción al diseño de gasoductos. Se ha visto por conveniente incluir un capítulo específico sobre la implantación de gas natural en el Perú, en el texto se enfatizan los aspectos relacionados con el tema de flujo de fluidos.
La cuarta y última sección comprende una introducción a los fluidos multifásicos, específicamente se tratan flujos bifásicos unidireccionales según los modelos de flujo pseudohomogéneos y de flujo separado. A continuación, se tratan los fluidos a través de los lechos empacados y finalmente los flujos en lechos fluidizados.
Finalmente, se concluye el texto con un capítulo dedicado a las aplicaciones de los fluidos multifásicos incluida una reciente aplicación en el Perú sobre los denominados mineroductos para el flujo de concentrado de minerales en tuberías.
Una característica especial del texto está en el mínimo empleo de gráficos y nomogramas para efectuar cálculos en mecánica de fluidos. Los últimos años han aparecido innumerables correlaciones que casi han dejado de lado el uso de métodos gráficos. Se hace empleo intensivo de hojas electrónicas de cálculo para desarrollar las diversas aplicaciones y se adjunta un CD con los cálculos de las aplicaciones que se presentan y con los problemas propuestos.
A la espera de contribuir a la enseñanza, en el Perú, de la Ingeniería de Procesos (con especial énfasis en la Ingeniería Química), mediante la publicación de textos, entregamos este segundo esfuerzo.
Ing. M.S. Julia Salinas de Santillana
Ing. M.S. Jaime Santillana Soto
ÍNDICE
PARTE I - FUNDAMENTOS DE FLUJO DE FLUIDOS
1. CONCEPTOS BÁSICOS
1.1. Densidad y peso específico
1.2. Ley de Newton de viscosidad
1.3. Fluidos no newtonianos
1.4. Flujo laminar y turbulento
1.5. Velocidad del sonido y número de Mach
1.6. Ecuaciones de cambio
1.7. Solución de problemas de flujo laminar con el empleo de las ecuaciones de cambio
1.8. Flujo no estacionario
1.9. Teoría capa límite
1.10. Problemas propuestos
2. TURBULENCIA
2.1. Fenómeno de la turbulencia
2.2. Flujos turbulentos en el interior de tuberías circulares lisas
2.3. La ecuación de Navier Stokes y su aplicación para flujos turbulentos
2.4. Factor de fricción para tuberías lisas
2.5. Mecánica de fluidos computacional
PARTE II - OPERACIONES UNITARIAS CON FLUIDOS INCOMPRESIBLES
3. FUNDAMENTOS
3.1. Introducción
3.2. Definición de factores de fricción
3.3. Análisis dimensional
3.4. Factores de fricción para diversas situaciones físicas
3.5. Balances macroscópicos
3.6. Ecuación de Bernoulli
3.7. Solución de problemas de flujo con la utilización de los balances macroscópicos
3.8. Problemas propuestos
4. TRANSPORTE DE FLUIDOS INCOMPRESIBLES EN TUBERÍAS
4.1. Introducción
4.2. Diseño
4.3. Pérdida de fricción en tuberías
4.4. Correlaciones para el factor de fricción
4.5. Efecto tiempo en tuberías
4.6. Diámetro óptimo de tuberías
4.7. Flujo de fluidos en redes (networks) de tuberías
4.8. Aplicaciones
4.9. Problemas propuestos
5. BOMBAS
5.1. Generalidades sobre bombas para manipuleo de fluidos
5.2. Bombas de desplazamiento positivo
5.3. Bombas centrífugas
5.4. Balances de energía
5.5. Selección de bombas centrífugas
5.6. Cavitación
5.7. Métodos gráficos para análisis de sistemas de bombas
5.8. Aplicaciones
5.9. Problemas propuestos
6. MEDIDORES DE FLUJO
6.1. Introducción
6.2. Ecuación general para medidores de carga variable
6.3. Medidor de orificio
6.4. Medidor de Venturi
6.5. Tubo de Pitot
6.6. Rotámetros
6.7. Aplicaciones
6.8. Problemas propuestos
7. MEDIOS POROSOS-FILTRACIONES
7.1. Introducción
7.2. Generalidades sobre filtración
7.3. Equipos de filtración
7.4. Procesos de filtración modernos
7.5. Mecánica de fluidos de la filtración
7.6. Modelamiento de la filtración
7.7. Aplicaciones
7.8. Problemas propuestos
PARTE III - FLUJO DE FLUIDOS COMPRESIBLES
8 FLUJO DE FLUIDOS COMPRESIBLES
8.1. Introducción
8.2. Balance macroscópico de energía mecánica. Ecuación de Bernoulli
8.3. Flujo de fluidos compresibles adiabáticos
8.4. Método detallado de Lapple para flujos adiabáticos
8.5. Aplicaciones
8.6. Problemas propuestos
9. FLUJO DE FLUIDOS COMPRESIBLES ISOTÉRMICOS
9.1. Condiciones generales de diseño para flujos compresibles isotérmicos
9.2. Flujo isotérmico en tuberías horizontales
9.3. Ecuaciones simplificadas para flujo isotérmico
9.4. Flujo crítico
9.5. Aplicaciones
9.6. Problemas propuestos
10. MEDIDORES DE FLUJO PARA FLUJOS COMPRESIBLES
10.1. Criterios de selección
10.2. Ecuaciones de diseño
10.3. Aplicaciones
10.4. Problemas propuestos
11 COMPRESIÓN Y COMPRESORES
11.1. Características generales de compresión de gases
11.2. Tipos de compresión
11.3. Teoría de operación de compresores
11.4. Aplicaciones
11.5. Problemas propuestos
12. APLICACIONES DE LOS MODELOS DE FLUJO COMPRESIBLE ISOTÉRMICO AL DISEÑO DE GASODUCTOS
12.1. Consideraciones de diseño
12.2. Empleo de fórmulas semiempíricas para tuberías horizontales
12.3. Diseño de gasoductos horizontales
12.4. Aplicaciones
12.5. Problemas propuestos
13. PROYECTOS DE GAS NATURAL EN EL PERÚ
13.1. Desarrollo del gas natural en el Perú
13.2. Proyecto energético de Aguaytia
13.3. Proyecto Camisea
13.4. Proyecto exportación de gas natural licuefactado (LNG)
PARTE IV - FLUJO DE FLUIDOS BIFÁSICOS
14. INTRODUCCIÓN A LOS FLUJOS BIFÁSICOS
14.1. Introducción
14.2. Análisis de flujo bifásico
14.3. Patrones de flujo en sistemas bifásicos gas líquido vertical
14.4. Patrones de flujo en sistemas bifásicos gas líquido horizontal
14.5. Aplicaciones
14.6. Problemas propuestos
15. FLUJO PSEUDOHOMOGÉNEO
15.1. Planteamiento del modelo
15.2. Pérdidas por fricción
15.3. Aplicación de flujos homogéneos
15.4. Transporte de lodos (slurries) homogéneos
15.5. Aplicaciones
15.6. Problemas propuestos
16. FLUJO SEPARADO
16.1. Introducción a los flujos separados
16.2. Correlaciones de Lockhart y Martinelli
16.3. Actualización de caídas de presión para flujos separados
16.4. Aplicaciones
16.5. Problemas propuestos
17. FLUJO EN LECHOS EMPACADOS
17.1. Introducción a los lechos empacados
17.2. Cálculo de caídas de presión
17.3. Flujo de fluidos compresibles en lechos empacados
17.4. Aplicaciones
17.5. Problemas propuestos.
18.FLUJO EN LECHOS FLUIDIZADOS
18.1. Introducción a la fluidización
18.2. Propiedades de los sólidos a fluidizarse
18.3. Mínima fluidización
18.4. Regímenes de fluidización
18.5. Fluidización particular
18.6. Fluidización burbujeante
18.7. Diseño de lechos fluidizados
18.8. Aplicaciones
18.8. Problemas propuestos
19. APLICACIONES DE LOS FLUIDOS MULTIFÁSICOS
19.1. Craqueo catalítico fluido
19.2. Otras aplicaciones catalíticas de lechos fluidizados
19.3. Aplicaciones no catalíticas de lechos fluidizados
19.4. Combustión en lechos fluidizados
19.5. Sistemas de combustión y ejemplo de lechos fluidizados
19.6. Mineroductos en el Perú
BIBLIOGRAFÍA
ANEXOS
ANEXO 1.- Densidad y sus unidades
ANEXO 2.- Viscosidad de líquidos
ANEXO 3.- Ecuaciones de cambio en coordenadas curvilíneas
ANEXO 4.- Factores de conversión
ANEXO 5.- Data sobre tuberías y pérdidas de carga
ANEXO 6.- Relación del calor específico a presión constante al calor
específico a volumen constante
ANEXO 7.- Notación para flujos bifásicos