Grado de Ingeniería Química

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1 MECÁNICA Y FLUJO DE FLUIDOS Universidad de Murcia Curso Académico 2010/11 Facultad de Química Grado de Ingeniería Química 1. Identificación De la asignatura. Nombre de la asignatura Mecánica y Flujo de Fluidos Código 3176 Curso 2º Tipo Obligatoria Créditos ECTS 6 Estimación del volumen de trabajo del alumno Créditos ECTS X 25 = 150 horas Duración Cuatrimestral (1º) Idiomas en que se imparte Español 1.2. Del profesorado: Se deberá indicar el profesor coordinador de la asignatura. Nombre y Apellidos Área/ Departamento Categoría Teléfono Correo electrónico José Luis Ingeniería Química/ Titular de Gómez Carrasco Ingeniería Química Universidad (Coord.) Demetrio Gómez Pérez Ingeniería Química/ Titular de Ingeniería Química Universidad Horario de atención al alumnado 1º C carrasco@um.es L,M y X 18 a 20 h demetrio@um.es L,M y X 17 a 19 h 1

2 2. Presentación. El objetivo global de la asignatura es dotar al alumno de herramientas, basadas en las características y leyes del flujo de fluidos, para poder analizar diferentes situaciones en las que tiene lugar el intercambio de cantidad de movimiento asociado al flujo de una masa fluida, así como calcular y/o diseñar las operaciones y/o equipos más comúnmente utilizados en la Industria Química para llevar a cabo dicho intercambio. Objetivos: - Dar a conocer los conceptos fundamentales de mecánica de fluidos. - Estudiar la cinemática y dinámica de fluidos. - Dar los conocimientos básicos para que el alumno pueda calcular las conducciones para el flujo de fluidos incompresibles y compresibles. - Conocer las máquinas para impulsión de fluidos: bombas y compresores. - Movimiento relativo partícula-fluido: flujo externo. - Determinar la caída de presión provocada por el flujo de fluidos a través de lechos fijos. - Introducción a las operaciones de separación basadas en la transferencia de cantidad de movimiento. - Conocer los equipos para las operaciones de filtración, sedimentación, y centrifugación. - Determinar la caída de presión en lechos fluidizados y el intervalo de velocidades de fluidización. 3. Conocimientos previos. No se establecen requisitos previos, pero, para una adecuada comprensión de los aspectos enunciados en los objetivos de la asignatura, es recomendable que el alumno posea unos conocimientos generales sobre ingeniería química y fenómenos de transporte así como una sólida formación matemática y física. En consecuencia, es aconsejable que el alumno haya cursado las asignaturas que, sobre estas materias, se imparten en el primer año de los estudios. 4. Competencias. Las competencias específicas que han de alcanzar los alumnos de esta materia son: Conocer los principios del flujo de fluidos para poder abordar el diseño de sistemas de transporte de líquidos y gases. Conocer los principales elementos de redes de transporte de fluidos y sus ecuaciones características. Adquirir la capacidad para seleccionar y dimensionar los equipos y accesorios implicados en el flujo de líquidos y gases. Conocer las bases teóricas para el cálculo y diseño de equipos basados en la transferencia de cantidad de movimiento en sistemas sólido-fluido (fluidización, sedimentación, etc.). Saber calcular, diseñar y/o seleccionar equipos e instalaciones destinadas al transporte de cantidad de movimiento en sistemas sólido-fluido. 2

3 Saber adquirir y utilizar información bibliográfica y técnica. Conocer la terminología inglesa relacionada con la asignatura. Capacidades a desarrollar: Comprender los conceptos y aspectos básicos del flujo de fluidos y obtener, para un volumen de control infinitesimal fijo en el espacio, los correspondientes balances de masa total, cantidad de movimiento y energía, en forma de las respectivas ecuaciones diferenciales. Comprender el concepto de fluido ideal y de flujo potencial, así como sus leyes, y saber identificar y resolver situaciones reales en las que se puede considerar una buena aproximación a este tipo de flujo. Combinar adecuadamente las leyes del flujo de fluidos y de la Termodinámica en el estudio del flujo de fluidos compresibles. Capacidad para determinar el caudal máximo que puede circular por una instalación existente (fluido incompresible). Capacidad para determinar el diámetro mínimo que debe tener una instalación para poder trasladar un determinado caudal con la potencia de bombeo disponible (fluido incompresible). Poder resolver problemas relacionados con el flujo de fluidos incompresibles a través de conducciones ramificadas, tanto en sistemas en paralelo como en abierto. Conocer los distintos componentes que intervienen en el diseño de una instalación para el flujo de fluidos y tener criterios para su selección: tuberías, conexiones, codos, válvulas, bombas, compresores, etc. Ser capaz de determinar la caída de presión que experimenta un fluido cuando circula a través de un lecho poroso. Conocer los equipos utilizados en las operaciones básicas de filtración, sedimentación y centrifugación. Capacidad para determinar la velocidad mínima de fluidización y la velocidad de arrastre en un lecho fluidizado. Con esta materia se contribuirá fundamentalmente a la adquisición de las siguientes competencias: Competencias de profesión regulada: CPR1, CPR2, CPR3, CPR4, CPR5, CPR6, CPR11. Competencias generales del título: CG1, CG2, CG3, CG4, CG5, CG6, CG7, CG9, CG10, CG11, CG13, CG14, CG15, CG16, CG17, CG19, CG20, CG21. Competencias específicas del título: CE1, CE2, CE3, CE7, CE8, CE19, CE20, CE21, CE28, CE30, CE31, CE34, CE39, CE45, CE46, CE47, CE48, CE49, CE50, CE51, CE52, CE53, CE55, CE57, CE58, CE60. Competencias transversales UMU: CT1, CT3, CT6. Competencias básicas MECES: 1, 2,3,4, 5. 3

4 5. Contenidos. Los contenidos se desarrollan en base al programa que a continuación se indica. Tema 1.- FLUJO DE FLUIDOS: CONCEPTOS, DEFINICIONES Y ECUACIONES Fluidos y medios continuos. Flujo de fluidos: características y representación. Leyes básicas aplicables al flujo de fluidos. Ecuación de continuidad. Ecuaciones de Navier-Stokes. Fluidos ideales: ecuación de Euler. Tema 2.- FLUIDOS IDEALES: FLUJO POTENCIAL. Condiciones para el flujo de un fluido ideal. Ecuaciones del movimiento. Rotación en un punto: verticidad. Flujo irrotacional: el potencial de velocidad. La función de corriente. La red de flujo. Estudio de algunos flujos bidimensionales de interés. Tema 3. FLUJO DE FLUIDOS COMPRESIBLES. Características del flujo compresible. Flujo isoentrópico. Flujo adiabático con rozamiento en conductos cerrados. Flujo sin rozamiento en conductos con transferencia de calor. Flujo permanente isotérmico en tuberías largas. Tema 4. FLUJO DE FLUIDOS INCOMPRESIBLES: CONDUCCIONES SIMPLES Y REDES Fórmulas exponenciales de rozamiento en tubos. Módulo de Karman. Conducciones simples: 1) cálculo del caudal, 2) cálculo del diámetro mínimo y 3) diámetro óptimo económico. Líneas de alturas piezométricas y de energías o alturas totales. Conducciones ramificadas: 1) en paralelo y 2) abiertas. Tema 5. EQUIPO PARA EL FLUJO DE FLUIDOS Conducciones y accesorios (tuberías, conexiones, codos, válvulas, etc.). Aparatos para la impulsión de fluidos. Impulsión de líquidos: bombas 1) tipos, 2) curvas características de una bomba centrífuga y 3) criterios de selección. Impulsión de gases: ventiladores, soplantes y compresores 1) tipos y 2) criterios de selección. Tema 6. FLUJO EXTERNO Introducción. Factor de rozamiento en el flujo externo. Flujo en lechos porosos. Introducción. Determinación de la caída de presión: 1) ecuación de Kozeny, 2) ecuación de Carman, 3) ecuación de Ergun y Orning y 4) método de Brownell. Tema 7. OPERACIONES BASADAS EN EL FLUJO EXTERNO DE FLUIDOS I Filtración: 1) aspectos prácticos, 2) equipos y 3) fundamento teórico. Sedimentación: 1) libre, 2) impedida y 3) equipos. Centrifugación: centrífugas y ciclones. Tema 8. OPERACIONES BASADAS EN EL FLUJO EXTERNO DE FLUIDOS II. Fluidización: descripción, mecanismos y tipos. Caída de presión en lechos fluidizados. Velocidad mínima de fluidización. Velocidad de arrastre de las partículas. Aplicaciones de los lechos fluidizados. Transporte neumático e hidráulico. 4

5 6. Metodología docente y estimación del volumen de trabajo del estudiante (ECTS) Metodología docente. A.- Clases magistrales En las mismas, mediante la expresión oral, utilizando la pizarra y medios audiovisuales, y el apoyo de las TICs, se transmitirá básicamente información relativa a los contenidos que se indican en el programa de la asignatura. Los alumnos dispondrán con suficiente antelación, a través de SUMA, de una copia del material más relevante necesario para el desarrollo de las clases, a fin de limitar la necesidad de tomar excesivos apuntes. Se fomentará la participación del alumno mediante el planteamiento de preguntas sobre temas que promuevan el debate, y respondiendo a las dudas que surjan al respecto. B.- Actividades prácticas Clases de problemas. Las clases prácticas están orientadas a la resolución de problemas numéricos. Su desarrollo se basará en la entrega previa a los alumnos de boletines de problemas, con los resultados, sobre los contenidos de las lecciones teóricas. El profesor resolverá en clase algunos de los problemas, comentando las bases de la resolución y, en su caso, las diferentes alternativas, si existe más de una. Los alumnos resolverán en clase, solos o en grupo, algunos de los problemas, a indicación del profesor. El resultado alcanzado por los distintos alumnos, así como el método de resolución empleado, será comentado por los alumnos y corregido, si procede, por el profesor. Seminarios. Los seminarios se desarrollarán fundamentalmente realizando actividades orientadas a fomentar el aprendizaje basado en problemas, así como el aprendizaje cooperativo. Para ello, los alumnos formarán grupos de 3-5 personas. Los alumnos dispondrán de una colección de ejercicios y problemas propuestos que se dividirán por grupos. Los ejercicios y problemas resueltos se entregarán individualmente al profesor, siendo revisados y comentados en la reunión de grupo (seminario). Cada grupo expondrá y defenderá públicamente sus resultados. Microaula. Dentro del trabajo individual, se introducirá a los alumnos en el aprendizaje de programas especializados relacionados con el flujo de fluidos, utilizando las aulas de informática de la Facultad. Una vez que los alumnos conocen la resolución de problemas de flujo de fluidos por conducciones: ecuaciones a utilizar, obtención de datos, secuencia de cálculo, etc, es conveniente iniciarlos en el uso y elaboración de pequeños programas que simplifiquen los cálculos. Los trabajos serán individuales y se valorará fundamentalmente las aportaciones y la crítica de los programas utilizados. Los alumnos dispondrán también de varios problemas y cuestiones para su resolución de forma individualizada. Los problemas, una vez resueltos, serán entregados para su corrección al profesor. El día señalado para su revisión, y una vez entregados a los alumnos los problemas corregidos, el profesor o bien un alumno mostrará en clase como se resuelven. El profesor procurará que se produzca una discusión sobre las distintas formas de realizar el planteamiento general del problema y, sobre todo, que los alumnos justifiquen razonadamente los aciertos y errores cometidos. 5

6 C.- Tutorías Las tutorías grupales servirán para aclarar dudas y detectar fallos en la consecución de las competencias de la materia, se resolverán dudas personalizadas de los alumnos relativas al temario y los ejercicios propuestos en las sesiones de Seminario. Cada alumno realizará al menos un trabajo individual sobre los contenidos que se dan en la asignatura: resolución de un tipo determinado de problema o bien una ampliación sobre alguno de los aspectos que se ven en las clases de teoría. En estas sesiones. También se suministrará bibliografía de apoyo, así como pautas para la ampliación de la misma por parte del alumno. Adicionalmente, los alumnos podrán consultar al profesor a través del Campus Virtual SUMA, todas aquellas dudas que no hayan podido ser solucionadas de forma presencial. 6

7 6.2. Estimación del volumen de trabajo del estudiante (ECTS). Actividad ACTIVIDADES TEÓRICAS Volumen de trabajo del alumno Hora presencial A Factor B Trabajo Personal C = (A x B) Volumen de trabajo D = (A + C) Lección magistral ACTIVIDADES PRÁCTICAS Resolución de problemas Seminarios Microaula TUTORÍAS Presencial grupal EVALUACIONES Realización de evaluaciones 4 4 Preparación de evaluaciones TOTAL TRABAJO 150 Total trabajo/25 150/25 = 6 Créditos ECTS 7. Temporalización o cronograma. Actividades Teóricas Fecha/s Nº Horas Tema 1 S1 2 Tema 2 S2 3 Tema 3 S3 1 Tema 3 S 4 2 Tema 4 S6 5 Tema 4 S8 1 Tema 5 S9 2 Tema 5 S10 1 Tema 6 S11 2 Tema 7 S12 3 Temas 8 S13 3 7

8 Actividades Prácticas Resolución de problemas Fecha/s Tema 1 S1 3 Tema 2 S3 3 Tema 3 S4 1 Tema 3 S3 2 Tema 4 S7 4 Tema 4 S8 2 Tema 5 y 6 S10 2 Tema 5 y 6 S11 1 Temas 7 y 8 S13 1 Temas 7 y 8 S14 2 Seminarios Fecha/s Tema 1, 2 y 3 S5 1 Tema 4 y 5 S12 1 Temas 6, 7 y 8 S16 1 Microaula Fecha/s Temas 3 y 4 S8 y S14 4 Tutorías Fecha/s Temas 1, 2 y 3 S8 1 Temas 4 y 5 S11 1 Temas 6, 7 y 8 S16 1 Evaluaciones Fecha/s Temas 1 a 3 S9 2 Temas 4 a 8 S17 2 8

9 8. Evaluación. - Con carácter general, la evaluación de las competencias tenderá a ponderarse de forma proporcional al tipo de actividades formativas programadas. - Las actividades formativas de presentación de conocimientos y procedimientos y de estudio individual del estudiante serán evaluadas mediante una prueba escrita. - Las actividades formativas en las que los estudiantes realicen algún tipo de trabajo o actividad de carácter grupal o individual serán evaluadas de forma continua a partir de las competencias establecidas para la materia sobre la base de la evaluación de los ejercicios e informes presentados por los alumnos. El procedimiento de evaluación se recoge en la siguiente matriz de valoración: Instrumentos de evaluación Criterios de evaluación Ponderación - Controles de asistencia y evaluación continua Trabajos/Resolución de problemas y cuestiones - Asistencia a las clases magistrales, clases de problemas, seminarios, microaula y tutorías - Aprovechamiento de las sesiones, valorándose, especialmente, el interés y la participación activa del alumno. - Adecuada presentación y razonamiento lógico - Claridad expositiva - Valoración de alternativas y propuestas finales, en su caso. - Incorporación de bibliografía relacionada con el caso práctico. - Planteamiento ordenado y correcto del problema y de las etapas de resolución. - Concisión y claridad en los desarrollos: aplicación del método científico. - Corrección en el planteamiento, resolución y resultados finales. - Planteamiento ordenado y correcto de - Trabajo realizado en los los problemas y de las etapas de seminarios, tutorías grupales y resolución. prácticas de microaula - Planteamiento de otras alternativas de resolución - Valoración de los planteamientos realizados - Valoración del trabajo individual - Examen escrito Total - Adecuación de las respuestas al contenido de la prueba. - Estructuración correcta, claridad y concisión. - Planificación temporal adecuada. - Limpieza y orden. 1 punto 1,5 puntos 1 punto 6,5 puntos 10 puntos 9

10 El examen escrito, está constituido por varias cuestiones teórico-prácticas que incluirán, en su caso, algunos cálculos numéricos en forma de problema de extensión limitada, representativos de los contenidos de todas las lecciones constitutivas del programa. Se indicará el valor de cada cuestión de cara a la nota final. El examen se calificará en la escala de 0 a 10 puntos. Se realizarán dos controles (exámenes eliminatorios) y un examen final Para aprobar la asignatura es preciso alcanzar una puntuación mínima de 2,4 puntos en el examen escrito. Cumplida esta condición, en los dos exámenes, la asignatura se superará con una nota mínima global de 5 puntos sobre 10. En el caso de que el alumno no supere la asignatura en la convocatoria ordinaria, se le conservarán las notas obtenidas en los tres primero módulos de la evaluación, que se sumarán a la nota del examen escrito en la siguiente convocatoria. En cualquier caso, la nota mínima global para superar la asignatura seguirá siendo de 5 puntos. 9. Bibliografía recomendada. Introducción a la Ingeniería Química. Guillermo Calleja Pardo. Editorial Síntesis Ingeniería Química. 3 Flujo de Fluidos. E. Costa Novella. Editorial Alhambra Mecánica de los Fluidos e Hidráulica. Ranald Giles. Editorial McGraw Hill Mecánica de los Fluidos. 9ª edición. V. L. Streeter, E. B. Wyle y K. W. Bedford. Ed. McGraw Hill Introducción a la Mecánica de Fluidos. 4ª edición. R. W. Fox y A. T. McDonald. Ed. McGraw Hill Mecánica de Fluidos. Frank M. White. Ed. McGraw Hill Fundamentos de transferencia de momento, calor y masa. J.R. Welty, Ch. E. Wicks y R. Wilson. Ed. Limusa. Operaciones Básicas de la Ingeniería Química. George G. Brown. Editorial Marín S. A