UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE TECNOLOGÍA ESCUELA DE QUÍMICA QUÍMICA INDUSTRIAL

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1 UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE TECNOLOGÍA ESCUELA DE QUÍMICA QUÍMICA INDUSTRIAL ASIGNATURA: FLUIDOS y SOLIDOS. CODIGO: QI734. CAMPO DE FORMACION: ESPECIFICA. HORAS CREDITO: 4 INTENSIDAD HORARIA SEMANAL: T=4 P= 2 TOTAL=6 HORAS OBJETIVOS GENERALES: 1. Conocer las leyes básicas que gobiernan a los fluidos en reposo (hidrostática) y a los fluidos en movimiento (hidrodinámica), con la finalidad de comprender las operaciones de bombeo de líquidos y gases, junto con su posterior transporte a través de ductos. 2. Identificar aquellas propiedades físicas de los fluidos y de los sólidos, que resultan ser de vital importancia para la comprensión del desempeño de éstos, dentro de las diferentes operaciones unitarias que se llevan a cabo en las industrias de procesos. 3. Comprender los fundamentos físicos y/o químicos de diversas operaciones unitarias, tales como: triturado de sólidos, tamizado de sólidos, separación mecánica de sólidos, transporte de sólidos, centrifugación de mezclas sólido-líquido, filtración de mezclas sólido-líquido y mezclado de sistemas sólido-líquido. CONTENIDO DEL PROGRAMA: UNIDAD 1. ESTATICA DE FLUIDOS (HIDROSTATICA). 1. Conocer la definición de las propiedades que son básicas para el estudio de los fluidos. 2. Comprender la forma como se transmite la presión en los fluidos en reposo. 3. Comprender los Semanas 1 y 2. Conceptos de densidad absoluta (ρ), relativa y peso específico. La definición de presión, sus unidades y sus interconversiones. Presiones atmosférica (P atm ), barométrica (P bar ) y manométrica (P man ). Presión absoluta y presión relativa. La presión en los fluidos en reposo. Definición Newtoniana de viscosidad (µ = τ/[dv/dy]). El concepto de reología y diagramas reológicos. Fluido Newtoniano y no Newtoniano. Fluido plástico. Fluido tixotrópico. Conceptos de viscosidad dinámica (absoluta) y cinemática. Definición de tensión superficial (σ). El fenómeno de capilaridad. Significado de fluido compresible e incompresible. Calculo de presiones con manómetros en U o piezómetros (simples y múltiples, cerrados y/o abiertos, con un solo líquido y/o con varios líquidos no miscibles). Principios de Pascal y de Arquímedes. 1. Medición de la densidad de un líquido problema, empleando un tubo de vidrio en U. 2. Desarmado de una prensa hidráulica de vehículo, y reconocimiento de sus componentes. 3. La construcción de un densímetro, y los principios de su funcionamiento.

2 UNIDAD 2. DINAMICA DE FLUIDOS (HIDRODINAMICA). 1. Conocer la ecuación de Bernoulli y su aplicación al flujo de fluidos incompresibles. 2. Conocer los factores que definen las pérdidas energéticas de los fluidos en movimiento. 3. Analizar el comportamiento de los fluidos en movimiento a través de ductos (tuberías). Semanas 3 y 5. Los conceptos de flujo másico, caudal y área de flujo. Tiempo de residencia (τ) de un flujo másico en un equipo volumétrico. Ejercicios de tiempo de llenado y/o vaciado de tanques. Los conceptos de línea de corriente, tubo de corriente, trayectoria y traza. Los conceptos de flujo laminar, turbulento, uniforme, no uniforme, permanente (estacionario) y no permanente (transitorio). La ecuación de continuidad o de balance de masa. Las ecuaciones de Euler y de Bernoulli para flujos incompresibles. La ecuación de Bernoulli o de balance de energía mecánica, interpretada como energía por unidad de peso. La unidad de longitud como unidad sustituta de Julios/Newtons. La ecuación de Bernoulli generalizada. Significado de pérdidas por fricción y de potencia de impulsión o cabeza hidráulica. El número de Reynolds para tuberías y su significado. Diferenciación entre flujos laminar y turbulento, según el número de R e. El número de Reynolds en ductos no circulares. Rugosidad y rugosidad relativa en tuberías. Ecuaciones de Darcy para calcular pérdidas por fricción en tuberías y en accesorios. El factor de fricción de Fanning. El diagrama de Moody. El concepto de flujo completamente desarrollado. El concepto de longitud equivalente y su utilidad. Relación entre pérdidas en tuberías y pérdidas en accesorios. Tablas para calcular valores de L e y K en tuberías y accesorios. Potencia hidráulica de una bomba. Eficiencia mecánica de una bomba. Tablas comerciales sobre dimensionado de tuberías. Diámetros nominal, interno y externo de tuberías. Número de cédula de una tubería. 1. Demostración del teorema de Bernoulli, en sus formas ideal y generalizada. 2. El número de Reynolds y su relación con los flujos laminar, de transición y turbulento. 3. Pérdidas energéticas de fluidos en movimiento, debida a fricción en ductos y accesorios. UNIDAD 3. BOMBAS, VENTILADORES Y COMPRESORES. 1. Conocer la fundamentación teórica básica de las bombas, ventiladores y compresores. 2. Conocer la teoría de semejanza o similitud de las máquinas hidráulicas. 3. Conocer las curvas características básicas de las máquinas hidráulicas. Semanas 6-8. Definición de bomba hidráulica. Definición de bomba centrifuga. Definición de bomba de desplazamiento positivo (reciprocante y rotatoria). Tipos de succión: simple, doble, negativa, positiva y a presión. Tipos de flujo: radial, axial y mixto. Carga teórica de una bomba centrifuga (ecuación de Euler). Curvas características teóricas. Eficiencia hidráulica de una bomba (η h ). La velocidad específica (N s ). Teoría de la similitud aplicada a las bombas. Determinación del gasto en una bomba de pistón. Curvas características y aplicaciones generales para bombas centrífugas, reciprocantes y rotatorias. El fenómeno de cavitación. La carga positiva neta de succión (NPSH). Definición de ventilador. Tablas, curvas características y aplicaciones generales para ventiladores. Definición de compresor. Tablas, curvas características y aplicaciones generales para compresores. 1. Identificar las partes y conocer el desempeño de una bomba centrífuga. 2. Acoplamiento en serie de bombas centrífugas. 3. Acoplamiento en paralelo de bombas centrífugas. UNIDAD 4. TAMIZADO DE SOLIDOS. 1. Diferenciar concretamente el tamizado industrial del tamizado de laboratorio.

3 2. Conocer las especificaciones de un tamiz y los factores que afectan su desempeño. 3. Conocer las diversas formas de calcular la superficie específica de un sólido pulverizado. Semanas Definición de tamizado - cribado. Tamaño de malla, Distribución por tamaño, Capacidad y eficiencia de los tamices - series de tamices. Significado del número de malla de un tamiz. Relación entre el diámetro del alambre y el tamaño de la abertura en un tamiz. Definición de diámetro de una partícula irregular (D p ). Area ideal de una partícula (A i = πd i 2 ). Area real de una partícula (A p = f o D p 2 ). Volumen ideal de una partícula (V i = πd i 3 /6). Volumen real de una partícula (V p = k o D p 3 ). El factor de forma de una partícula. 1. Determinación de la eficiencia o rendimiento de un tamiz. 2. Análisis granulométrico de un sólido pulverizado usando una torre de tamices. UNIDAD 5. TRITURADO DE SOLIDOS. 1. Conocer los principios de funcionamiento de las diferentes máquinas trituradoras. 2. Identificar los factores que generan el consumo de energía en un proceso de triturado. 3. Conocer las leyes generales de trituración de sólidos. Semanas Clasificación del tipo de trituración según el tamaño de la partícula alimentada: gruesa (250 cm a 10 cm), intermedia (10 cm a 1,5 cm) y fina (menor a 1,5 cm). Principios de funcionamiento (no detallados) de los trituradores. Corte, Trituración, Pulverización. Selección de un triturador según el tipo de trituración. Factores que influyen en la trituración. UNIDAD 6. SEDIMENTACION LIBRE DE SOLIDOS. 1. Conocer los principios básicos de la sedimentación libre de sólidos. 2. Comprender los procesos de elutriación y flotación, como técnicas para separar sólidos. 3. Conocer los diferentes equipos utilizados para sedimentación, elutriación y flotación. Semanas 13. Definición de sedimentación. Sólido Gas, Sólido Líquido, Velocidad de caída, Velocidad Terminal, Separación diferencial, Lecho fluidizado, Transporte fluidizado, El concepto de sedimentación libre o por gravedad. Balance de fuerzas en una partícula que se sedimenta libremente en el seno de un fluido. El coeficiente de fricción (f) o de arrastre (C D ) en un proceso de sedimentación. Velocidad límite de sedimentación. equipos utilizados en la sedimentación. La Flotación: Separación de sólidos finamente divididos, sometiéndolos simultáneamente a sedimentación y a un flujo de aire en dirección contraria a la gravedad. Importancia de la tensión superficial en la separación por flotación. Principios básicos de la separación por flotación. Reactivos para flotación (espumantes, colectores, promotores y modificadores). Diferentes equipos utilizados en la flotación. 1. Determinación de la viscosidad de un líquido empleando la ecuación de Stokes. 2. Determinación del tiempo de sedimentación de un sólido vs su diámetro de partícula. UNIDAD 7. SEDIMENTACION FORZADA DE SOLIDOS. 1. Conocer los fundamentos teóricos de la sedimentación forzada de sólidos y líquidos. 2. Identificar varios de los procesos que tienen su base teórica en la sedimentación forzada. 3. Conocer los fundamentos de las separaciones por centrifugación y ciclonado.

4 Semanas 14. Definición de sedimentación forzada o centrífuga. La aceleración centrípeta vista como un campo gravitatorio artificial o campo centrífugo fuerte. La sedimentación centrífuga de partículas sólidas o líquidas, en el seno de un líquido. La sedimentación centrífuga vista como procesos de: separación sólido-líquido (filtración centrífuga), separación sólido-gas (ciclonado), y separación líquido-líquido (desmulsificación). Definiciones de filtración centrífuga horizontal y filtración centrífuga vertical. Definiciones de filtraciones centrífugas: continua, discontinua y discontinua automática. Equipos de filtración centrífuga más representativos. Definición de ciclón. Características básicas de un ciclón. Fundamentos teóricos para el cálculo de ciclones. Definición de Emulsión. Significado de la expresión rotura de emulsiones o desmulsificación. Definición de desmulsificación centrífuga. Importancia de la tensión superficial en los procesos de desmulsificación centrífuga. Fundamentos teóricos de la centrifugación líquido-líquido. 1. Tiempo de separación de un sólido por centrifugación, en función de las rpm y el D p. 2. Sedimentación alta tasa. 3. Floculación mezcla lenta. UNIDAD 8. PROCESOS DE FLUIDIZACION Y FILTRACION. 1. Conocer los fundamentos teóricos de las operaciones de fluidización y de filtración. 2. Identificar a la fluidización como mecanismo de transporte de sólidos a través de ductos. 3. Conocer los procesos de filtración por gravedad a caudal constante y a presión constante. Parte de la semana 15. Definición de fluidización de sólidos. Características básicas que debe cumplir un proceso de fluidización. Esquema general de una instalación de fluidización. Importancia del tamaño de partícula en un proceso de fluidización. El concepto de porosidad de un lecho (ε). Punto crítico o punto de inicio del estado fluidizado. Caída de presión en un lecho fluidizado. Velocidad crítica y velocidad operativa de fluidización. Definición de filtración. Relación entre la filtración y la fluidización. Tipos de filtros: de gravedad, de vacío, de presión y centrífugos (ya vistos). Campos de aplicación de los diversos tipos de filtros. Definición de los regímenes de filtración: a presión constante, a velocidad constante y a régimen mixto. Definición de medio filtrante. Definición de torta. Características básicas de los medios filtrantes. Finalidades de los coadyuvantes para la filtración. Definiciones de trotas compresibles y tortas incompresibles. Distribución y cálculo de la caída global de presión en un proceso de filtración. Resistencia del medio filtrante (constante). Resistencia de la torta (variable). El medio filtrante visto como una porción de la torta. Fundamentos teóricos generales de la filtración. Fundamentos teóricos de la filtración a caudal constante. Fundamentos teóricos de la filtración a presión constante. El filtro prensa. El filtro clarificador (filtro de arena). Lavado de tortas. Escurrido de tortas. 1. Medición de la variación del caudal de filtrado en una filtración con embudos en V. 2. Caudal de filtrado en filtros de arena, y su relación con el tamaño del grano de arena. UNIDAD 9. PROCESOS DE AGITACION Y MEZCLADO. 1. Comprender los fundamentos teóricos de los procesos de mezclado y agitación. 2. Calcular agitadores empleando los fundamentos de la semejanza adimensional. 3. Conocer sobre los diferentes equipos empleados en operaciones de mezcla. Parte de la semana 16. Definición de mezclado. El mezclado sólido-sólido. Mezclado de pastas y masas plásticas. Tipos

5 de mezcladoras: amasadoras, dispersadoras, masticadoras, prensas mezcladoras, rodillos mezcladores, batidoras, etc. Potencia de mezclado. Indice de mezclado. Mezclado de polvos secos. Tipos de mezcladoras: de cintas, rotativas, de tornillo interno, con rodetes de impacto, de rodillos, etc. Indice de mezclado de sólidos granulares. Indice de mezclado a tiempo cero. Definición de agitación. La agitación vista como procesos de mezclado sólido-líquido y líquido-líquido. Tipos de agitadores. 1. Medición de la uniformidad de mezclado vs el tiempo de agitación. METODOLOGIA: Temática teórica: La totalidad del contenido de este programa será expuesto por parte del profesor, a través de clases teóricas en las cuales, además de exponer los diferentes temas de cada unidad de una forma interactiva con los alumnos, también deberá realizar talleres relacionados con cada tema. EVALUACION: La materia se evaluara en dos secciones, cada una de las cuales corresponde a la parte de Fluidos cuya ponderación equivale al 50 % de la nota total. De igual forma se evaluara el tema de Sólidos. En cada una de las secciones cada profesor distribuirá los respectivos porcentajes y el numero de evaluaciones que el considere pertinente Laboratorios: Las prácticas de laboratorio que se realicen durante el curso, contribuirán con un 30% a la calificación total del mismo. Será evaluado mediante los respectivos informes de laboratorio. BIBLIOGRAFIA: 1. Munson, Bruce R.; Young, Donald F. y Okiishi, Theodore H.; Fundamentos de Mecánica de Fluidos; Editorial Limusa S.A. de C.V.; Primera Edición; México 2003; Páginas: Streeter, Victor; Wylie, E. Benjamín y Bedford, Keith W.; Mecánica de Fluidos; Editorial McGraw-Hill Companies Inc.; Novena Edición; México 2000; Páginas: Viejo Zubicaray, Manuel y Alvarez Fernández, Javier; Bombas: Teoría, Diseño y Aplicaciones; Editorial Limusa S.A. de C.V., Grupo Noriega Editores; Tercera Edición; México 2003; Páginas: Russell, George; Hidráulica; Compañía Editorial Continental S.A.; Primera Edición; México 1969; Páginas: Vian, Angel y Ocón, Joaquín; Elementos de Ingeniería Química, Operaciones Básicas; Editorial Aguilar S.A.; Segunda Edición; Madrid 1957; Páginas: Ocón García, Joaquín y Tojo Barreiro, Gabriel; Problemas de Ingeniería Química, Operaciones Básicas; Editorial Aguilar S.A.; Tercera edición; Madrid 1980; Páginas Tomo I: 410; Páginas Tomo II: Badger, Walter y Banchero, Julius; Introducción a la Ingeniería Química; Editorial McGraw-Hill; Primera Edición; México 1981; Páginas: McCabe, Warren y Smith, Julian; Unit Operations of Chemical Engineering; McGraw-Hill Book Company, Inc.; First Edition; U.S.A. 1956; Pages: 943.

6 9. McCabe, Warren y Smith, Julian; Operaciones básicas de Ingeniería Química; Editorial Reverté S.A.; Primera Edición; Barcelona 1972; Páginas Tomo I: 500; Páginas Tomo II: Brown, George Granger; Unit Operations; Jhon Wiley & Sons, Inc.; First Edition; U.S.A. 1960; Pages: Brown, George Granger; Operaciones Básicas de la Ingeniería Química; Editorial Marín S.A.; Primera Edición; Madrid 1963; Páginas: Foust, Alan S.; Principles of Unit Operations; Jhon Wiley & Sons, Inc.; First Edition; U.S.A. 1960; Pages: Foust, Alan S.; Principios de Operaciones Unitarias; Compañía Editorial Continental S.A.; Primera Edición; México 1961; Páginas: 704.