UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA PLAN GLOBAL OPERACIONES INDUSTRIALES I

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1 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA PLAN GLOBAL OPERACIONES INDUSTRIALES I I. DATOS DE IDENTIFICACIÓN Nombre de la materia: Operaciones industriales I Código: Grupo: 1 Carga horaria: 6 teóricas Materias con las que se relaciona: Ecuaciones Diferenciales, Operaciones industriales II y III. Docente: Dr. Gonzalo Alfaro Denus Lic. Cs.Qcas., Esp. I&D., Sc. M., Ph.D., PosD. A.A. Teléfono: Correo Electrónico: gonialfaro@yahoo.com II. JUSTIFICACIÓN En las industrias de procesos físicos, químicos y biológicos, existen muchas similitudes en la forma en que las materias primas son modificadas o procesadas para obtener materiales que son denominados productos finales. Tales procesos aparentemente distintos se clasifican en una serie de etapas individuales llamadas operaciones industriales o unitarias. En tales operaciones industriales, sin embargo, existen tres fenómenos fundamentales que son la transferencia de cantidad de movimiento, la transferencia de calor y la transferencia de masa. Por ello, el estudio de los fenómenos de transporte es importante en las ciencias aplicadas e ingeniería. Se trata del estudio de modelos matemáticos en base a balances microscópicos, macroscópicos y de diseño por similitud sobre fenómenos físicos, químicos y biológicos que se dan lugar en la naturaleza y que son de interés en las operaciones industriales o unitarias. Los resultados son ecuaciones diferenciales que se conocen como ecuaciones de diseño o de variación. En este curso se estudia el desarrollo de ecuaciones de diseño desde el punto de vista microscópico y macroscópico en el fenómeno de transporte denominado transferencia de cantidad de movimiento. Tales ecuaciones deben resolverse para las diferentes situaciones reales intentando simplificar al máximo, ya que su resolución a menudo es complicada. Por ello el curso comprende una parte teórica y una parte de ejercicios prácticos. En la asignatura de operaciones industriales I, se estudian las ecuaciones de variación de los fenómenos ligados a la transferencia de momentum, mientras que en operaciones industriales II y III, se encara el estudio de la transferencia de calor y de masa (difusión), respectivamente. 1

2 III. OBJETIVOS Al finalizar el semestre el estudiante debe ser capaz de: Describir los fluidos y los fenómenos de transferencia de momentum en los medios considerados continuos. Obtener ecuaciones denominadas de diseño a base de modelos matemáticos de los fenómenos mencionados desde el punto de balances microscópicos y macroscópicos y sobre hechos y sucesos principalmente físicos, en el afán de estudiar la naturaleza en su constitución, manifestaciones y consecuencias. Aplicar tales ecuaciones de diseño a situaciones reales de interés y problemas en ingeniería en las que se registra transferencia de momentum. En tales casos es preciso un conocimiento matemático más allá de las ecuaciones diferenciales ordinarias. Contar con una introducción mínima a equipos y aplicaciones en el ámbito de la mecánica de fluidos IV. SELECCIÓN Y ORGANIZACIÓN DE CONTENIDOS UNIDAD 0. BASES Y RECOMENDACIONES Presentación. Horario. Programa. Bibliografía. Evaluación. Recomendaciones. Temas a retomar: introducción y estática de fluidos; operadores vectoriales y propiedades de materiales y formularios. CACAPI UNIDAD 1. CONCEPTOS BÁSICOS DE LOS FENÓMENOS DE TRANSPORTE Al finalizar la unidad, el estudiante será capaz: Ubicar la asignatura en el panorama de su formación profesional u la utilidad de la misma. Distinguir el concepto continuo y molecular de la materia Definir los fenómenos de transporte y las operaciones unitarias Identificar las diferencias entre propiedades, métodos de diseños y balances Planta industrial, procesos, operaciones unitarias y fenómenos de transporte Fluidos y sólidos 1.3. Hipótesis del continuo 1.4. Ecuación general de transporte molecular (leyes)/ecuaciones de conservación 1.5. Balance general de una propiedad (balances microscópicos y macroscópicos) 2

3 UNIDAD 2. TRANSPORTE DE CANTIDAD DE MOVIMIENTO Al finalizar la unidad, el estudiante será capaz: Definir la viscosidad para líquidos y gases Realizar cálculos de propiedades, coeficientes de viscosidad, esfuerzo cortante y gradientes de velocidad Describir la diferencia entre fluidos newtonianos y fluidos no newtonianos. Desarrollar las ecuaciones de variación a partir de los balances microscópicos de masa, momentum y energía desde el punto de vista de Euler y Lagrange 2.1. Transporte de cantidad de movimiento molecular a) Definición b) Mecanismo c) Caso fluido en placas planas. Ley de Newton de la viscosidad (1700) d) Fluidos newtonianos y fluidos no newtonianos e) Coeficiente de la viscosidad y su cálculo f) Generalización de la Ley de Newton g) Dependencia de la viscosidad con la presión y la temperatura h) Teorías de viscosidad en gases y líquidos i) Viscosidad de suspensiones y emulsiones 2.2. Transporte de cantidad de movimiento convectivo UNIDAD 3. BALANCES MICROSCOPICOS EN TRANSPORTE DE CANTIDAD DE MOVIMIENTO Y APLICACIONES Al finalizar la unidad, el estudiante será capaz: Aplicar las ecuaciones de continuidad y de movimiento a ejemplos clásicos de los tipos de flujo viscoso Realizar cálculos sobre distribución de velocidad, velocidades máxima y media, y esfuerzo cortante en flujo viscoso particularmente con la ecuación de Navier Stokes. Definir los números adimencionales Re y otros. Tomar conocimiento de aplicaciones que requieren la resolución de ecuaciones de variación entre derivadas parciales. Distinguir los conceptos de diferentes regímenes de flujo viscoso, incompresible, desarrollado, laminar, turbulento y otros. 3.1 Las ecuaciones de variación para sistemas isotérmicos y mono componentes La ecuación de continuidad La ecuación de movimiento La ecuación de energía mecánica 3.2 Análisis dimencional de las ecuaciones de variación 3

4 3.3 Aplicación de las ecuaciones de variación a fluidos en régimen laminar en estado estacionario y flujo unidireccional a) Flujo a través de un tubo circular b) Flujo de una película descendente c) Flujo a través de una corona circular d) Flujo adyacente de dos fluidos inmiscibles 3.4 Aplicación de las ecuaciones de variación a fluidos en régimen laminar con más de una variable independiente a) Flujo viscoso no estacionario - Medio semi-infinito b) Flujo viscoso estacionario bidireccional- Flujo reptante en una esfera sólida c) Flujo potencial bidimencional en estado estacionario- Flujo invíscido d) Teoría de la capa límite (métodos para flujo en las cercanías al sólido) 3.5 Introducción a la aplicación de las ecuaciones de variación a fluidos en régimen turbulento UNIDAD 4. BALANCES MACROSCOPICOS EN FLUJO DE FLUIDOS Y APLICACIONES Al finalizar la unidad, el estudiante será capaz: Generar los balances macroscópicos de masa, cantidad de movimiento y de energía mecánica. Definir y calcular flujos de fluidos y especificar el tamaño de tubo para que conduzca un flujo de fluido a una velocidad especifica. Realizar cálculos de perdidas de energía en los sistemas de flujo de fluidos. Calcular la potencia agregada a un fluido mediante bombas. Establecer la ecuación de Darcy para perdidas por fricción. Definir factores de fricción y sus aplicaciones. Determinación del factor de fricción utilizando el diagrama de Moody. Definir y usar la técnica de la longitud equivalente para calcular las perdidas de energía en válvulas, junturas y codos de conductos. Calcular la perdida de energía total, las diferencias de elevación, o las diferencias de presión de los diferentes sistemas de línea de tuberías. 4.1 Los balances macroscópicos, globales o integrales Balance macroscópico de materia Balance macroscópico de cantidad de movimiento Balance macroscópico de energía total Balance macroscópico de energía mecánica 4

5 4.2. Aplicaciones de los balances macroscópicos de masa, momentum y energía a) Balance de masa en un tanque agitado b) Balance de energía en una caldera de vapor c) Balance de energía en un sistema de flujo con bomba d) Balance de energía mecánica en un sistema con bombeo e) Cálculo de flujo mediante tubo Venturi f) Potencia de un motor para un sistema de flujo g) Aplicaciones de la ecuación de Bernoulli h) Balance de momento lineal para una tobera horizontal i) Fuerza ejercida por el impacto de un chorro fluido sobre una placa 4.3. Caída de presión y perdidas de por fricción en flujo laminar y turbulento Factores de fricción a) Factores de fricción en conductos b) Factores de fricción alrededor de objetos sumergidos c) Flujo a través de lechos rellenos Coeficientes de fricción a) Coeficientes de fricción en conductos rectos b) Coeficientes de fricción en accesorios de tuberías c) Coeficientes de fricción en una brida de orificio Aplicaciones de uso de factores y coeficientes de fricción a) Resolución por aproximaciones sucesivas del diámetro de una tubería b) Pérdidas por fricción en expansiones, reducciones y otros accesorios c) Pérdidas de fricción y balance de energía mecánica 4.4 Otras aplicaciones a) Descarga en recipientes b) Mediciones de flujo, bombas y otros. c) Selección y aplicación de bombas d) Ventiladores, sopladores, compresores y flujo de gases UNIDAD 5. PRACTICA EXPERIMENTAL Al finalizar la unidad, el estudiante será capaz de tomar contacto con experiencias en una planta piloto en el campo de fluidos y calor. 5.1 Determinación de viscosidad de un aceite comestible, de un aceite de lubricación mecánica y glicerina por la experiencia de Stokes. 5

6 V. METODOLOGIAS Exposición mediante pizarra y marcadores a color e, intermitentemente, con diálogo participativo del alumno hacia el buen entendimiento de conceptos. El enfoque principal es animar al estudiante en la habilidad a diseñar sistemas prácticos y eficientes y provocando interés a través de preguntas. Después de exposiciones teóricas se resuelven ejercicios y problemas para reconocimiento de planteamiento lógico de la solución de problemas, y de ser posible y adicionalmente, un auxiliar ad honorem colabora en la resolución de otros ejercicios y problemas complementarios. Adicionalmente se ofrece una práctica voluntaria en secado en uno de los centros de investigación de la facultad, si se logra la autorización. El desarrollo de las clases teóricas y de ejercicios se realizan de acuerdo a un plan de clases que es disponible para todos los estudiantes. En cada unidad de importancia existe una guía de ejercicios con preguntas y problemas que los estudiantes deben resolver en un cuaderno de ejercicios y tal guía es disponible para todos los estudiantes. VI. CRONOGRAMA O DURACIÓN EN PERIODOS ACADÉMICOS POR UNIDAD UNIDAD DURACIÓN (HORAS ACADÉMICAS) DURACIÓN EN SEMANA INTRODUCCION 12 2 CONCEPTOS BASICOS DE LOS FENOMENOS DE TRANSPORTE 18 3 BALANCES MICROSCOPICOS 36 6 BALANCES MACROSCOPICOS 36 6 Practica experimental 6 1 Práctica de determinación de viscosidad 6 6 6

7 VII. CRITERIOS DE EVALUACIÓN De acuerdo a la reglamentación vigente en la Facultad de Ciencias y Tecnología, la evaluación es sumativa y se realiza siguiendo el sistema regular de exámenes de la carrera de Ingeniería Industrial. PRIMER PARCIAL - Unidades 1, 2 y 3. Prueba teórica escrita presencial, 50% Prueba problemas escrita presencial, 50% Si el alumno cumplió lo descrito, el resultado del examen Primer Parcial debe estar entre 1 y 100. TOTAL PRIMER PARCIAL SOBRE 100 % SEGUNDO PARCIAL - Unidad 4. Prueba teórica escrita presencial, 50% Prueba problemas escrita presencial, 50% La nota del segundo parcial, con las mismas consideraciones del primer parcial. TOTAL SEGUNDO PARCIAL SOBRE 100 % PROMEDIO DE LOS PARCIALES: Se promedian los dos parciales; Este promedio se redondea al entero correspondiente. Conforme a la normativa señalada, los estudiantes que obtiene un promedio mayor o igual al 51%, tomando las notas del primer y segundo parcial, aprueban la materia y aquellos que teniendo un promedio menor a 51% podrá dar un examen final, que será escrito. EXAMEN FINAL: Esta nota tiene una ponderación de 100 puntos y no necesita de un promedio de parciales; es decir que todo estudiante está habilitado para dar el examen final sobre 100 puntos. SEGUNDA INSTANCIA SI EL VALOR DEL PROMEDIO FINAL ES MAYOR O IGUAL A 26 el estudiante estará habilitado para dar el examen de segunda instancia, caso contrario la segunda instancia será bloqueada. NOTA FINAL: Si el alumno aprobó en el promedio de parciales, la nota final es ese promedio. Si el alumno dio el examen final, la nota final es la mayor de las notas entre este examen final y el promedio de parciales. Si el alumno dio el examen de segunda instancia, la nota final es esta nota, anulando todas las anteriores. 7

8 VIII. BIBLIOGRAFÍA Geankoplis Christie. Fenómenos de transporte y operaciones unitarias. Prentice Hall International Inc Bird R. B., Stewart W.E. and Light foot E. N. Fenómenos de transporte Reverte Guzmán A. Solucionario fenómenos de transporte, Comercial Librería SAN MARCOS LPG. Giles V. R., Evett B.J. y Liu Cheng. Mecánica de los fluidos e hidráulica. Editorial Mc Graw Hill Mott Robert. Mecánica de fluidos aplicada. 4a. edición. Ed. Pearson Ocon Barcia Joaquín y Tojo Barreiro Gabriel. Problemas de Ingeniería Química. Editorial Aguilar oo0oo