MECÁNICA DE FLUIDOS - Operaciones Unitarias I

OBJETIVO GENERAL DEL CURSO:

Mejorar en el profesional de ingeniería las competencias que requiere para modelar y resolver las ecuaciones gobernantes que describen el comportamiento de los fluidos en reposo y en movimiento, en estado estacionario o transitorio. Se espera que, al finalizar el curso, el participante sea capaz de proponer soluciones a problemas aplicados de la mecánica de fluidos.

CONOCIMIENTOS Y HABILIDADES PREVIOS:

• Cálculo vectorial, diferencial e integral.
• Mecánica del medio continuo.
• conceptos básicos en Termodinámica y fenómenos de transporte.

REQUISITOS CURRICULARES:

• Ninguno.

CAPITULO 1: INTRODUCCIÓN AL DISEÑO Y SIMULACIÓN DE PROCESOS ASISTIDO POR COMPUTADORA

1. 1. Introducción

• Diseño de procesos
• Pasos principales del diseño de una planta química
• Descripción general de los simuladores de procesos más conocidos

2.2. Descripción general de simulación de procesos con Aspen Hysys

• Limitaciones de los simuladores
• Información mínima requerida antes de simular

2.3. Bases y entorno de propiedades de simulación en Aspen Plus

• Administrador de bases de la simulación (SBM)
• Opciones disponibles en el Panel de navegación

2.4. Modelos termodinámicos y criterios de selección

• Modelos generales más utilizados en simulación
• Ecuaciones de estado
• Modelos de coeficientes de Actividad
• Criterio N°1: Uso de la temperatura reducida
• Criterio N°2: Methods Assistant (según tipo de mezcla, sistemas y proceso)
• Criterio N°3: Methods Assistant (según el tipo de compuestos y las condiciones operativas)

2.5. Cálculo de propiedades de fluidos

• Aspen Properties
• Herramienta ANALYSIS
• User – Defined Component Wizard
• Determinación de Curvas de punto de Ebullición.
• Propiedades criticas de compuestos puros y mezclas
• Construcción de diagramas de equilibrio PT, PV, PH, PS, TV, TH y TS
• Estimación de propiedades físicas, termodinámicas y de transporte de compuestos puros y mezclas

2.6. Equilibrio líquido - vapor

• Introducción a la destilación
• Diagramas de Equilibrio Isobaro, Isotérmico y de composiciones.
• Ley de Raoult
• Evaporación Instantánea
• Balance de materia y energía en destilación en el equilibrio.
• Ambiente de simulación ASPEN PLUS

2.7. Ciclos de Potencia - Refrigeración - Calefacción

• Descripción de los procesos y subsistemas
• Microturbina de combustión interna CAPSTONE C30 MTCI
• Sistema de refrigeración por absorción ARS
• Integración del ARS a la MTCI
• Características de los componentes de la MTCI (Tasa de energía de entrada, eficiencia eléctrica, disponibilidad de calor para recuperación)
• Rendimiento energético de sistemas CCHP (Calculo de Tasa de energía primaria, COP, electricidad producida, eficiencia eléctrica, entrada de potencia, eficiencia CHP) 

CAPITULO 2: NATURALEZA DE LOS FLUIDOS 

2.1. Conceptos Fundamentales

• Presión
• Peso y Masa
• Sistemas de unidades
• Compresibilidad de fluidos
• Densidad
• Peso especifico
• Gravedad especifica
• Relación entre la densidad y peso específico

2.2. Viscosidad de los fluidos

• Viscosidad dinámica
• Viscosidad cinemática
• Fluidos NEWTONIANOS y no NEWTONIANOS

2.3. Medición de presión

• Presión absoluta
• Presión manométrica
• Relación entre la presión y la Elevación

CAPITULO 3: FLUIDOS INCOMPRESIBLES

3.1. Introducción

3.2. Principios físicos en la mecánica de fluidos

• Ecuación de continuidad
• Conservación de energía – fundamentos de la ecuación de Bernoulli
• Restricciones de la ecuación de Bernoulli
• Teorema de Torricelli
• Chorro vertical de Fluidos
• Flujo debido a la disminución de la carga
• Ecuación General del Balance de Energía Mecánica
• Potencia que requieren las Bombas
• Potencia transmitida al Fluido
• Eficiencia mecánica de las bombas
• Potencia suministrada a Motores de Fluidos u turbinas

3.3. Régimen de flujo

• Numero de Reynolds
• Ecuación de Darcy
• Perdida de Fricción en el Flujo Laminar
• Perdida de Fricción en el flujo turbulento
• Coeficiente de Resistencia
• Expansión súbita y Gradual
• Perdida en la salida
• Contracción súbita y Gradual
• Coeficiente de resistencia para válvulas y acoplamientos de tuberías
• Ecuación general para el cálculo de las pérdidas totales por fricción en tuberías

4.4. Selección y aplicación de dispositivos mecánicos de aumento de energía (bombas)

• Factores a considerar al seleccionar una bomba para una aplicación en particular
• Parámetros a considerar después de seleccionar la bomba.
• Tipos de bombas
• Leyes de afinidad para bombas centrifugas
• Instalación de bombas.
• Carga neta de Succión Positiva disponible y requerida

4.5. EJEMPLOS DE APLICACIÓN (Diseño y simulación de sistemas reales con bombas, tuberías y accesorios)

• Incrementando el diseño de sistemas de transporte
• Generación de curvas de rendimiento y operación de dispositivos mecánicos de aumento de presión
• Unidades De Cambio De Presión Y Tuberías En ASPEN PLUS (PUMP, COMPR, MCOMPR, VALVE, PIPE Y PIPELINE)
• Tuberías E Hidráulica En ASPEN HYSYS (MIXER, TEE, PIPE SEGMENT, GAS PIPE, ASPEN HYDRAULICS, OLGA LINK, PETROLEUM EXPERTS GAP, PIPESIM LINK EXTENSION, PIPESIM NET UNIT y HEADER)
• Equipos Rotativos En ASPEN HYSYS (PUMP, CONTROL VALVE, RELIEF VALVE, COMPRESSOR y EXPANDER)
• Equipos Disponibles En PIPE FLOW EXPERT (CHANGE FLUID, ADD TANK, ADD DEMAND (PRESSURE), ADD JOIN POINT, ADD PIPES, ADD FITTINGS, ADD COMPONENT PRESSURE LOSS, ADD CONTROL VALVE, ADD PUMP y ADD DEMAND (FLOW))

CAPITULO 4: FLUJO COMPRESIBLE EN TUBERÍAS 

4.1. Introducción

4.2. Principios físicos fundamentales

• Numero de MACH (Tipos de flujo)
• Suposiciones para el estudio de flujo compresible.
• Deducción de Ecuación de continuidad para flujo compresible
• Balance de energía Total
• Balance de Energía Mecánica para flujo compresible
• Velocidad del Sonido
• Ecuaciones de Estado de los Gases perfectos y Reales.
• Velocidad Acústica y Numero de MACH para un gas Ideal
• Ejemplos de aplicación (ASPEN HYSYS, ASPEN PLUS y PIPE FLOW).

4.3. Procesos en flujo de fluidos compresibles

• Expansión ISENTROPICA – ADIABÁTICO – ISOTÉRMICO.
• Flujo adiabático con Fricción.
• Ecuaciones de Propiedad para Flujo Adiabático

4.4. Diseño y simulación de sistemas de flujo compresible reales

• Ejemplos de aplicación (ASPEN HYSYS, ASPEN PLUS y PIPE FLOW)

4.5. Sistemas de compresión

• Tipos y operación de Compresores
• Componentes principales de compresores
• Ecuaciones para sopladores y compresores
• Compresión Adiabática
• Compresión isotérmica
• Compresión politrópica
• Ecuación de la Potencia
• Efecto del peso molecular del gas en el rendimiento de compresores centrífugos
• Ejemplos de aplicación (ASPEN HYSYS, ASPEN PLUS y PIPE FLOW)
• Parámetros de Simulación Real 

CAPITULO 5: TEMAS AVANZADOS DE MECÁNICA FLUIDOS

5.1. Análisis hidraulico de flujo de tubería en Aspen Hysys (ASPEN HYDRAULICS)

• Modelado de tuberías
• Ecuaciones diferenciales generales De NAVIER STOKE
• Modelos de tuberías en ASPEN HYSYS (Flujo monofásico y multifasico)
• Modelado de REDES de tuberías
• Patrones de Flujo en tuberías horizontales, verticales he inclinadas
• Correlaciones de flujo de tuberías para la determinación de la caída de presión
• Formación de Hidratos he inhibición en tuberías
• Flujo multifasico en Baterías de Producción

5.2. Diseño e instalación de válvulas de control

• Elemento de control final
• Acción de falla de una válvula de control
• Fabricantes de Válvulas de Control
• Especificaciones para estimar una válvula de control
• Coeficiente de una válvula de control : Tamaño de una válvula de control
• Válvula con Característica de abertura rápida
• Válvula de característica lineal
• Válvula con característica de igual porcentaje.
• Ubicación de las válvulas de control
• Instalación de válvulas de control

5.3. Dimensionamiento de tuberías (cálculo del tamaño óptimo) Line Sizing

• Ejemplos de aplicación

5.4. Diseño, simulación y operación de recipientes a presión reales

• Equilibrio vapor líquido y análisis de columnas de destilación
• Diagramas de equilibrio isobaro e isotérmico
• Ley de RAOULT
• Diseño y operación de columnas de una sola etapa – Evaporación Instantánea (Balances de Materia y Entalpia)
• Diseño y Simulación de Separadores Reales
• Correlaciones para modelo real en ASPEN HYSYS

CAPITULO 6: FLUJO DE FLUIDOS ALREDEDOR DE CUERPOS SUMERGIDOS

6.1. Introducción

• Conceptos fundamentales
• Coeficientes de rozamiento

6.2. Flujo a través de lechos sólidos

• Ecuaciones generales
• Volumen total
• Relación área superficial – volumen de partículas en esferas
• Ecuación de Kozeny - Carman
• Ecuación de Ergun

6.3. Movimiento de partículas a través de fluidos

• Mecánica del movimiento de partículas
• Ecuación para el movimiento unidimensional de una partícula a través de un fluido.
• Velocidad terminal
• Coeficiente de rozamiento
• Movimiento de partículas esféricas

6.4. Sedimentación

6.5. Fluidización

• Condiciones para la fluidización
• Velocidad mínima de fluidización
• Tipos de fluidización
• Expansión de lechos fluidizados
• Aplicaciones de la fluidización 

CAPITULO 7: AGITACIÓN Y MEZCLA

7.1. INTRODUCCIÓN

• Ejemplos De Aplicación Industriales

7.2. IMPULSORES O AGITADORES

• Modelo De Flujo Axial, Tanque Con Placas Deflectoras,
• Modelo De Flujo Radial, Con Placas Deflectoras
• Modelo De Flujo Tangencial, Sin Placas Deflectoras
• Agitadores Para Líquidos De Viscosidad Moderada

7.3. NUMERO DE FLUJO

• Vectores De Velocidad Para La Punta De Un Impulsor Tipo Turbina

7.4. CONSUMO DE POTENCIA

• Correlaciones Potencia
• Correlaciones De Potencia (Energía) Para Impulsores Específicos
• Cálculo Del Consumo De Potencia

7.5. MEZCLA Y MEZCLADO

• Mezcla De Líquidos Miscibles
• Tiempos De Mezclado En Tanques Agitados

7.6. ESCALAMIENTO DE SISTEMAS DE AGITACIÓN

7.7. EJEMPLOS DE APLICACIÓN