Operaciones unitarias de transferencia de movimiento

Ingeniería en Biotecnología

Séptimo cuatrimestre

Operaciones unitarias

Unidad 1. Operaciones unitarias de transferencia de movimiento (movimiento de fluidos a través de lechos porosos)

Clave

190930728

Universidad Abierta y a Distancia de México

Tabla de contenidos

Presentación de la unidad 3

Propósito de la unidad 4

Competencia específica 5

1.1. Fundamentos 5

1.1.1. Ley de Darcy 5

1.1.2. Definición de porosidad 9

1.1.3. Definición de superficie especifica de partícula 11

1.1.4. Definición de superficie especifica de lecho 12

1.1.5. Definición de velocidad superficial 13

Actividad 1. Ley de Darcy 17

1.2. Ecuaciones para el flujo a través de lechos porosos 18

1.2.1. Ecuación de Konezy- Karman (Régimen laminar) 19

1.2.1. Ecuación de Burke- Plummer (Régimen turbulento) 20

1.2.3. Ecuación de Ergun y de Chilton- Colburn (Flujo global laminar- turbulento 23

Actividad 2. Describir el Movimiento de Fluidos en lechos porosos. 26

1.3. Fluidización 27

1.3.1. Velocidad mínima 32

1.3.3. Porosidad mínima. 34

1.3.3. Altura del lecho. 35

1.3.3. Problemas resueltos. 38

Autoevaluación 41

Evidencia de aprendizaje. Deducir los modelos aplicados para el movimiento de fluidos a través de lechos porosos. 44

Cierre de la unidad 46

Para saber más 46

Fuentes de consulta 47

Unidad 1. Operaciones unitarias de transferencia de movimiento (movimiento de fluidos a través de lechos porosos)

Presentación de la unidad

Comenzaremos dando un panorama general de lo que son las operaciones unitarias. Se llama operación unitaria a una parte indivisible de cualquier proceso de transformación donde hay un intercambio de energía, sea físico, químico o de naturaleza biológica, o de una materia prima en otro producto de características diferentes

Se entiende que los procesos de transformación en general y las operaciones unitarias, en lo particular tienen como objetivo el modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia en una forma más útil a nuestros fines.

Esta transformación puede realizarse de distintas maneras: modificando la masa o composición del cuerpo primario ya sea mezclándolo, separándolo o haciéndolo reaccionar químicamente; modificando la calidad de la energía que posee el cuerpo en cuestión, ya sea por enfriamiento, vaporización, aumento de presión o modificando las condiciones relativas a la cinética del cuerpo primario, ya sea aumentando o disminuyendo su velocidad o modificando la dirección que tiene en el espacio (McCabe, Smith, Harriott, 2008).

En esta unidad se describirán conceptos introductorios de operaciones unitarias en los cuales existe una transferencia de cantidad de movimiento y en algunos aspectos de energía durante algunos procesos ya sea de tipo físico, químico o de naturaleza biológica de una materia prima. Como sabemos los procesos de transferencia de calor en general y las operaciones unitarias estudiadas desde el punto de vista de una partícula tienen como objetivo el modificar condiciones y propiedades de una determinada cantidad de materia o sustancia de una forma más útil para los fines de la biotecnología.

En suma, en esta unidad estableceremos las operaciones unitarias mostrando las que aplican en particular movimientos de flujo por lo cual iniciaremos estudiando los fluidos en medios porosos. ¿Qué son los movimientos fluidos a través de los lechos porosos y para qué nos sirven? ¿En qué fenómenos naturales los puedes observar a diario? ¿En qué procesos industriales están presentes?

En procesos industriales como la filtración y el intercambio iónico, el fluido se mueve a través de un lecho de partícula solida inerte, se trata del estudio del flujo de una sola fase fluida a través de una columna de partículas sólidas estacionarias. Conocerás más de este tipo de procesos cuando revises la Ley de Darcy en el tema uno de esta unidad.

El movimiento de flujos a través de lechos porosos se puede caracterizar a través de variables que se deben considerar para el análisis de alguna operación unitaria en un proceso. Tales variables son por ejemplo las características de la partícula, el medio poroso, el tipo de flujo, la presión, el volumen y la densidad; estas últimas son variables que se mencionarán en el tema dos de esta unidad. Conocerás las ecuaciones que te permitirán determinar la velocidad superficial, altura del lecho y porosidad superficial. Asimismo, resolverás problemas aplicando las ecuaciones de la Ley de Darcy y las ecuaciones de flujos a través de lechos porosos como son Konezy Karman, Burke- Plummer, Ergun y Chilton Colburn.

Por último en el tema tres, aprenderás lo que es la fluidización, es decir, cuando un lecho de partículas opone una cierta resistencia al flujo de un fluido el cual debe pasar por los intersticios o espacios vacíos entre las partículas, con la consiguiente pérdida de energía cinética del fluido.

Existen los fenómenos teóricos desarrollados para el estudio de la transferencia de movimientos de fluidos a través de lechos porosos que tratan de correlacionar la pérdida de presión del fluido (como consecuencia del pasaje a través del lecho de partículas) con características medibles del lecho. Es por tal motivo que esta unidad es de vital importancia para su estudio y comprensión.

Esta materia dará soporte a otras más directamente vinculadas en el desempeño profesional que se especifican claramente en el perfil de futuro ingeniero.

Propósito de la unidad

Al término de la unidad podrás:

Identificar los elementos fundamentales que caracterizan a las operaciones unitarias.

Deducir la Ley de Darcy para la medición de un fluido a través de un lecho poroso en función de la caída de presión y del espesor, así como la permeabilidad.

Calcular la pérdida de carga en la circulación de un fluido a través de un lecho tomando en cuenta el régimen del fluido.

Utilizar las ecuaciones de Ergun, Karman y Burke- Plummer para estimar el factor de fricción modificado.

Deducir la Ecuación de Kozeny para relacionar la velocidad de un fluido con la caída de presión en régimen laminar.

Competencia específica

Relacionar los principios con las características

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