Unidad 2. Equipos y Accesorios Para El Manejo de Fluidos

Componentes de Equipo Industrial “Unidad 2. Equipos y accesorios para el manejo de fluidos”

UNIDAD 2. EQUIPOS Y ACCESORIOS ACCESORIOS PARA EL MANEJO DE FLUIDOS FLUIDOS INTRODUCCION En asignaturas anteriores se han tratado aspectos teóricos sobre el flujo de fluidos como lo fue en fenómenos de trasporte y mecánica de fluidos. En este ocasión se estudiaran y comprenderán las diversas condiciones para el transporte de fluidos y se tomaran a consideración estos aspectos teóricos ya estudiados, los métodos que se manejan, los equipos y accesorios indispensables para su realización. En los procesos industriales, los fluidos casi siempre se transportan en canales cerrados, a veces de sección transversal cuadrada, rectangular o circular. Para ello se requiere de equipo como el que se describirá en esta unidad. 1. TUBERIAS Tubo y tubería Los fluidos por lo general se transportan en tuberías o tubos, tienen una sección transversal disponible en una gran variedad de tamaños, espesores de pared y materiales de construcción. Las tuberías tienen pared gruesa y diámetros relativamente grandes y vienen en longitudes moderadas de 20 a 40 ft (6 a 12 m), hay tuberías metálicas que tienen cuerda para enroscar, las paredes de las tuberías por lo general son rugosas, los tramos de las tuberías se unen por collarines, bridas, tornillos roscas o accesorios soldados. El cloruro de polivinilo o PVC es utilizado para la fabricación de tuberías en condiciones de agua residual, también hay tuberías de hierro forjado y de fundiciones especiales. Los tubos tienen una pared delgada y generalmente viene en rollos de varios cientos de longitud. No tienen cuerda para roscar, las paredes son lisas, las piezas de las tuberías se unen por accesorios de compresión, accesorios avellanados o soldados. Estos se fabrican por extrusión, fundición o mediante molduras o prensas. Tamaños de tuberías y tubos Las tuberías y tubos se clasifican en función del diámetro y de su espesor de pared. En las tuberías de acero los diámetros estándar son de 1/8 a 30 in, para tuberías con diámetros mayores son de 12 in, los diámetros nominales son los externos reales para tuberías pequeñas de 3 a 12 in el diámetro nominal es cercano al diámetro interno real, pero para aquellas demasiado pequeñas esto no aplica. Las tuberías de otros materiales también se fabrican con los mismos diámetros externos que las tuberías de acero para permitir el intercambio de partes y se les llama IPS ó NPS lo que significa que no importa el material de fabricación las tuberías tienen el mismo diámetro exterior. El espesor de una tubería está indicado como numero de norma, el cual aumenta con el espesor, y estos números son 10, 20, 30, 40, 60, 80,100, 120, 140,160. El tamaño del tubo está indicado por el diámetro externo. El espesor está indicado por el numero BWG el cual varía desde 24 que es muy ligero, hasta 7 que es muy pesado

Elaboro: M. en I. María del Carmen García Araiza

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Selección de tamaños de tubería El tamaño de tubería seleccionado para una instalación particular depende de los costos y accesorios a usar así como de la energía requerida para el bombeo del fluido. La selección también debe hacerse en función de la velocidad del flujo y la densidad del flujo, así como el tipo de flujo que se trate. 2. VÁLVULAS Todas las válvulas tienen el mismo propósito disminuir o retener un fluido. Estas detienen o controlan el flujo. Esto se realiza colocando un obstáculo en la trayectoria del fluido, él cual es posible moverlo dentro de una tubería. Cuando la resistencia al flujo que provoca una válvula abierta es pequeña, el acercamiento entre la obstrucción y la abertura es grande. Para el control preciso de la velocidad de flujo, se obtiene por lo general mediante una caída de presión, y se reduce de forma drástica el área de sección transversal del canal de conducción, de manera que pueda introducirse una pequeña obstrucción en la abertura pequeña. Válvulas de sello de fuelle Se utilizan a menudo en procesos que implican materiales peligrosos o tóxicos para evitar fugas. Estas válvulas tienen vástagos superiores que hacen subir y bajar la parte superior de un fuelle expandible, moviendo un vástago inferior que esta acoplado dentro del fuelle. El vasto inferior eleva o hace descender el disco de la válvula. El vástago superior puede girar, el inferior, no. El extremo inferior del fuelle esta sellado al cuerpo de la válvula por medio de una junta o una soldadura. Las válvulas de fuelle se encuentran disponibles en varias aleaciones y en tamaños que van de ½ a 12 in. Válvulas de compuerta En una válvula de compuerta, el diámetro de la abertura a través de la cual pasa el fluido es casi el mismo que el de la tubería y la dirección del flujo no cambia, por lo cual una válvula de compuerta abierta introduce una pequeña caída de presión. El disco tiene una forma de cuña y se adapta a un asiento que tiene la misma forma; cuando se abre la válvula, el disco se eleva dentro del cabezal, hasta que queda completamente fuera de la trayectoria del fluido, estas no son recomendadas para el control de fluidos y se dejan abiertas o cerradas por completo. Válvulas de globo Se utilizan para controlar la velocidad de un fluido, la abertura aumenta en forma lineal con respecto a la posición del vástago, y su uso es uniformemente distribuido alrededor del disco. El fluido pasa a través de una abertura limitada y cambia varias veces de dirección como resultado la caída de presión es grande.


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Válvula de pistón Las válvula de pistón son útiles en las tuberías de procesos químicos, para temperaturas inferiores a 250 °C son metálicas. Como en una llave de paso en un laboratorio, un cuarto de giro del vástago hace que la válvula pase de estar abierta en su totalidad a un cerrado total; y cuando está por completo abierta, el canal a través del tapón puede ser tan ancho como el interior de la tubería y la caída de presión es mínima. Válvula de bola El elemento del sello es esférico, y los problemas de alineamiento y congelación del elemento son menores que con una válvula de pistón el contacto entre el fluido y el sello es grande y ambas se usan como válvulas de regulación. Válvula de retención Una válvula de retención permite el flujo solo en una dirección. Se abre debido a la presión del fluido en una determinada dirección; cuando el flujo se detiene o tiende a invertirse, la válvula se cierra automáticamente por la gravedad o por medio de un resorte que hace presión de nuevo en el disco. 3. BOMBAS Las bombas incrementan la energía mecánica del fluido, aumentado su velocidad, presión y elevación de los fluidos o las tres juntas. Las dos clases de bombas son de desplazamiento positivo y las centrifugas. 1. Las de desplazamiento positivo aplican presión directamente al líquido por un pistón reciprocante, o por miembros rotatorios, los cuales forman cámaras alternadamente llenas o vacías del líquido. 2. Las centrifugas general velocidades de rotación, entonces convierten la energía cinética resultante en energía de presión. 1. Bombas de desplazamiento positivo Bombas reciprocantes Bomba de pistón: el líquido pasa a través de una válvula de retención de entrada al interior del cilindro mediante acción de un pistón y entonces es forzado hacia afuera a través de una válvula de retención de descarga en el recorrido de regreso. Son de doble acción, el líquido es admitido alternadamente a cada lado del pistón de manera que una parte del cilindro se está llenando mientras que la otra se vacía. El pistón se acciona mediante un motor a través de una caja reductora o se utiliza una conexión directa a un cilindro accionado por vapor. La presión máxima de descarga para las bombas de pistón comerciales es de 50 atm.


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Bomba de embolo: tienen presiones elevadas. Un cilindro de pared gruesa y diámetro pequeño contiene un embolo reciprocante perfectamente ajustado, que es una extensión de la barra del pistón. Al final del recorrido el embolo llena prácticamente todo el espacio en el cilindro. Las bombas de embolo son de simple efecto y son accionadas por un motor, se pueden usar presiones de 1500 atm o más. Bomba de diafragma: el elemento reciprocante es un diafragma flexible de metal, plástico o hule. Esto elimina la necesidad de empaques o cierres expuestos al líquido de bombeo, lo que constituye una gran ventaja cuando se manipulan líquidos tóxicos o corrosivos. Manejan pequeñas cantidades de moderadas del líquido hasta alrededor de 100 gal/min y pueden tener presión arriba de 100 atm. La eficiencia mecánica de estas bombas es de 40 y 50% para caballaje pequeño para grande va de 70 a 90%. La eficiencia volumétrica se mantiene constante al aumentar la presión de descarga. Bombas rotatorias Tienen nombres como de engranaje, lóbulo, tornillo, leva y de aspa. No tienen válvulas de retención. Cuanto menor sea la tolerancia entre las partes móviles y las estacionarias, las fugas se minimizan desde el espacio de la descarga hacia el espacio de la succión; pero esto también limita la velocidad de operación. Operan mejor los fluidos limpios y moderadamente viscosos y operan con presiones superiores a 200 atm. Bombas de engranaje cilíndrico: los engranes giran con buen ajuste dentro de la coraza. El líquido entra a la línea de succión por la parte inferior de la coraza, es atrapado en los espacios que existen entre los dientes y la coraza y circula hacia la parte superior de la misma y finalmente es lanzado hacia la línea de descarga. El líquido no puede volver a la cámara de succión debido al estrecho ajuste de los engranajes en el centro de la bomba. Bomba de engranaje interno: consta de una coraza, dentro de la cual hay un engranaje cilíndrico o piñón que engrana o ajusta con engrane de anillo que es coaxial con el interior de la coraza, pero el piñón, que es movido desde el exterior, está montado excéntricamente con respecto al centro de la coraza. Una media luna metálica estacionaria llena el espacio que existe entre los dos engranes. El líquido es transportado desde la entrada hasta la descarga por ambos engranes, en los espacios que hay entre los dientes del engrane y la media luna. Bombas peristálticas Se utilizan en la producción de sustancias bioquímica ya que son a prueba de fugas. Tienen un tramo de tubería flexible que es comprimida por una sucesión de rodillos móviles que atrapan el líquido y lo hacen mover a lo largo de la tubería. La descarga es constante, y se pueden usar en flujos pequeños constituyen una mejor elección cuando se extraen líquidos sin posibilidad de derrame o exposición al aire.


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2. Bombas centrifugas La energía mecánica del líquido se aumenta por la acción centrifuga. El líquido entra a través de la conexión de succión concéntrica al eje del elemento giratorio de alta velocidad llamado impulsor o rotor el cual es provisto de aspas radiales inherentes con el mismo. El líquido fluye a hacia fuera por el interior de espacios que existen entre las aspas y deja el impulsor a una velocidad considerablemente mayor con respecto a la de la entrada del mismo. Tienen una velocidad constante de 1750 0 3450 r/min en condiciones ideales y sin fricción la eficiencia es del 100%. Bomba centrifuga de etapa múltiple: la máxima carga que es posible generar con un impulsor está limitada por la velocidad periférica que razonablemente puede alcanzarse. Una bomba centrifuga de alta energía es capaz de desarrollar una carga mayor de 650 ft (200 m) en una sola etapa; pero cuando se necesita mayor carga se acoplan en serie de dos o más impulsores sobre un solo eje para formar una bomba de etapa múltiple. La descarga procedente de la primera etapa constituye la succión de la segunda; la descarga de la segunda, la succión de la tercera y así sucesivamente. Las cargas desarrolladas por cada una de las etapas se suman para dar lugar a una carga total que es varias veces la de una sola etapa. Bombas herméticas: se utilizan para el manejo de líquidos peligrosos. Existen dos tipos principales pero ninguna contiene sellos o cajas prensaestopas. Las primeras son las bombas de rotor enlatado, que son similares a una lata de acero inoxidable alrededor del rotor motor mantiene el fluido bombeando fuera del motor. Las segundas son las bombas de impulsor magnético, que contienen imanes, es conducido por un disco transportador magnético del otro lado de la pared de coraza. Ambos tipos son menos eficientes que las bombas convencionales, pero a menudo es preferible una baja eficiencia que la instalación de complicados sellos mecánicos y sistemas de descarga. 4. VENTILADORES Los ventiladores descargan granes volúmenes de gas dentro de los espacios abiertos o ductos grandes. Son máquinas de baja velocidad que general presiones muy bajas, del orden de 0.04 atm. La densidad del fluido no cambia de manera apreciable y por lo tanto se considera constante. Son de gran tamaño por lo general son centrífugos y operan exactamente sobre el mismo principio que las bombas centrifugas. Es posible que las aspas del impulsor sean curvadas hacia adelante lo que puede llevar a la inestabilidad en la bomba, pero no en el ventilador. Los impulsores del ventilador se montan dentro de una coraza construida con una lámina de metal ligero. Las holguras son grandes y las cargas de salida pequeñas, desde 5 a 50 in de H 2O. Toda la energía suministrada se convierte en energía de velocidad y casi nada en carga de presión. El aumento de velocidad absorbe una cantidad apreciable de energía suministrada y debe incluirse al estimar la eficiencia y la potencia. La eficiencia total, donde la potencia de salida recibe influencia tanto dela carga de presión como de la velocidad es de alrededor del 70%.


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5. SOPLADORES Son aparatos rotatorios de alta velocidad que usan desplazamiento positivo o la fuerza centrífuga que desarrollan una presión máxima de 2 atm. El cambio de densidad es grande. Soplador de desplazamiento positivo: operan como bombas de engranaje, exceoti que, debido al diseño especial de los dientes la holgura es de solo unas pocas milésimas de pulgada. La posición relativa de los impulsores se mantiene precisamente por engranajes pesados externos. Un soplador de etapa simple descarga de 0.4 a 1 atm manométrica, un soplador de doble etapa a 2 atm. Soplador centrifugo: es como una bomba centrifuga, excepto que la coraza es mas estrecha y el diámetro de la misma y la voluta de descarga son relativamente mas grandes que en la bomba centrifuga. La velocidad de operación es elevada, alcanza 3600 r/min o más. Se requiere de altas velocidades y de un impulsor de gran diámetro, debido a que necesita cargas muy altas, en metros o pies de fluido de baja densidad, para generar sencillas relaciones de presión. 6. COMPRESORES Son de desplazamiento positivo o maquinas centrifugas, descargan a presiones desde 2 hasta varios miles de atmosferas. Las bombas de aire y de vacío son máquinas de compresión de gas. El cambio de densidad es grande. Compresores de desplazamiento positivo: se utilizan para presiones de descarga de 6 atm. Tienen aspas móviles, tipo tornillo y compresores liquido-pistón. Operan mecánicamente al igual que las bombas reciprocantes, con la diferencia de que la prevención de fugas es más difícil y el aumento de la temperatura es importante. Las paredes y cabezales del cilindro están provistos de chaquetas para enfriamiento mediante agua o refrigerante. Son accionados por un motor y casi siempre son de doble acción. Compresores centrífugos: son unidades de múltiple etapa que contienen una serie de impulsores en un solo eje que gira a velocidades altas en una coraza maciza. Los canales interiores conducen al fluido desde la descarga de un impulsor hasta la entrada del siguiente. Estas máquinas comprimen volúmenes enormes de aire o gas procesado hasta de 200 000 ft 3/min a la entrada hasta una presión de salida de 20 atm. Las máquinas de menor capacidad descargan a presiones de hasta varios cientos de atmosferas. Bombas de vacío: un compresor que succiona a una presión por debajo de la atmosférica y descarga a la presión atmosférica se conoce como bomba de vacío. Cualquier tipo de soplador o compresor reciprocante, rotatorio o centrifugo puede adaptarse para hacer vacío, modificando el diseño de forma que tren gas a densidad baja por la succión y se alcance la relación de compresión necesaria. A medida que disminuye la presión absoluta en la succión, la eficiencia volumétrica disminuye y se aproxima a cero a la presión absoluta más baja que llega a alcanzar la bomba. El desplazamiento requerido aumenta rápidamente al disminuir la caída de presión de succión, ya que se necesita un equipo muy grande para mover la cantidad de gas.


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7. AGITADORES El éxito de muchas operaciones industriales depende de la efectiva agitación y mezcla de fluidos. Pero ambas no son sinónimas. La agitación se refiere al movimiento inducido de un material en una manera específica, normalmente en un patrón circulatorio dentro de algún tipo de contenedor. Un material homogéneo simple, tal como un tanque lleno de agua fría, puede ser agitado, pero no mezclado. Propósitos de la agitación Los líquidos se agitan con numerosos propósitos, dependiendo de los objetivos de la etapa del proceso. Los propósitos incluyen:    

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Suspensión de partículas solidas Mezclado de líquidos miscibles Dispersión de un gas a través de un líquido en forma de pequeñas burbujas Dispersión de un segundo líquido, inmiscible con el primero para formar una emulsión o suspensión de gotas finas Promoción de transferencia de calor entre el líquido y un serpentín o encamisado

Impulsores (agitadores): son llamados también de rodete y son de dos clases, generan corrientes paralelas al eje del impulsor se llaman impulsores de flujo axial y aquellos que generan corrientes en dirección radial o tangencial se llaman de flujo radial . Los tres principales tipos de impulsores para líquidos de baja a moderada viscosidad son las hélices o turbinas e impulsores de alta eficiencia. Hélices (propulsores): es un impulsor de flujo axial y alta velocidad que se utiliza para líquidos de baja viscosidad. Las hélices pequeñas giran con la misma velocidad que el motor, ya sea a 1150 o 1750 rpm, las grandes giran de 400 a 800 rpm. La dirección de la rotación se elige generalmente para impulsar el líquido a descender, y las corrientes de flujo que salen del impulsor continúan a través del líquido en una dirección determinada hasta que chocan con el fondo del tanque. Las palas de la hélice cortan o cizallan vigorosamente el líquido. Las hélices rara vez superan las 18 in de diámetro, independientemente del tamaño del tanque. En un tanque profundo es posible instalar dos o más hélices en el mismo eje, generalmente dirigiendo los líquidos en la misma dirección. Turbinas: hay turbinas en palas rectas, que empujan el líquido en forma radial y tangencial, casi sin movimiento vertical al agitador. Las corrientes que genera se desplazan hacia afuera hasta la pared del tanque y entonces fluyen hacia arriba o hacia abajo. Estos son llamados a veces paletas. Giran a velocidades comprendidas de entre los 20 y 150 rpm. La turbina de disco con palas múltiples rectas instaladas en un disco horizontal, como el agitador de pala recta, crea zonas de alta velocidad de corte. Es útil para la dispersión de un gas en un líquido. También una turbina de pala cóncava se utiliza para la dispersión de gas. Una de pala inclinada se emplea cuando la circulación global es importante.


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Impulsores de alta eficiencia: se han desarrollado variantes de las turbinas de aspas inclinadas para proporcionar un flujo axial más uniforme y un mejor mezclado, además de reducir la potencia requerida para determinado flujo. El impulsor HE-3 de alta eficiencia tiene tres aspas inclinadas que están plegadas por dentro para disminuir el ángulo de cada aspa cerca del extremo. El agitador A310 usa aspas de forma aerodinámica, las cuales se van adelgazando de modo que son más estrechas en el extremo que en su base. Son empleados para mezclar líquidos de baja o moderada viscosidad pero no se recomiendan para líquidos muy viscosos para dispersar gases. Agitadores para líquidos altamente viscosos: los sistemas agitadores de turbina bien diseñados son recomendables para líquidos que presentan viscosidades de hasta 20 Pa.s pero el agitador de cinta helicoidal es más efectivo para una viscosidad superior a 20 Pa.s. El diámetro de la hélice es muy cercano al diámetro interior del tanque, lo que garantiza el movimiento del líquido en todas las direcciones a la pared del tanque aun con materiales muy viscosos. Para proporcionar una agitación adecuada cerca del fondo del tanque, se utiliza un agitador de ancla. Debido a que no crea movimiento vertical, es un mezclador menos efectivo que el de cinta helicoidal, pero promueve buena transferencia de calor hacia o desde la pared del tanque para ello se equipan con anclas o cintas helicoidales con raspadores que remueven físicamente el líquido desde la pared del tanque. BIBLIOGRAFIA Mccabe, Warren L., Operaciones Unitarias en Ingeniería Química, Editorial Reverte Última edición, México D.F


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