operaciones de separación mecanica

MECANICA PARA INGENIERIA IQ-I-III

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Guzmán García María Esther

INTRODUCCION

Este trabajo se ha elaborado con el fin de demostrar las aplicaciones de la

presión atmosférica y hidrostática en la vida daría a continuación e presentara una

aplicación de la presión en las bombas centrifugas utilizadas en varios procesos

de bombeo en las industrias

Este trabajo se divide en varios subtemas:

El primero habla sobre el significado de la presión y los aparaos con que es

medida

El segundo es sobre la descripción de las bombas centrifugas

El tercero es sobre los factores que influyen en la operación de las bombas

El cuarto es sobre los sistemas de bombeo y sus aplicaciones

El quinto habla sobre sus curvas características

El sexto es un problema resuelto


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1.1Otros conceptos de presión de los cuales se hace referencia a

continuación

Es prudente pensar que la presión es directamente proporcional ala fuerza que

ejerce sobre el área, es decir, que aumenta la fuerza ejercida, la presión también

aumenta.

La presión que una sustancia ejerce, depende del peso de la sustancia y del área

sobre el cual ejerce dicho peso este concepto también lo podemos ver en la

presión que la atmosfera ejerce sobre diferentes ´puntos del globo terrestre

Presión atmosférica (barométrica): Es la presión que ejerce la atmosfera sobr3e

la superficie terrestre

Presión absoluta: Es la presión indicada por un manómetro calibrado en cero a la

presión atmosférica

Presión de vacío: son presiones registradas por debajo de la presión atmosférica

también se les conoce como Presiones manométricas negativas

Presión diferencial P : Es la diferencia que hay entre dos presiones

Presión hidrostática: hP : Es la presión ejercida por una columna de liquido

y depende de la altura de la columna y de su densidad o peso especifico


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Presión de vapor vP : Es la presión que ejercen los vapores que se

desprenden de la superficie de un líquido. Está presión depende de la temperatura

ala que se encuentre al liquido, incrementándose su valor con el aumento de

temperatura

Presión parcial: Es la presión ejercida por los vapores de uno de los

componentes de una mezcla de gases y su valor depende de la presión de vapor

del componente puro y su concentración en la mezcla

INSTRUMENTOS PARA MEDIR LA PRECION

BAROMETROS: Torricelli fue el primero en medir la presión atmosférica. Para

ello empleó un tubo de 1 m de longitud, abierto por un extremo, y lo llenó de

mercurio. Dispuso una cubeta, también con mercurio y volcó cuidadosamente el

tubo introduciendo el extremo abierto en el líquido, hasta colocarlo verticalmente.

Comprobó que el mercurio bajó hasta una altura de 760 mm sobre el líquido de la

cubeta. Puesto que el experimento se hizo al nivel del mar, decimos que la presión

atmosférica normal es de 760 mm de Hg Esta unidad se llama atmósfera y esta es

la razón de las equivalencias anteriores

La explicación de este resultado es que la atmósfera ejerce una presión que

impide que todo el mercurio salga del tubo. Cuando la presión atmosférica iguala a

la presión ejercida por la columna de mercurio, el mercurio ya no puede salir por el

tubo.

MANOMETROS: Tubo en “u”. El artefacto más antiguo y al mismo tiempo más

exacto, es el tubo en “U “cuyos extremos se encuentran abiertos a la atmósfera.

Este tubo, al igual que el Barómetro se llena con Hg o algún líquido cuya densidad

sea conocida, hasta alcanzar la parte medida de sus ramas. En estas condiciones

el nivel alcanzado será el mismo ya que en los extremos del tubo se encuentra


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aplicada la misma presión (Presión atmosférica) que hace que el líquido se

equilibré y conserve en las dos ramas el mismo nivel

MANOMETROS DE ELEMENTOS FLEXIBLES: Utilizado en los procesos

industriales debido a que cubre una amplia gama de valores comprendidos desde

1Kg/cm hasta 7050Kg/cm ,adolece de varias desventajas siendo las mas

importantes, que es susceptible ala corrosión y que no puede utilizarse en lugares

donde se requiere de una gran exactitud


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1.2 DESCRIPCION DE LA BOMBAS

Son una parte esencial de los procesos industriales por lo que la selección y

diseño de estas debe hacerse cuidadosamente para evitar las fallas en la

operación de estos equipos y de los procesos tiene la función de impulsar, para su

transportación, n liquido de un nivel bajo a otro mas alto, o de un medio de baja

presión a otro de mayor presión, por lo que podemos definir a una bomba como un

equipo que transforma la energía mecánica en energía cinética o de movimiento, e

tipo hidráulico para mover un liquido entre dos niveles o de un sistema de baja

presión a otro de alta presión

1.1.1APLICACIÓN DE LA PRECION EN LAS BOMBAS CANTRIFUGAS

Este tipo de bombas es el más utilizado por su versatilidad en el manejo de

diferentes tipos de líquidos, pueden mover desde cantidades moderadas, hasta

grandes flujos y mediante arreglos de varios impulsadores pueden alcanzar altas

presiones

1.1.2PARTES DE LA BOMBA CENTRIFUGA

Las bombas centrifugas están constituidas por un impulsor dentro y una caja que

lo envuelve, llamada carcasa

1.-CAHQUETA DE ENFRIAMIENTO: Espacio hueco que rodea la caja de

rodamientos o chumaceras por donde se hace circular agua de enfriamiento con el

propósito de retirar el calor generado por la fricción que se da entre las partes

mecánicas


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2.-RODAMIENTOS O COJINETES: Las bombas tienen dos tipos de rodamientos

o cojinetes, uno de carga colocado en el extremo del lado del impulsor que soporta

la mayor parte del peso de la flecha y otro de empuje del .lado del cople que tiene

la función de evitar el desplazamiento axial de la flecha hacia ese extremo

provocado por la presión del liquido en la succión

3.-SALPICADORES: Son anillos ubicados sobre la flecha de la bomba con la

función de salpicar al aceite hacia los rodamientos para mantenerlos lubricados,

los hay fijos y del tipo viajeros

4.-SELLOS DE LABERINTO: Bordes y canales como los de rosca de un tornillo y

tuerca que tienen la función de evitar las fugas de aceite de la caja de

rodamientos, de esta manera se evita que el aceite de los rodamientos emigre

hacia el bastidor o caja de sellos y hacia el exterior de la bomba por el lado del

cople

5.-BASTIDOR O CAJA DE RODAMIENTOS: Es parte del extremo del lado del

cople de la bomba con el espacio para alijar los rodamientos y depositar el aceite

lubricante

6.-ADAPTADOR: Seccion de la bomba entre la carcasa y la caja de rodamientos

donde se ubican los sellos mecánicos

7.-CAJA DE ENFRIAMIENTO: Espacio hueco que rodea al adaptador para hacer

circular por esté, un fluido de enfriamiento que elimine el calor generado por la

fricción de los sellos con la camisa

8.-FLECHA: Transmite la fuerza del motor hacia el impulsor de la bomba


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9.-RESPIRADERO: Orificio de la caja de rodamientos por donde se eliminan los

vapores que se acumulen en ésta, generalmente por evaporación parcial de los

componentes más ligeros del aceite, evitando l presiona miento del bastidor y con

ello las fugas de aceite

10.-DESCARGA: Conducto por donde sale el líquido que maneja la bomba

11.-BRIDAS DE SUCCION Y DESCARGA: Son del tipo de cara con el objetivo de

acoplar la bomba a las tuberías de succión y descarga por donde circula el líquido,

a través de las bridas

12.-ANILLOS DE DESGASTE: Colocados alrededor del impulsor en el extremo de

la succión y parte posterior así como la carcasa, para evitar el desgaste de estas

partes por el rozamiento

13.-CUÑA: Ayuda a sujetar el impulsor a la flecha para evitar que este se patine

14.-TUERCA DEL IMPULSOR: Para sujetar el impulsor

15.-ARENDELA DE SEGURIDAD: Juntó con la tuerca sujetan al impulsor

16.-IMPULSORES: Dan velocidad al líquido como resultado de la fuerza centrifuga

cuándo este gira

17.-CAMISA O MANGA: Cubierta cilíndrica que protege la flecha del desgaste

que pudiera tener por el rozamiento con lo sellos

18.-JUNTA: Establece un cello en la unión del adaptador con la carcasa para

evitar posibles fugas del líquido por esta unión


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19.-TABIQUE DIVISOR: Reduce la turbulencia y formación del líquido en la

succión evitando la posible cavitación de la bomba

20.-CARCASA: La carcasa es el componente de la bomba centrifuga que encierra

el liquido lanzado por el impulsor y lo envía a la tubería de descarga proporciona

dirección al liquido y convierte su velocidad en energía de presión

21.-SELLOS: Dispositivos cuya finalidad es proporcionar un cierre que reduzca la

cantidad de liquido que se pierde por fugas entre las partes en movimiento y las

fijas de la bomba


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1.2 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA OPERACIÓN DE BOMBAS

CENTRIFUGAS

Existen factores que intervienen en la operación de bombas, que son tomados en

cuenta desde el diseño de las mismas, por lo que debe tenerse cuidado para que

al operarlas no se excedan sus valores máximos

1.2.1 PROPIEDADES FISICAS DEL LÍQUIDO

Las propiedades físicas dl liquido que convierten en la bombas son el peso

especifico, viscosidad, presión de vapor y sobre estas propiedades la temperatura

es muy importante ya que las primeras depende de esta variable

PESO ESPECIFICO: El peso especifico dl liquido que maneja la bomba es

importante ya que si sele hace manejar un liquido con mayor peso especifico la

bomba va a requerir mayor energía para poder bombearlo o se vera reducido su

flujo o su carga dinámica

VISCOSIDAD: La viscosidad de los líquidos influye sobre la operación de una

bomba ya que si esta variable se incrementa se tendrá mayor dificultad para

desplazarlo debido a que se incrementa considerablemente su carga dinámica por

las perdidas debido a la fricción

PRESION DE VAPOR: Está variable influye sobre la carga neta de succión

positiva disponible de una bomba debido a que se incrementa se corre el riesgo

de provocar que el liquido sufra engasa miento y opere la bomba con cavitación


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TEMPERATURA DEL LIQUIDO: La temperatura con la que bomba maneja el

liquido e muy importante ya que cuando se diseña es uno de los factores que se

toman en cuenta debido a que de esta variable dependen las anteriormente

mencionadas. La densidad y viscosidad reducen con el incremento de

temperatura y esto aliviara el trabajo desarrollado por la bomba, sin embargo, se

corre el riesgo de provocar el engasa miento del liquido y por lo tanto la cavitación

de la bomba debido a que se incrementa la presión de vapor el liquido

1.2.2CARGA NETA DE SUCCION POSITIVA (NPSH)

En la operación de las bombas es necesario tomar en cuenta dos cargas netas de

succion, la disponible y la requerida. La carga neta de succión positiva (NPSH) D

de una bomba, es la carga total con la cual la bomba succiona el liquido. Esta

carga depende de las instalaciones, así que los factores que influyen en la carga

son columna estática de succión, perdidas de carga por fricción en la succión,

presión absoluta en el tanque de succión y de la presión de vapor del líquido a la

temperatura de succión


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La otra caga que hay que tomar en cuenta en la operación de bombas es la carga

neta de succión positiva requerida por la bomba este valor lo proporciona el

fabricante de a bomba con sus curvas de operación y depende de la fabricación, la

velocidad especifica y el tipo del impulsor

Para evitar la cavitación de una bomba es necesario cuidar que la diferencia de

entre carga neta de succión positiva disponible y la requerida no sea cero o

negativa. En la practica de los diseños se considera como valor normal de esta

diferencia un mínimo de

1.2.3 COLUMNA O CARGA ESTATICA TOTAL

En los sistemas de bombeo se consideran factores en los cuales se toma en

cuenta la ubicación de la bomba con respecto al recipiente de succión y la

trayectoria que sigue la tubería de descarga hasta el recipiente donde la bomba de

descarga al liquido manejado

LA COLUMNA O CARGA ESTATICA TOTAL se establece con la diferencia

de alturas entre el nivel del liquido en el recipiente de succión y el punto mas alto

sobre la tubería de descarga, esto nos indica que esta carga es la columna que la

bomba realmente tiene que mover al liquido para lo cual tendrá que proporcionar

una energía equivalente a la fuerza de la presión hidrostática general por el

liquido que se bombea En sistemas de bombeo como el de la figura la columna

estática total queda establecida por la diferencia entre la caluma estática de

descarga y la columna estática de succión .


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Para sistemas donde el nivel del líquido succionado se encuentra por debajo de la

ubicación de la bomba, la columna estática total se determina con la siguiente

expresión

COLUMNA ESTATICA DE DESCARGA : Esta columna esta considerada por la

diferencia de alturas entre la bomba y el punto mas alto sobre la tubería de

descarga

COLUMNA ESTATICA DE SUCCION : Se considera como la diferencia de

alturas entre el nivel del liquido en el recipiente de succión y la ubicación de la

bomba, considerando como punto de referencia del impulsor

1.2.4 COLUMNA O CARGA POR PRESION

Cuando se tienen diferentes presiones en los recipientes de succión y descarga de

la bomba, se genera una carga que la bomba tiene que vencer.

Esta carga se determina con la diferencia de presiones entre los recipientes del

sistema de bombeo y el peso específico del bombeo mediante l siguiente

formula:


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1.2.5 COLUMNA O CARGA DEBISO A CAMBIOS DE VELOCIDAD ENEL

LÍQUIDO

Cuando un fluido se somete a cambios de velocidad atreves de la tubería se

genera una carga que depende de la diferencia de estos cambios y de la

aceleración de la gravedad. En el caso de sistemas de bombeo esta carga

generalmente es despreciable(prácticamente cero),ya que la diferencia que se

presenta entre la velocidad en la tubería de succión y en la de descarga y el efecto

de la temperatura no es considerable, debido a que el flujo a través de los

sistemas de bombeo se realiza generalmente a la suma temperatura y los

cambios de volumen por temperatura y los cambios de volumen por temperatura


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en un liquido son muy pequeños por considerarse a los líquidos como

incomprensibles

Las perdidas de carga debido halos cambios de velocidad por reducciones y

ensanchamientos se pueden conocer por la siguiente expresión algebraica

Se debe determinar las pérdidas para cada reducción y en sancha miento del

sistema y sumar los resultados para tener la columna o carga total por cambios de

velocidad. El área de la tubería se puede determinar con el diámetro interno

mediante la expresión


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1.2.6 PERDIDAS DE CARGA POR FRICCION

Es la carga que se pierde por el razonamiento del líquido con las paredes de la

tubería y accesorios, esta carga depende de los siguientes factores:

1.-Peso especifico, Viscosidad y Temperatura del líquido

2.-Flujo de bombeo o caudal (gasto)

4.-Cantidad de accesorios

Existen una variedad de monogramas para determinar las perdidas de carga por

fricción como el de la figura El valor obtenido del monograma se multiplica por la

longitud total (lineal y equivalente) de la tubería para tener las perdidas totales por

fricción del sistema

1.2.7 CARGA DINAMICA TOTAL (H)

La carga dinámica de una bomba es la carga total que la bomba requiere para

poder mantener el líquido en movimiento y esta determinada por la suma de todas

las cargas del sistema de bombeo. En los datos de placa de as bombas a esta

carga también le dan el nombre de columna, altura, cabeza o head con las

unidades m (metros) o ft (pies)


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Es la practica se puede determinar la carga dinámica que la bomba proporciona

en el momento de la operación. En este caso la carga se determina por la

diferencia de presiones de descarga y succión dividida entre el peso especifico del

liquido que bombea y multiplicándolo por 10


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1.2.8 CAPACIDAD DE BOMBEO (Q)

La capacidad de una bomba esta determinada por la cantidad de líquido o flujo (Q)

que maneje Este factor influye directamente en el consumo de energía de la

bomba, siendo mayor al incrementar la capacidad de bombeo

1.2.9 POTENCIA HIDRAULICA DE LA BOMBA

Todos los factores analizados anteriormente nos proporcionan la potencia o

trabajo por unidad de tiempo que una bomba transmite al líquido para poder

moverlo .Esta energía se puede determinar mediante la siguiente expresión:


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1.2.10 EFICIENCIA DE LA BOMBA Y POTENCIA DE FRENO

El dato de eficiencia de una bomba , generalmente es proporcionado por el

fabricante mediante a fabricante mediante las curvas de operación, nos indica cual

es la relación que hay entre la energía utilizada por la bomba para mover el liquido

o potencia hidráulica y la energía total consumía por esta, a través de la

flecha, misma que la proporciona un motor eléctrico o cualquier otro equipo motriz

que se conoce como POTENCIAL DE FRENO .

1.2.11 POTENCIA DE MOTOR


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La potencia que un motor proporciona a una bomba a través de su flecha,

esta determinada por los factores de la siguiente expresión:

1.2.12 ENERGIA CONSUMIDA POR EL MOTOR

La intensidad de corriente eléctrica consumida por un motor, se mide con el

amperaje. En sistemas de bombeo con motor eléctrico, la potencia del motor

( ) es la energía que la bomba necesita para poder moverse, es decir, la

potencia al freno de la bomba (BHP) o potencia que la bomba requiere a través de

la flecha


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Por lo tanto, la intensidad de corriente consumida, expresada en amperaje, se

puede determinar de la siguiente manera:

1.3 SISTEMAS DE BOMBEO Y SUS APLICACIONES

1.3.1 BOMBEO EN SERIE


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En al sistema de bombeo en serie de la descarga de una bomba se conecta a la

succión de la siguiente y la descarga de la segunda bomba a la succión de otra

bomba y así sucesivamente El bombeo en serie se utiliza para incrementar

gradualmente la presión del líquido y poder mantener el flujo. Es muy común

encontrar este tipo de conexión de bombas en los sistemas de bombeo de

grandes distancias, como en los oleoductos del sistema de bombeo de crudo de

PEMEX, en donde es necesario recuperar la presión que pierde el líquido,

principalmente por fricción o cambios de altura y una bomba necesitaría descargar

a muy alta para poder enviar el liquido a esas distancias

1.3.2 BOMBEO EN PARALELO

El sistema de bombeo en paralelo se caracteriza por tener conectada la succión

de dos o más bombas a un solo cabezal y las descargas de todas las bombas del

sistema otro cabezal .La conexión de bombas en paralelo se utiliza cuando se

requiere incrementar la capacidad de bombeo, es requisito indispensable que las

bombas descarguen ala misma presión, de lo contrario, si e conecta a una bomba

que proporcione menor presión no podrá descargar el liquido

1.4CURVAS DE CARACTERISTICAS

Las curvas características de una bomba centrifuga son guías que ayudan a

predecir el comportamiento de la operación del equipo, estas se constituyen en

función del flujo (abscisas) vs altura o carga dinámica, potencia y eficiencia o

rendimiento

1.5 PREOBLEMAS UTILIZANDO LA PRESION ATMOSFERICA


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Una bomba centrífuga cuyas dimensiones se muestran en la figura, está diseñada para girar a 970 rpm. El caudal en el punto de rendimiento óptimo es de 0,055 m3/s.

1. La energía por unidad de masa teórica suponiendo que la corriente es congruente con los alabes. La hipótesis de que el flujo es congruente con los alabes, significa que la trayectoria relativa del fluido coincide con el trazado de un alabé. De acuerdo con la ecuación de Euler, la energía por unidad de masa cedida al fluido es

Yt_ (u2.c2u) (u1.c1u) J/Kg.

En donde las velocidades tangenciales son:

smm

rpmWD

U 23,202

4.0

60

2970

2. 2

2

smm

rpmWD

U 16,102

2.0

60

2970

2. 2

2

Para calcular C y C deberemos recurrir a los triángulos de Euler a la entrada y a la salida del rodete 2u 1u de la bomba. De estos triángulos se deducen las siguientes relaciones

Donde:


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Sustituyendo resulta:


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Bibliografía

1.-Foust, Alan.”Principios de Operaciones Unitarias”. Segunda edición .Compañía editorial continental 1998 2.-Perry “Manual del Ingeniero Químico”. Sexta edición. Editorial Mc Graw Hill.1996 3.-Warren, Mc Cabe “Operaciones de Ingeniería Química”. Volumen 2 .Editorial Reverte S.A.1973. 4.-Robert E. Treybal “Operaciones de Transferencia de Masa”2ª.Edicion,Mc Graw Hill 5.-E.J.Henley; J.D.Seader. “Operaciones de Separación por etapas de equilibrio en ingeniería química”, Editorial Rverte, S.A.de C.V.Mexico 2000 6.-Foust, Alan S. “Principios de Operaciones Unitarias”, Compañía Editorial

Continental S.A. de C.V., México, 1987 7.-

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