1. introducción a los fenomenos de transporte

FENÓMENOS DE TRANSPORTE
Introducción
TRANSFERENCIA DE CANTIDAD DE MOVIMIENTO
TRANSFERENCIA DE CALOR
TRANSFERENCIA DE MASA
Porqué estudiar los fenómenos de transporte en ingeniería en energía
Qué son los fenómenos de transporte
Sistema de unidades
Conversión de unidades
Unidad Profesional Interdisciplinaria en
Ingeniería y Tecnologías Avanzadas del
Instituto Politécnico Nacional.
Profra. Dra. Indira Torres Sandoval

• La mayoría de las operaciones o procesos unitarios de la industria tales como
la destilación, extracción, evaporación, cristalización entre otros; están
basados en fenómenos naturales relacionados con los transportes de calor,
masa y cantidad de movimiento. Por lo tanto, para entender las operaciones
unitarias se debe conocer sobre los tres fenómenos de transporte.
• En la transferencia de fluidos, se estudia el transporte de cantidad de
movimiento; en la transferencia de calor, se estudia el transporte de energía; y
en la transferencia de masa, se aprende sobre el transporte de materia de
varias especies químicas. En la mayoría de las operaciones unitarias las tres
transferencias pueden ocurrir simultáneamente; la más lenta de las tres es
considerada la controlante.
Sistema de unidades

• Un método muy conveniente para organizar la materia de estudio que abarcan los
procesos industriales se basa en dos hechos:
• Aunque el número de procesos individuales es muy grande, cada uno de ellos puede dividirse en una serie de
etapas, denominadas operaciones, que se repiten a lo largo de los distintos procesos.
• Las operaciones individuales poseen técnicas comunes y se basan en los mismos principios científicos.
• En la mayor parte de los procesos es preciso mover sólidos y fluidos, transmitir calor u
otras formas de energía desde una sustancia a otra, y realizar operaciones tales como
secado, molienda, destilación y evaporación, etc.
Sistema de unidades

• Los aspectos estrictamente químicos de los procesos se estudian dentro de un campo
paralelo de la ingeniería química denominado cinética de reacción, o ingeniería de las
reacciones químicas. Las operaciones básicas se utilizan ampliamente en la realización
de las etapas físicas de preparación de los reactantes, separación y purificación de los
productos, recirculación de los reactantes no convertidos y control de la transferencia
de energía hacia o desde los reactores químicos.
• Las operaciones unitarias son igualmente aplicables a procesos físicos y químicos.
• Por ejemplo:
• La fabricación de sal común consta de la siguiente serie de operaciones básicas: transporte de sólidos y líquidos,
transmisión de calor, evaporación, cristalización, secado y tamizado. En este caso no intervienen reacciones
químicas.
• Por otra parte, el cracking de petróleo, con o sin catalizadores, es una típica reacción química realizada a gran
escala. También aquí las operaciones unitarias -transporte de sólidos y fluidos, destilación y diversas
separaciones mecánicas- son de una importancia vital y la reacción de cracking no podría realizarse sin ellas. Las
etapas estrictamente químicas se llevan a cabo controlando el flujo de materia y energía hacia y desde la zona de
reacción.
Sistema de unidades

• Cuando se comprendieron mejores las operaciones unitarias, se evidencio que
no eran entes diferentes. La filtración era evidente un caso de flujo de fluidos,
la evaporación una forma de transferencia de calor, la extracción y la
absorción gaseosa involucraban transferencia de masa. El secado y la
destilación se reconocieron como operaciones en las cuales, tanto la
transferencia de masa como la de calor presentaban importancia. Se puede
entonces considere las operaciones unitarias como casos especiales o
Combinación de transferencia de calor, transferencia de masa y flujo de
fluidos. Los ingenieros se refieren a estos tres últimos eventos como Fenómenos
de Transporte y son la base de las operaciones unitarias.
Sistema de unidades

PROCESOS UNITARIOS
• Un proceso corresponde a cualquier operación o grupo
de operaciones mediante las cuales se logra transformar,
el estado físico y composición de las materias primas y
fuentes de energía en productos útiles y formas
superiores de energía.
• A menudo, los procesos constan de múltiples pasos y
cada uno de ellos se lleva a cabo en una unidad de
proceso, asociado a un conjunto de corrientes de
entradas y salidas.
Sistema de unidades

OPERACIÓN UNITARIA
• CORRESPONDE A UNA PARTE DEL PROCESO DE
TRANSFORMACIÓN
• Tiene como objetivo modificar las condiciones de
una determinada cantidad de materia, en una
forma más útil para los fines deseados.
• Estas operaciones pueden ser transformaciones
físicas como químicas
Sistema de unidades

Tipo de operación TRANSPORTE EJEMPLOS UNIDAD DE
APRENDIZAJE EN QUE SE
TOCAN DICHOS TEMAS
OPERACIONES
FÍSICAS
Cantidad de
movimiento
(momentum)
• Flujo a través de
tuberías
• bombas
• Flujo de fluidos
calor • Evaporadores
• Intercambiadores de
calor
• Fenómenos de
transferencia de calor
materia • Destilación
• absorción
• Fenómenos de
transferencia de masa
OPERACIONES
QUÍMICAS
• Reactores • Reactores químicos
• Reactores biológicos
Sistema de unidades

• Desde el punto de vista del ingeniero orientado hacia el diseño económico y
operación de plantas y equipos, la pregunta es ¿cuál es el valor práctico del
estudio de los fenómenos de transporte?
• Primero tenemos que la transferencia de calor, masa e impulso ocurren en muchos
tipos de equipos de Ingeniería (intercambiadores de calor, compresores, reactores
químicos y nucleares, humidificadores, enfriadores de aire, secadores, fraccionadores
y absorbedores), y es importante que el Ingeniero comprenda las leyes físicas que
gobiernan estos procesos de transporte si desea entender qué ocurre en el equipo y
tomar las decisiones adecuadas para su mejor y más económica operación.
• Cuando el Ingeniero diseña equipos de procesos debe predecir las cantidades de
calor, masa o impulso a transferir. Esta velocidad de transferencia depende de un
parámetro denominado coeficiente de transferencia, que a la vez depende de las
dimensiones del equipo, caudal de flujo, propiedades del fluido, etc.
Sistema de unidades

• Fenómenos de transporte, es pues el nombre colectivo que se da al estudio
sistemático e integrado de tres áreas clásicas de la ciencia de la Ingeniería:
• Transporte de Energía o Calor,
• Transporte de Masa o Difusión, y
• Transporte de Cantidad de Movimiento o Impulso
(Momentum en Ingles), o Dinámica de Fluidos.
• El estudio de los fenómenos de transporte se ha realizado
tradicionalmente comenzando por el transporte de cantidad de
movimiento, luego el transporte de energía y finalmente el transporte
de masa.
Sistema de unidades

Sistema de unidades

• Aunque existen similitudes en los procesos de transferencia, la comprensión
de un proceso de transferencia puede facilitar la comprensión de los otros
procesos.
• Las ecuaciones diferenciales y las condiciones límites son las mismas y tan
solo es necesario obtener la solución para uno de los procesos pues al
cambiar la nomenclatura de esa solución, se puede obtener la solución para
cualquiera de los otros procesos de transporte.
• Estas analogías, como suelen llamarse, pueden ser relativas a similitudes en
los mecanismos físicos gracias a los cuales el transporte se verifica. Sin
embargo, que aunque existen similitudes en los procesos de transferencia,
también hay diferencias importantes, especialmente entre el transporte de
impulso ( un vector ) y el de calor o masa ( escalares ).
Sistema de unidades

Relación entre transferencia de calor,
masa y cantidad de movimiento
Fenómeno de
transporte
MEDICIÓN
Movimiento o
momentum
Calor Masa
Flujo Cantidad de
Movimiento o
Impulso
Energía o Calor Masa o Difusión
Fuerza impulsora o
fuerza motriz
Variación de la
velocidad
Variación de
Temperatura
Variación de
Concentración
Ley Newton Fourier Fick
Ecuación F/A= -m dV/dy Q/A= -K dT/dy M/A = -D dC/dy
Sistema de unidades

• Toda magnitud física consta de dos partes: una unidad, que expresa la magnitud de
que se trata y da la norma para su medida, y un número que indica cuántas unidades se
necesitan para completar la magnitud.
• Por ejemplo:
• la afirmación de que la distancia entre dos puntos es 8 pies expresa lo siguiente: que se ha medido
una determinada longitud; que para medirla se ha tomado una cierta longitud de referencia llamada
pie; y que para cubrir la distancia desde un extremo hasta el otro se necesitan 8 unidades de 1 pie.
• Si un número entero de unidades resulta demasiado grande o demasiado pequeño para cubrir una
determinada distancia, se definen submúltiplos, que son fracciones de la unidad, de forma que la
medida se puede realizar con cualquier grado de precisión en función de unidades fraccionarias.
• Ninguna magnitud física está definida mientras no estén dadas tanto el número
como la unidad.
Sistema de unidades
Magnitudes físicas

• El sistema internacional oficial de unidades es el sistema métrico, SI ,
(Système International d’unités); se realizan grandes esfuerzos para su
adopción universal como único sistema, tanto para las materias de
ingeniería como científicas, pero los sistemas antiguos, especialmente
el sistema cgs y el de ingeniería gravitacional fps, todavía se usan y
probablemente seguirán utilizándose durante algún tiempo. Por tanto,
es necesario estar familiarizado con el manejo de estos tres sistemas.
• cgs = centímetro-gramo-segundo
• fps= pie-libra-segundo
Sistema de unidades

A pesar de intensos esfuerzos de la comunidad científica y de ingeniería para unificar al
mundo con un solo sistema de unidades, en la actualidad todavía son de uso común dos
conjuntos de éstas: el sistema inglés, el cual también se conoce como United States
Customary System (USCS, sistema de uso común en Estados Unidos), y el sistema
métrico SI (por Le Système International d’ Unités), el cual también es conocido como
Sistema Internacional.
• Estados Unidos es el único país industrializado que todavía no ha realizado una
conversión completa hacia el sistema métrico (SI), en la actualidad, la sociedad
estadounidense se desenvuelve en un sistema dual y permanecerá de esa manera
hasta que se concluya la transición hacia el sistema métrico.
Sistema de unidades

En la Décima Conferencia General de Pesos y Medidas:
metro (m) para longitud, kilogramo (kg) para masa, segundo
(s) para tiempo, ampere (A) para corriente eléctrica, grado
Kelvin (K) para temperatura y candela (cd) para intensidad
luminosa
(cantidad de luz). En 1971, la CGPM añadió una séptima
cantidad y unidad fundamental: mole (mol) para cantidad de
materia.
Sistema de unidades

Referencias arbitrarias de masa, longitud, tiempo, temperatura y el mol,
Patrones. Por un acuerdo internacional se han fijado arbitrariamente los patrones para las magnitudes de masa, longitud, tiempo,
temperatura y mol, que constituyen las unidades base del sistema SI. A continuación se relacionan los patrones ordinariamente utilizados.
• El patrón de masa es el kilogramo (kg), definido como la masa del kilogramo internacional, un cilindro de platino que se conserva en Sevres
(Francia).
• El patrón de longitud es el metro (m), definido como 1 650 763,73 longitudes de onda de una cierta línea espectral emitida por el 86Kr.
• El patrón de tiempo es el segundo (s), definido como 9 192 631,770 ciclos de frecuencia de una cierta transición cuántica de un átomo de
33Ce.
• El patrón de temperatura es el kelvin (K); se define asignando el valor 273,16 K a la temperatura del agua pura en su punto triple, la única
temperatura a la que el agua líquida, el hielo y el vapor de agua pueden coexistir en equilibrio.
• El mol se define como la cantidad de sustancia que comprende tantas unidades elementales como las que hay en 12 g de 12C.
• La definición del mol es equivalente a la afirmación de que la masa de un mol de una sustancia pura, en gramos, es numéricamente igual a
su peso atómico calculado a partir de la tabla patrón de pesos atómicos, en la cual el peso atómico del carbono es 12,01115. Este número es
diferente de 12 debido a que está aplicado a la mezcla isotópica natural de carbono en vez de a C puro.
Sistema de unidades

• Con base en el esquema de notación introducido en 1967, oficialmente se eliminó el
símbolo de grado de la unidad de temperatura absoluta y todos los nombres de
unidades se iban a escribir en minúsculas, la abreviatura de una unidad se iba a escribir
con letra mayúscula, si esa unidad provenía de un nombre propio, ningún punto se
debe usar en las abreviaturas de unidades, a menos que aparezcan al final de una
oración.
Sistema de unidades
Mecánica de fluidos, Yunus Cengel, 2006, 1ª Ed. Pag 16

• En el estudio de mecánica deben establecerse abstracciones para describir aquellas
manifestaciones del cuerpo que sean de interés. Estas abstracciones se conocen
como dimensiones, son independientes de otras dimensiones y se denominan
dimensiones primarias o básicas; aquellas que se definen en función de las
dimensiones básicas se conocen como dimensiones secundarias, dentro de los
sistemas más utilizados en el mundo tenemos los siguientes:
Sistema de unidades
(fps)
(cgs)

• En el SI las unidades de masa, longitud, tiempo y temperatura son el kilogramo
(kg), el metro (m) , el segundo (s) y el grado kelvin (K) respectivamente.
• Las unidades correspondientes en el sistema inglés son la libra masa (lbm), el
pie (ft) y el segundo (s) y el grado Rankine (R)
• Es conveniente que sepamos que esas dimensiones se suelen identificar de la
siguiente forma.
Sistema de unidades

• Las dimensiones secundarias están relacionadas con las dimensiones básicas mediante leyes o
mediante definiciones. Por tanto, la representación dimensional de tales cantidades estará en
función de las dimensiones básicas.
• Por ejemplo, la representación dimensional de velocidad V es:
• La representación de la presión P es:
Sistema de unidades

• Para poder realizar los cálculos de ingeniería es necesario que primero
tengamos que homologar unidades para realizar las operaciones
matemáticas, para lo cual debemos conocer los múltiples factores de
conversión y así poder relacionar o intercambiar las medidas de los distintos
sistemas de medición.
Sistema de unidades
Archivo: Colección de tablas_graficas_TC

Sistema de unidades
Archivo: Colección de tablas_graficas_TC

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