Una práctica de Flujo de Fluidos
Objetivos.
Es importante que cada alumno identifique cada elemento de equipo de flujo de fluidos relacionado al transporte de fluidos como es el caso de una bomba, un rotametro de medicion, o un tipo de valvula de control, disponible en el laboratorio de Operaciones Unitarias. Estos, son utilizados frecuentemente en las plantas químicas como parte de equipo más complicado (como operación auxiliar). El conocimiento de las aplicaciones de los equipos para flujo de fluidos, comprende un sentido práctico, enriquese el criterio sobre el tema. El aprender a iniciar la marcha (arranque), estabilizar (niveles y gastos) y controlar la operación de equipos (manejo de valvulas), capacita al estudiante proporcionandole competencia en la materia.
Sistema de trabajo.
El diseño de las prácticas está hecho en base a actividades específicas a desarrollar durante tres sesiones presenciales en el laboratorio. Actividades que giran alrededor de un experimento sobre un equipo. A continuación se sugieren parte de los fragmentos de cada una:
Primera Sesión
El profesor, inicia la descripción de las características relevantes del aparato relacionado al transporte de fluidos y hace una breve demostración del manejo operativo del mismo.
Cada alumno puede crear y plantear objetivos a alcanzar en la realización de la práctica. Se expresan algunos como sugerencia: conocer el equipo, analizar el funcionamiento, desarrollar el manejo operativo etc. Además de éstos, podrás agregar objetivos propios, sustentandolos durante la planificación de la práctica.
Como actividades a realizar, que sirven para alcanzar los objetivos se presentan las siguientes:
(a) Al finalizar el segmento de la descripción del equipo podrás elaborar un diagrama de flujo del equipo preliminar. Dibuja el diagrama sobre una hoja de papel observando el equipo, por medio de aquellos símbolos que corresponden a cada elemento del conjunto. Durante y al final de la actividad, el profesor te guiará y evaluará tu conocimiento acerca del equipo, en base a tu diagrama individual.
(b) Después de la demostración respectiva del profesor, los alumnos proceden a practicar el manejo del equipo y determinan sus características y particularidades, como preparación para la segunda sesión operativa. Posteriormente, de forma opcional el equipo (de alumnos) pueden dibujar el diagrama sobre un pizarron de forma conjunta.
Segunda Sesion
Para participar en la sesión, cada alumno presenta su diagrama en version final completo y hecho en computadora (No copiar diagramas), además, se presenta una secuencia que describa las etapas importantes de la operación del equipo. La actividad en la segunda sesion consiste en la operación del equipo.
Los alumnos deben iniciar la operación (el arranque); a continuación, se requiere mantener la operación condiciones permanente (sin cambio con el tiempo) mediante el manejo de válvulas y observando el nivel de liquido en el tanque de alimentacion; luego, manteniendo éstas condiciones de operacion tomar lecturas de datos como: diferencia de niveles, tiempo, nivel de flotador de rotametro, etc., luego, detener la operación del equipo.
Datos experimentales. se obtienen datos experimentales mediante lecturas en los indicadores correspondientes, cuando se tiene establecido régimen de flujo permanente. Estos datos, son la base de cálculos para obtener los indicadores de la operación (gasto, perdida de presion, etc.).
Tercera Sesión Esta es la sesión llamada discusión de cálculos. Cada alumno presenta un reporte individual del desarrollo de cálculos y resultados. El profesor evaluara el reporte de cada alumno por revision del reporte en la bitacora individual. En ella, se analizan los datos experimentales y los resultados obtenidos comparando valores numéricos contra estimaciones o rangos permitidosde acuerdo a la informacion técnica. Por ejemplo. En éste caso, se encuentran las variables de: velocidad del agua dentro de las tuberias en m/s, caida de presión del agua en g/cm2, etc. De acuerdo al procedimiento anterior, se pueden deducir conclusiones: las lecturas de datos, fueron correctas ? Se realizaron los cálculos, correctamente ? Se emplearon las ecuaciones, pertinentes ? La operación y manejo del equipo, fué apropiado ? Esta sesión esta dirigida a estudiar los resultados de los calculos. En base a las observaciones de los alumnos se encuentran conclusiones en relacion al desarrollo del proceso o a la eventual introduccion de errores en las operaciones numericas para resolver calculos de variables objetivo, etc. En caso necesario, se modifican operaciones y/o ecuaciones para ajustar los resultados. Tambien, razonar los conceptos o planteamientos para mejor comprension, etc.
Para finalizar se realiza un reporte por equipo de la practica que incluya las capitulos principales como: diagrama de flujo, datos experimentales, secuencia de calculos y conclusiones. El profesor indicara la forma de presentacion del reporte y el tiempo de entrega del mismo.
El motivo de esta explicacion es complementar aquellas instrucciones que aparecen en el manual de practicas de laboratorio de flujo de fluidos.
Se indican aspectos conocidos que aparecen durante el proceso de enseñanza y que por experiencia se sabe que facilitan la realizacion de las practicas, mejorando el enfoque durante la realizacion de las diferentes etapas por las que transita cada practica.
En la primera parte que sigue a continuacion se dan instrucciones que son comunes a las practicas. Mas adelante, se explica por separado la operacion para cada equipo, ya que por las caracteristicas de los equipos, los equipos presentan puntos en comun asi como aspectos de operacion diferentes.
Cabe mencionar (en general) que, el transporte del fluido consiste en transportarlo de (una ubicacion) en un tanque de abastecimiento a otro lugar (otro tanque o a recirculacion) por medio de una tuberia con accesorios y valvulas. El impulso al fluido lo proporciona una bomba centrifuga.
Durante la segunda sesión, la actividad principal consiste en operar el equipo con la finalidad de obtener: datos experimentales que servirán como base de cálculo (de las variables objetivo) que son indicadores del funcionamiento del equipo. Tambien, como parte del conocimiento del equipo y medio de capacitacion en el manejo de los mismos.
La operación del equipo consiste en transportar el fluido de interés (agua) dentro del equipo (desde un tanque de abasto). El agua (fluido de servicio) se hace circular dentro de la tuberia en direccion a otra ubicacion que puede ser: otro tanque (receptor), o alguna linea de tuberia de recuperacion.
Se inicia la operación a partir de la inactividad total del equipo. Si el alumno (que opera el equipo) no esta familiarizado con el procedimiento de operación, se puede capacitar en esta actividad al establecer un metodo logico que le permita controlar el procedimiento.
Para ello, es recomendable iniciar un nuevo ciclo a partir de cero. Verificando el nivel de fluido en tanque de suministro, cerrando todas las valvulas (se supone el equipo inactivo con motor de bomba fuera de servicio).
Antes de iniciar la puesta en marcha o el arranque, con la apertura de válvulas y accionar el interruptor de energia al motor de la bomba (para impulsar el fluido), el alumno debe proceder a observar la línea de flujo para el fluido con ayuda de su diagrama de flujo, así como inspeccionar en la línea fisica del equipo. Debe referenciar la dirección del flujo del fluido para llevar un orden de la secuencia de acciones que se realizan y con ello mantener control sobre la operacion. Por ejemplo, la apertura de válvulas empieza en el extremo inicial de la línea, a partir del tanque de abasto de agua (inicio del flujo) y de ahi, se continua la inspeccion y apertura de valvulas en direccion del flujo (corriente abajo o downstream) hacia el extremo final de salida del fluido. El nivel de agua del tanque de suministro debe situarse a una altura suficiente para facilitar la operacion continua durante el periodo de experimentacion. En caso contrario se procede a alimentar de agua fresca al tanque de abasto, a un nivel especificado.
Luego, se procede una secuencia de inspeccion de valvulas sobre la tuberia en la dirección objetivo del equipo principal o descarga sin omitir la apertura (o cierre segun la situacion cuando existen derivaciones de tubos) de las válvulas que se encuentren ubicadas en este trayecto. Se termina el procedimiento en el extremo de salida del fluido como preparativo a la operacion. El alumno podrá hacer un listado de la secuencia anotando los pasos ordenados con una breve descripción del objetivo de cada paso y auxiliándose con la codificación correspondiente al accesorio, la válvula o equipo auxiliar referido, para una mejor descripción del proceso.
Cuando un operario conoce algun equipo y tiene experiencia suficiente de manejo del mismo, el procedimiento de operacion puede variar para adaptarlo de acuerdo a su criterio. Asi establece una forma mas simple de operacion. La forma previa, mas rigurosa de operacion sirve en general como un metodo de seguridad.
La explicacion previa, se refiere a la etapa de arranque del equipo. Esta, es muy importante pero es solamente una parte de la operacion. La siguiente etapa, tiene relacion con mantener determinadas condiciones de operacion fijas (durante el periodo de experimentacion). Las variables de operacion que intervienen son: la apertura o cierre de la valvula de control de flujo para aumentar o disminuir el gasto volumetrico. Tambien, mantener constante el nivel de liquido en tanque de abasto, suministrando liquido nuevo, abriendo la valvula de la linea general. Esto sucede en las practicas de flujo de fluidos que envian el liquido procesado (que pasa por el elemento a estudiar) hacia una linea de recuperacion o hacia un tanque receptor. Cuando existe un sistema de tuberias que recircule el agua al tanque de inicio, no es necesario proceder de esta forma.
A continuacion, como parte de las etapas comunes a todas las practicas, se tiene la etapa de lecturas de variables objetivo y anotacion de datos experimentales. Esto se lleva a cabo cuando las condiciones de flujo (el gasto) permanece constante durante todo el periodo de experimentacion en determinadas condiciones. Para controlar las condiciones operativas es necesario mantener fijo el nivel del flotador del rotametro (cuando se dispone), o el nivel de liquido en el tanque de suministro cuando se descarga el contenido.
Otro punto que concierne a tres de las practicas es el manejo de manometros diferenciales de tubo en U. Estos son elementos que funcionan para medir diferencias de presion del fluido en dos puntos de la tuberia donde circula el fluido. Estas diferencias sirven para determinar el gasto en un medidor de flujo, o la perdida de presion del fluido al paso por un equipo o al recorrer un tramo de tuberia. Los manometros se encuentran conectados a sendos puntos de tomas de presion manometricas, por medio de tuberias de plastico. Para que la lectura para una corrida experimental sea correcta deben disponer de detrminadas condiciones como: que no existan fugas en las conecciones y que no exista burbujas de aire en las lineas de plastico. Para ello, se requiere purgar de aire a las lineas. El procedimiento consiste en preparar las valvulas del manometro, previo al arranque. La valvula que conecta ambas ramas manometricas se abre para amortiguar e igualar en ese punto ambas presiones y asi ayudar a que no se escape el fluido manometrico (muchos manometros del laboratorio usan tetracloruro de carbono). Las valvulas de purga para cada rama al inicio se mantienen cerradas. Luego se procede a circular el liquido por la tuberia a un gasto relativamente bajo para probar el efecto en el desplazamiento del fluido manometrico hasta un limite. Se empieza a purgar una de las ramas del manometro abriendo su valvula lentamente, observando tambien, un desplazamiento del fluido manometrico. Luego se abre la otra valvula de purga para mantener el nivel de fluido en las dos ramas muy cerca una de la otra. Así continua el procedimiento, abriendo un poco mas de una valvula y compensando con la otra hasta que se abren las dos valvulas completamente, sin riesgo de escape del fluido manometrico. Cuando el gasto volumetrico con que inicio la purga de manometro es muy bajo, entonces la cantidad de agua que se purga con las posibles bolsas de aire atrapadas en las lineas, es muy baja. Esto hace que el arrastre de burbujas de aire sea deficiente. Por lo tanto, se debe aumentar el flujo de liquido lenta y paulatinamente, hasta un punto que el sistema de flujo con el manometro logre mantener el liquido manometrico dentro. Se espera unos segundos para dar lugar a que se produzca el arrastre de aire. Despues se procede a cerrar las valvulas. Primero las de purga y al final la valvula de interconeccion de las ramas. Dependiendo del fluido manometrico, del diametro y longitud de los tubos considerados y del gasto volumetrico, se producira una diferencia de nivel en las ramas manometricas, producto de la diferencia de presion entre los puntos conectados al manometro. Cuando la altura del tubo en U lo permite se puede disponer de esta lectura. En caso contrario, se debera usar un fluido manometrico mas pesado como el mercurio y cuando el desnivel es muy pequeño se debera cambiar de un fluido pesado por uno ligero como el tetracloruro de carbono.
Cuando se han purgado los manometros y el flujo se mantiene a un gasto constante, se procede a efectuar una lectura manometrica, anotando el dato en cm. y se anota el gasto en litros por minuto al que se hizo el experimento. A continuacion, se cambia el gasto del flujo abriendo (o cerrando segun el gasto inicial) la valvula de control de alimentacion para efectuar otra corrida experimental. Una vez terminado estas lecturas se procede a cerrar las valvulas de tomas de presion (de aguja) en los puntos de un tramo de tuberia. Luego se abre la valvula de coneccion de las ramas, para iniciar otro ciclo para otro tramo de tuberia que se conecta al manometro abriendo las valvulas de tomas de presion. Se disminuye el gasto, si es necesario, y se continua con la purga de las lineas de coneccion.
Para finalizar la operacion del equipo se procede a realizar el paro del equipo. Este debe quedar en condiciones adecuadas para que posteriomente otro grupo de alumnos pueda operar el equipo en condiciones con seguridad. Las valvulas de interconeccion de las ramas manometricas se abren. Se revisan las valvulas de purga para que esten cerradas y las valvulas de tomas de presion se cierran. Se deja la valvula de recirculacion de bomba a tanque abierta, para que pueda funcionar la bomba sin riesgo de sobrecalentamiento aunque no circule agua por la linea principal al inicio de la operacion. Esta valvula se cierra en caso necesario para aumentar el gasto, si no es suficiente el flujo disponible, para un experimento.
La descripcion anterior se refiere en varias partes a tramos de tubo recto. Pero, se puede considerar valido el procedimiento de purga del manometro para cuando se trata de coneccion de tomas de presion manometricas en una columna empacada o en un medidor de flujo de area fija.