Las operaciones unitarias constituyen la base fundamental en el diseño, análisis y control de procesos dentro de la ingeniería química y de procesos industriales. Estas operaciones describen los cambios físicos que sufren los materiales durante su transformación, como el transporte de materia, energía o cantidad de movimiento, sin modificar su composición química. Entre las principales se encuentran la destilación, la filtración, la evaporación, la absorción y el secado, entre muchas otras.

Cada operación unitaria obedece a principios físicos bien definidos y se estudia de forma independiente para facilitar su comprensión y aplicación en diferentes tipos de industrias, como la alimentaria, farmacéutica, petroquímica o ambiental. Su estudio permite optimizar procesos, reducir costos y garantizar productos de calidad, siendo esencial para el diseño eficiente de plantas industriales (Geankoplis, 2006).

DEFINICION DE LAS OPERACIONES UNITARIAS

CLASIFICACION DE LAS OPERACIONES UNITARIAS

CAMPO DE APLICACIÓN

El número de los diferentes productos alimenticios, de las operaciones y los procedimientos relacionados con su producción es, en verdad, más grande. Es más: cada fabricante de un producto determinado introduce en los métodos y el equipo innovaciones que difieren de la tecnología tradicional y establecida para ese producto; así los procesos están en un estado de evolución constantes. (Virtual Pro - Operaciones Unitarias aplicadas a Industrias alimentarias., 2019)

El procesamiento de los alimentos o algún proceso industrial independiente de productos consumibles es la selección y combinación de las operaciones unitarias para formar procesos unitarios y procesos totales más complejos

Existen operaciones tan variadas como la cosecha manual y mecánica en el campo, el transporte por camión refrigerado de productos perecederos a través de grandes distancias, el transporte de ganado vivo por carros de ferrocarril, y el traslado neumático de la harina desde los carros de ferrocarril hasta las bodegas de almacenamiento de las panaderías.

A lo largo de las operaciones, es preciso realizar con esmero el mantenimiento de condiciones sanitarias, la reducción al mínimo de pérdidas del producto, el mantenimiento de la calidad de las materias primas y la regulación de todos los traslados y entregas a fin de reducir al mínimo el tiempo perdido en demoras que pueden resultar costosas y perjudiciales a la calidad del producto.

Un ejemplo seria el Intercambio de calor en una planta de alimentos, ya que esta es una planta de procesamiento de leche, se utiliza un intercambiador de calor tipo placas para pasteurizar la leche. En este proceso, la leche fría pasa por un sistema donde se calienta mediante agua caliente que fluye en sentido contrario. Esta transferencia de calor permite alcanzar la temperatura adecuada para eliminar microorganismos sin alterar significativamente las propiedades del producto.

CONCEPTOS BASICOS CLAVES EN LAS OPERACIONES UNITARIAS

PRESION DE VAPOR:

La presión de vapor es la presión que ejerce la fase gaseosa o vapor sobre la fase líquida en un sistema cerrado a una temperatura determinada, cuando la fase líquida y el vapor se encuentran en equilibrio dinámico. Su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambas. Este fenómeno también lo presentan los sólidos; cuando un sólido pasa al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido (proceso denominado sublimación o el proceso opuesto, llamado sublimación inversa o deposición) también hablamos de presión de vapor.

VARIACIÓN DE LA PRESIÓN DE VAPOR CON LA TEMPERATURA

Como una tendencia general, la presión de vapor de los líquidos a presión atmosférica disminuye con el aumento en la temperatura de ebullición. Este fenómeno es ilustrado en el diagrama adjunto, que muestra, para varios líquidos, el comportamiento de su presión de vapor versus la temperatura. Por ejemplo, a cualquier temperatura, el clorometano (cloruro de metilo) tiene la más alta presión de vapor de todos los líquidos expuestos en el gráfico. También se observa la baja temperatura de ebullición del propano, cuya curva de presión de vapor (línea cian) se interseca con la línea horizontal correspondiente a 1 atmósfera en -41 °C.

Aunque la relación entre la presión de vapor y la temperatura no es lineal, el gráfico usa un eje logarítmico vertical para obtener una línea poco curva y así poder representar en un solo gráfico el comportamiento de varios líquidos.

PUNTO DE EBULLICIÓN

El punto de ebullición de una sustancia es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es igual a la presión que rodea al líquido y se transforma en vapor.

El punto de ebullición de un líquido varía según la presión ambiental que lo rodea. Un líquido en un vacío parcial tiene un punto de ebullición más bajo que cuando ese líquido está a la presión atmosférica. Un líquido a alta presión tiene un punto de ebullición más alto que cuando ese líquido está a la presión atmosférica. Por ejemplo, el agua hierve a 100 °C (212 °F) a nivel del mar, pero a 93.4 °C (200.1 °F) y 1 905 metros (6.250 pies) de altitud. Para una presión dada, diferentes líquidos hervirán a diferentes temperaturas.

CONSERVACION DE LA MASA

El principio de conservación de la masa establece que, durante cualquier proceso físico o químico, la masa total de un sistema cerrado permanece constante en el tiempo, independientemente de los cambios que ocurran dentro del sistema. Es decir, la materia no se crea ni se destruye, solo se transforma. Este principio es fundamental en el análisis de operaciones unitarias, reacciones químicas y balances de materia.

CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA

Un balance de energía se aplica a un proceso, o a una parte del mismo, para un sistema abierto separado de los alrededores por un límite imaginario. Como en un balance de masa, la entrada que cruza el límite debe ser igual a la salida más la acumulación; si las condiciones son de estado estacionario y no varían con el tiempo, la entrada es igual a la salida.

TRANSFERENCIA DE MOMENTO LINEAL

La transferencia de momento lineal es uno de los procesos fundamentales en las operaciones unitarias de ingeniería. Está estrechamente relacionada con el flujo de fluidos y el transporte de cantidades de movimiento dentro de una sustancia. Su estudio es clave para diseñar y analizar equipos como tuberías, bombas, mezcladores y sistemas de transporte de fluidos.

La transferencia de momento lineal es el proceso mediante el cual una cantidad de movimiento (producto de masa y velocidad) se transfiere entre distintas partes de un fluido o entre el fluido y una superficie sólida. Este fenómeno ocurre debido a la acción de fuerzas como la fricción o el gradiente de presión, y da origen a conceptos como la viscosidad, el esfuerzo cortante y la ley de Newton para los fluidos.

MECANICA DE FLUIDOS

La mecánica de fluidos es la rama de la física que estudia el comportamiento de los fluidos (líquidos y gases), tanto en reposo como en movimiento, y las fuerzas que actúan sobre ellos. Este campo es fundamental para analizar sistemas hidráulicos, redes de tuberías, bombas, válvulas y todo tipo de equipos relacionados con el transporte de fluidos. Según Mott, la mecánica de fluidos proporciona los principios básicos necesarios para el diseño eficiente y seguro de sistemas de flujo en ingeniería (Mott, 2006).

CONCEPTOS BASICOS DE LA MECANICA DE FLUIDOS

FLUIDO

Un fluido es una sustancia capaz de fluir y que no resiste en forma permanente la distorsión. Los fluidos toman la forma de los recipientes que los contienen.

VISCOCIDAD

La viscosidad es una propiedad física de los fluidos que mide su resistencia interna al flujo o a la deformación. En otras palabras, representa la fricción interna que se produce cuando las capas de un fluido se deslizan unas sobre otras. Un fluido con alta viscosidad, como el aceite, fluye con más dificultad que uno con baja viscosidad, como el agua. Según Robert Mott, la viscosidad es un factor fundamental para calcular la pérdida de energía en sistemas de tuberías y equipos de transporte de fluidos (Mott, 2006).

PESO ESPECIFICO

El peso específico es una propiedad intensiva de los materiales que se define como el peso por unidad de volumen. Se expresa comúnmente en unidades como N/m³ o lbf/ft³. En el caso de los fluidos, este valor se utiliza para analizar presiones hidrostáticas, empuje, y otras fuerzas relacionadas con el campo gravitacional. Según Robert Mott, el peso específico se calcula multiplicando la densidad del fluido por la aceleración gravitacional (Mott, 2006).

PRESIÓN EN FLUIDOS ESTÁTICOS

Se considera como la fuerza superficial que ejerce un fluido por unidad de área de las paredes del recipiente que lo contiene. La presión de un fluido se trasmite con igual intensidad en todas las direcciones y actúa normalmente a cualquier superficie, es decir, tiene magnitud, pero no una dirección específica y, en consecuencia, es una cantidad

escalar.

RELACIÓN ENTRE LA PRESIÓN ABSOLUTA, ATOMOSFERICA Y MANOMÉTRICA

Las presiones absolutas, manométrica y de vacío son todas cantidades positivas y están interrelacionadas.

APLICACIONES DE LA ESTATICA DE FLUIDOS

La Estática de Fluidos

La estática de fluidos estudia los fluidos en reposo y las presiones que ejercen sobre las superficies. A partir de esta base, se desarrollan instrumentos y procesos para medir, contener o separar fluidos de forma segura y eficiente.

Manómetro

Un manómetro es un instrumento que mide la presión de un fluido, generalmente en sistemas cerrados como tuberías, tanques o sistemas neumáticos.

Principio físico involucrado:

Principio de Pascal: la presión aplicada en un punto de un fluido se transmite con igual intensidad en todas direcciones.
Se aplica también la fórmula de presión hidrostática

Tipos de manómetros

Tipo de Manómetro	Descripción breve	Ejemplo de uso
De tubo en U	Usa líquido (agua o mercurio) en forma de “U”	Laboratorios de física, presión de gas
De Bourdon	Usa un tubo elástico que se deforma con la presión	Automóviles, compresores de aire
Digital	Usa sensores electrónicos	Equipos médicos, procesos industriales

Ejemplo práctico:

En un hospital, se usa un manómetro digital en los tanques de oxígeno para medir la presión interna y asegurar que el suministro sea constante.

DECANTADORES

Un decantador es un dispositivo que permite separar líquidos con diferente densidad o sólidos suspendidos en líquidos. Funciona dejando el sistema en reposo, aprovechando la acción de la gravedad.

Principio físico involucrado:

· Principio de Arquímedes: un cuerpo sumergido en un fluido recibe un empuje hacia arriba.

· Sedimentación por densidad: los materiales más densos bajan, los menos densos suben.

Tipos de decantadores

Tipo de Decantador	Uso principal	Ejemplo
Decantador simple	Separar agua de arena o lodo	Laboratorios, procesos domésticos
Decantador industrial	Clarificación de aguas residuales	Plantas de tratamiento de agua
Decantador de aceite-agua	Separar hidrocarburos de agua	Industria petroquímica, talleres

Ejemplo práctico:

· En una planta de tratamiento de agua, se usa un decantador para separar los sólidos sedimentables del agua cruda antes de filtrarla y potabilizarla.

La Transmisión Principal

La transmisión principal es un conjunto de elementos mecánicos que transfieren la potencia generada por el motor hacia las ruedas motrices de un vehículo o hacia otra parte de una máquina. Su función es reducir la velocidad de rotación proveniente del motor y aumentar el par (torque), permitiendo un movimiento más eficiente y controlado.

En el caso de un vehículo: La transmisión principal forma parte del sistema de transmisión (junto con el embrague, caja de cambios, árbol de transmisión, etc.) y está compuesta generalmente por:

Función técnica

· La transmisión principal reduce la velocidad del giro proveniente de la caja de cambios.

· Aumenta el torque disponible para mover el vehículo, especialmente útil al arrancar o subir pendientes.

· Es clave para la relación de transmisión final, que afecta la velocidad máxima y el consumo de combustible.

Ejemplo.

En un auto de tracción trasera, el árbol de transmisión lleva el movimiento desde la caja de cambios al eje trasero, donde el piñón de ataque mueve la corona, y el diferencial distribuye el movimiento a las ruedas.

Componentes principales:

Componente	Función
Corona (engranaje cónico)	Recibe el movimiento del piñón y lo transmite al diferencial.
Piñón de ataque	Recibe el giro del eje de transmisión y lo envía a la corona.
Diferencial	Permite que las ruedas motrices giren a diferentes velocidades.

Reductor de Velocidad

Un reductor de velocidad es un dispositivo mecánico de transmisión de potencia que tiene como objetivo disminuir la velocidad angular (rpm) de un eje motriz como el de un motor eléctrico o de combustión—, y aumentar proporcionalmente el par (torque) de salida. Esta combinación de funciones permite adaptar la velocidad y la fuerza de un motor a las necesidades específicas de una máquina o proceso industrial.

Los reductores de velocidad están compuestos principalmente por engranajes de distintos tipos (cilíndricos, cónicos, helicoidales, planetarios o sinfín-corona), que trabajan juntos en una relación de reducción determinada. Esta relación define cuántas veces disminuye la velocidad de rotación entre la entrada (motor) y la salida (máquina).

Importancia y función en sistemas mecánicos

Muchos motores, especialmente los eléctricos, operan a altas revoluciones por minuto (rpm), pero los sistemas que estos impulsan suelen necesitar velocidades más bajas y mayor fuerza para un funcionamiento eficiente, seguro y duradero. Por ejemplo, una cinta transportadora, una grúa, un elevador o un molino requieren velocidades lentas, pero con suficiente torque para mover cargas pesadas.

El reductor de velocidad:

· Protege el motor, al reducir la carga directa sobre él.

· Mejora la precisión y el control de movimiento.

· Alarga la vida útil del sistema de transmisión.

· Ahorra energía al operar en condiciones más adecuadas.

Aplicaciones típicas

Los reductores se usan en una gran variedad de equipos industriales, comerciales y domésticos. Algunos ejemplos incluyen:

ü Cintas transportadoras en fábricas o aeropuertos.

ü Ascensores y montacargas, que requieren movimientos lentos pero potentes.

ü Máquinas herramientas como tornos, fresadoras o prensas hidráulicas.

ü Sistemas robóticos y automatizados con alta precisión.

ü Vehículos industriales o agrícolas, donde se necesita potencia y tracción a bajas velocidades.

Decantador con disco separador

Un decantador con disco separador, también conocido como separador centrífugo de discos, es un equipo mecánico de separación que utiliza la fuerza centrífuga para separar fases de diferente densidad. A diferencia de los decantadores gravitacionales tradicionales, este sistema acelera el proceso de separación mediante la rotación a alta velocidad de un conjunto de discos cónicos montados dentro de un tambor o tazón giratorio.

Este tipo de decantador se utiliza principalmente para separar líquidos con densidades distintas (como agua y aceite) o para extraer sólidos finos suspendidos en un líquido, en aplicaciones donde la separación por gravedad sería demasiado lenta o ineficiente.

El principio de funcionamiento se basa en la sedimentación acelerada por rotación:

El fluido (mezcla a separar) entra en el centro del tambor giratorio.
La alta velocidad de rotación genera una fuerza centrífuga que es cientos o miles de veces mayor que la gravedad.
Dentro del tambor, hay un conjunto de discos metálicos delgados y apilados con pequeños espacios entre ellos.
Las partículas más densas (como sólidos o el líquido más pesado) son empujadas hacia el exterior, desplazándose por los canales formados entre los discos.
Las fases menos densas se desplazan hacia el centro, permitiendo su recolección separada.
En muchos modelos, los sólidos se eliminan automáticamente mediante un sistema de expulsión intermitente o continua.

Componentes principales

Componente	Función
Tambor giratorio	Gira a altas revoluciones generando la fuerza centrífuga
Discos separadores	Aumentan la superficie de sedimentación y aceleran la separación
Entrada del fluido	Inyecta la mezcla a separar hacia el centro del tambor
Cámaras de descarga	Recogen los líquidos separados (fase pesada y liviana)
Sistema de expulsión	Elimina los sólidos acumulados de forma periódica o continua

Aplicaciones industriales

El decantador con disco separador se utiliza ampliamente en sectores que requieren una separación eficiente de fases:

Industria	Uso específico
Alimentaria	Separación de crema de leche, purificación de jugos, aceites
Farmacéutica	Clarificación de extractos biológicos y fermentaciones
Petroquímica	Separación agua-aceite, tratamiento de emulsiones
Tratamiento de aguas	Eliminación de sólidos finos y separación de lodos
Biodiésel y biocombustibles	Purificación del producto final

Ejemplo

En una planta procesadora de leche, el decantador con disco separador se utiliza para separar la crema (grasa láctea) de la leche descremada. Gracias a los discos, el proceso que normalmente tomaría horas por gravedad se realiza en segundos, y con una pureza superior al 99%.

Freno por Corrientes Parásitas

El freno por corrientes parásitas, también conocido como freno de Foucault, es un tipo de freno electromagnético que utiliza las fuerzas de oposición generadas por corrientes inducidas en un material conductor en movimiento, sin necesidad de contacto físico o fricción mecánica.

Estas corrientes parásitas (o corrientes de Foucault) aparecen cuando un conductor se mueve dentro de un campo magnético variable, generando una fuerza que se opone al movimiento de rotación y permite frenar el sistema.

El principio de funcionamiento se basa en las leyes del electromagnetismo:

· Un disco o cilindro metálico conductor (como aluminio o cobre) está acoplado al eje de una máquina o vehículo.

· Un campo magnético intenso (producido por imanes permanentes o electroimanes) atraviesa este disco.

Uso del Freno de Corrientes Parásitas en la Industria

Industria Ferroviaria

Aplicación: Trenes de alta velocidad

Se usa como freno complementario a los frenos mecánicos y neumáticos.
Actúa en situaciones de frenado prolongado o de emergencia.
Aporta seguridad sin desgaste, ideal para velocidades elevadas.
Funciona de forma silenciosa, sin generar polvo ni chispas.

Ejemplo: Los trenes alemanes ICE y los trenes bala japoneses Shinkansen integran frenos de Foucault en algunos modelos.

Vehículos Eléctricos e Híbridos

Aplicación: Frenado regenerativo asistido

En algunos modelos, se combina el freno regenerativo con un freno de corrientes parásitas para lograr mayor eficiencia sin desgaste adicional.
Mejora el control del frenado, especialmente en condiciones de descenso o frenado prolongado.

BOMBAS Y SISTEMAS DE TUBERÍAS

Los sistemas de bombeo y tuberías son fundamentales en la ingeniería mecánica, civil, química e industrial, ya que permiten el transporte de líquidos y gases desde un punto a otro, superando diferencias de presión, altura o fricción.

· Una bomba es un dispositivo mecánico que convierte energía (generalmente eléctrica o mecánica) en energía hidráulica, para mover fluidos.

· Un sistema de tuberías es un conjunto de conductos, válvulas, accesorios y soportes que dirige el flujo del fluido hacia el punto deseado, permitiendo el control, la distribución y el almacenamiento.

Clasificación de Bombas

Las bombas pueden clasificarse según varios criterios:

A. Por el principio de funcionamiento

Tipo	Subtipo	Características principales
Dinámicas	Centrífugas	Alta velocidad, flujo continuo, ideal para grandes caudales
	Axiales	Flujo paralelo al eje, usadas en turbinas o ventiladores
De desplazamiento positivo	Pistón, engranajes, diafragma	Alto rendimiento a presiones elevadas, caudal constante

B. Por la fuente de energía

Componentes de un Sistema de Bombeo

Componente	Función principal
Bomba	Impulsar el fluido
Motor	Proporcionar energía a la bomba
Tuberías	Conducir el fluido desde la fuente hasta el destino
Válvulas	Controlar, dirigir o detener el flujo
Filtros y rejillas	Retener impurezas
Sensores y medidores	Monitorear presión, caudal, temperatura
Tanques o depósitos	Almacenar o regular la presión del sistema

Diseño de Sistemas de Tuberías

El diseño de un sistema de tuberías requiere tener en cuenta:

Tipo de fluido (agua, aceite, productos químicos, gases)
Presión de operación
Caudal requerido
Material de las tuberías (PVC, acero, cobre, polietileno)
Longitud y pendiente del sistema
Temperatura de operación
Pérdidas de carga por fricción y accesorios

Para calcular pérdidas de carga se utiliza la fórmula de Darcy-Weisbach o método de Hazen-Williams en algunos casos prácticos.

Funcionamiento de un Sistema Típico

El fluido es captado desde una fuente (pozo, tanque, red).
Pasa por un filtro o válvula de retención.
La bomba lo impulsa a través del sistema de tuberías.
El fluido puede ser almacenado, distribuido o descargado.
Válvulas de control y sensores regulan el flujo según la demanda.

Aplicaciones Industriales

Industria	Aplicación de bombas y tuberías
Agrícola	Riego, fertilización líquida, drenaje
Química	Transporte de reactivos, fluidos corrosivos
Petróleo y gas	Bombeo de crudo, gas natural, sistemas multiproducto
Alimentos y bebidas	Pasteurización, limpieza CIP, transporte sanitario
Energía	Enfriamiento de turbinas, circuitos de calderas
Construcción	Drenaje de aguas subterráneas, hormigonado con bomba
Aguas residuales	Estaciones de bombeo, plantas de tratamiento

Una bomba

Una bomba es un dispositivo mecánico que se utiliza para mover líquidos (y a veces gases) desde un lugar a otro, mediante la adición de energía al fluido. Esta energía puede ser hidráulica, neumática, térmica o eléctrica, y se utiliza para aumentar la presión del fluido o para elevarlo a una cierta altura (altura manométrica).

Función principal

· Transportar un fluido desde una zona de menor presión (succión) a una zona de mayor presión (descarga).

· Superar la fricción de las tuberías, válvulas y accesorios.

· Garantizar un flujo continuo o pulsante, según el tipo de bomba.

Componentes básicos

Componente	Función
Cuerpo o carcasa	Contiene al fluido y resiste la presión interna
Impulsor / pistón	Mueve el fluido mediante rotación o desplazamiento lineal
Eje	Transmite el movimiento desde el motor
Sello mecánico	Impide fugas entre eje y carcasa
Tapa de succión y descarga	Entrada y salida del fluido

CLASIFICACIÓN DE BOMBAS

Por principio de funcionamiento

A. Bombas Dinámicas (Centrífugas)

El fluido gana velocidad por un impulsor giratorio.
Alta capacidad de caudal, ideal para líquidos de baja viscosidad.
Más usadas en sistemas de agua potable, riego, procesos industriales.

B. Bombas de Desplazamiento Positivo

Capturan un volumen fijo de fluido y lo desplazan mecánicamente.
Presión constante, aunque el caudal es limitado.
Tipos:

Bombas de pistón (alternativas)
Bombas de engranajes (rotativas)
Bombas de diafragma
Bombas peristálticas

Por energía de accionamiento

Tipo de bomba	Fuente de energía
Bomba eléctrica	Motor eléctrico
Bomba hidráulica	Otro fluido bajo presión
Bomba neumática	Aire comprimido
Bomba manual	Fuerza humana
Bomba solar	Energía solar (fotovoltaica)

Por aplicación

Bombas de agua (domésticas, agrícolas, municipales)
Bombas industriales (químicas, alimentos, combustibles)
Bombas sanitarias (hospitales, farmacéutica)
Bombas sumergibles (pozos, achique)
Bombas dosificadoras (laboratorios, tratamientos químicos)

Ejemplo: Bomba centrífuga

El impulsor gira rápidamente.
El fluido es aspirado por el centro del impulsor (succión).
La fuerza centrífuga lo empuja hacia el exterior de la carcasa.
Aumenta su velocidad y presión, saliendo por la descarga.

ECUACIÓN DE BERNOULLI

La ecuación de Bernoulli es una expresión fundamental de la dinámica de fluidos, especialmente relevante en operaciones unitarias donde se requiere analizar el comportamiento de un fluido en movimiento dentro de tuberías, equipos o conductos.

Esta ecuación deriva del principio de conservación de la energía para un fluido ideal, es decir, incompresible y sin viscosidad, en régimen estacionario y a lo largo de una línea de corriente.

Su formulación es:

o P = presión del fluido

o = el peso específico

o = velocidad

o g = aceleración gravitatoria

o = altura respecto a un plano de referencia.

Cada término representa una forma de energía por unidad de peso: energía de presión, energía cinética y energía potencial, respectivamente (Cengel & Cimbala, 2014).

Dentro de las operaciones unitarias, la ecuación de Bernoulli permite calcular pérdidas de carga en sistemas de tuberías, así como determinar los requerimientos de energía de bombas, ventiladores y otros equipos. Al incluir factores de corrección como pérdidas menores (por codos, válvulas, filtros, etc.) y pérdidas por fricción, esta ecuación puede extenderse para su uso práctico en sistemas reales, aproximando el comportamiento de fluidos no ideales. Su uso se vuelve esencial para procesos donde el control del flujo, presión o altura del fluido resulta crítico para la operación del sistema, como en destilación, absorción o transporte de fluidos (Geankoplis, 2006).

Nota. Imagen tomada de https://www.researchgate.net/figure/b-Tabla-de-longitudes-equivalentes-de-tuberias-para-diferentes-singularidades_fig2_368394443

Principios para el diseño en el tramo de tubería a considerar

El diseño adecuado del tramo de tubería en las operaciones unitarias es fundamental para garantizar el transporte eficiente y seguro de fluidos. Este diseño se basa en varios principios técnicos relacionados con la mecánica de fluidos, la resistencia de materiales y los aspectos operativos del proceso. Entre los factores más relevantes se encuentran el diámetro interno de la tubería, su longitud, rugosidad relativa, el tipo de fluido que transporta, así como la velocidad de flujo y las pérdidas de energía. Para fluidos incompresibles, la ecuación de Darcy-Weisbach es la más utilizada para calcular las pérdidas por fricción, expresadas como (Fox et al., 2012):

o F = Factor de fricción

o L = Longitud de la tubería

o D = Diámetro

o V = velocidad del fluido

Además de las pérdidas por fricción, deben considerarse las pérdidas menores, que se presentan en válvulas, codos, filtros y uniones. Estas se calculan utilizando coeficientes K, que representan la pérdida equivalente a una longitud de tubería recta. Es importante también evitar fenómenos como la cavitación, el golpe de ariete o el flujo turbulento excesivo, ya que pueden afectar la integridad de los equipos. Por ello, se recomienda que la velocidad del fluido se mantenga dentro de ciertos rangos, típicamente entre 1 – 3 m/s para líquidos, dependiendo del tipo de operación. Finalmente, el material de la tubería debe seleccionarse en función de la resistencia química, térmica y mecánica que requiera el proceso, lo cual es esencial para mantener la seguridad y la durabilidad del sistema (Coulson & Richardson, 2006).

ECUACIÓN GENERAL DE LOS GASES

La ecuación general de los gases es una relación termodinámica que describe el comportamiento de un gas ideal, siendo ampliamente aplicada en operaciones unitarias donde los gases intervienen como reactivos, productos o medios de transporte.

Su fórmula es:

o P = Presión

o V = Volumen

o n = Moles de gas

o R =Constante de los gases

o T = Temperatura

Esta ecuación se utiliza en condiciones donde el gas puede considerarse ideal, es decir, cuando las interacciones moleculares son despreciables y el volumen de las moléculas es insignificante frente al volumen total (McCabe et al., 2005).

En ingeniería química e industrial, es más común utilizar la fórmula de esta manera:

o m = Masa del gas

o M = Peso molecular

Lo que permite su aplicación directa en balances de masa y energía.

Esta ecuación es esencial para calcular la presión interna en recipientes, la velocidad de expansión en sistemas de secado, o el comportamiento del gas en columnas de absorción y destilación. No obstante, cuando se trabaja a presiones elevadas o temperaturas cercanas al punto crítico, el gas se desvía del comportamiento ideal, siendo necesario utilizar factores de compresibilidad o ecuaciones de estado más complejas, como la de Van der Waals (Cengel & Boles, 2015).

Aplicaciones de la dinámica de fluidos compresibles

La dinámica de fluidos compresibles estudia el comportamiento de gases cuando su densidad cambia significativamente durante el flujo, debido a variaciones de presión o temperatura. Este análisis es crucial en operaciones unitarias que involucran transporte de vapor, gases comprimidos o flujo en sistemas cerrados con grandes diferencias de presión. A diferencia de los líquidos, los gases se ven afectados por la compresibilidad, lo que requiere considerar la ecuación de estado del gas, así como relaciones adiabáticas o isentrópicas para el análisis energético.

Nota. Imagen tomada de https://formacion-industrial.com/foros/debate/fluidos-compresibles/

Las aplicaciones más comunes en operaciones unitarias incluyen la expansión de gases en turbinas, compresión en etapas múltiples, flujo a través de toberas (como en hornos o cámaras de combustión), y el diseño de ventilación a alta presión. El uso del número de Mach permite clasificar el régimen del flujo como subsónico, sónico o supersónico, lo cual es crítico en el diseño de conductos, boquillas y compresores centrífugos. En sistemas donde se requiere mantener un control térmico del gas (como en reactores endotérmicos), la dinámica de gases compresibles es también esencial para definir las condiciones de operación más eficientes (Fox et al., 2012).

Ventiladores

Los ventiladores son dispositivos electromecánicos utilizados para mover aire u otros gases a baja presión. Son ampliamente empleados en operaciones unitarias para controlar la ventilación, extracción de gases, refrigeración y transporte de aire en procesos industriales. El principio de funcionamiento de un ventilador se basa en el intercambio de momento angular entre un impulsor rotativo y el fluido, generando un aumento en la energía cinética del gas. Existen ventiladores axiales, que mueven el aire paralelamente al eje del rotor, y centrífugos, que lo hacen en dirección radial (Coulson & Richardson, 2006).

Nota. Imagen tomada de https://industrialfans.wordpress.com/2012/07/11/whats-the-difference-between-a-centrifugal-fan-and-an-axial-fan/

En plantas industriales, los ventiladores son vitales en operaciones como secado, refrigeración de reactores, eliminación de vapores tóxicos y suministro de oxígeno en procesos de combustión. Su selección depende del caudal requerido, la presión estática y el tipo de gas transportado. Aunque no generan grandes aumentos de presión, los ventiladores son preferidos por su bajo consumo energético y facilidad de instalación, especialmente en sistemas donde la presión final no supera los 0,1 bar (Geankoplis, 2006).

Sopladores

Los sopladores son máquinas rotodinámicas que suministran gases a presiones intermedias, situándose entre los ventiladores y los compresores. Típicamente operan en un rango de presión de hasta 2 bar, y son utilizados en procesos que requieren mover grandes volúmenes de aire o gas a una presión moderada. Su aplicación más común es en sistemas de aireación en plantas de tratamiento de aguas, combustión controlada en hornos y transporte neumático de sólidos como granos o polvos (McCabe et al., 2005).

Nota. Imagen tomada de https://www.iqsdirectory.com/articles/blower/industrial-blower.html

Existen diferentes tipos de sopladores, entre ellos los de lóbulos, de anillo líquido y centrífugos. Los de lóbulos son especialmente utilizados cuando se requiere un caudal constante, mientras que los centrífugos se emplean para mayores volúmenes con variación de presión. En operaciones unitarias, la eficiencia del soplador y el control del flujo son clave para mantener la calidad del producto y reducir los costos energéticos. Su diseño implica también el análisis de vibraciones, tolerancias de sellado y consumo eléctrico asociado.

Compresores

Los compresores son equipos diseñados para incrementar la presión de un gas reduciendo su volumen, mediante trabajo mecánico. Constituyen una operación unitaria fundamental en múltiples procesos industriales, incluyendo la compresión de aire, gases combustibles, gases refrigerantes y gases de proceso. Existen diversas clasificaciones, entre ellas los compresores alternativos, rotativos y centrífugos, cada uno con características particulares según el tipo de gas, la presión deseada y el caudal requerido (Cengel & Boles, 2015).

Nota. Imagen tomada de https://yesyen.com/compressor_types.php

En operaciones unitarias, los compresores permiten la alimentación de reactores presurizados, la operación de sistemas neumáticos y el funcionamiento de sistemas de refrigeración industrial. El análisis termodinámico de la compresión puede realizarse bajo suposiciones de proceso isentrópico, isoterma o politrópico, dependiendo del nivel de precisión deseado. Además, el diseño suele incluir etapas múltiples con refrigeración intermedia para mejorar la eficiencia y evitar el sobrecalentamiento del gas. La selección adecuada del compresor repercute directamente en la economía y seguridad del proceso.

MATERIAL DE TRABAJO

Material de trabajo 01

MATERIAL 02

MATERIAL 04

MATERIAL 05

MATERIAL 07

MATERIAL 08

TRABAJOS AUNTONOMOS

TRABAJO AUTÓNOMO 1

TRABAJO AUTÓNOMO 2

TRABAJO AUTÓNOMO 3

TRABAJO AUTONOMO 4

TRABAJO AUTÓNOMO 5

PROYECTO

1 INTRODUCCIÓN

En la industria cervecera, el transporte de la cerveza fermentada desde los tanques de fermentación hasta el tanque de procesamiento final es una etapa crítica que debe realizarse bajo condiciones estrictamente sanitarias para preservar la calidad, el sabor y las propiedades microbiológicas del producto. En este contexto, la implementación de una bomba de lóbulos se presenta como una solución técnica eficiente, segura y compatible con los estándares higiénicos de la industria alimentaria. Las bombas de lóbulos ofrecen ventajas significativas en procesos que requieren el manejo cuidadoso de líquidos sensibles, como la cerveza fermentada. Estas bombas permiten un transporte suave, con bajo cizallamiento, y están diseñadas para facilitar la limpieza (CIP, por sus siglas en inglés), reduciendo el riesgo de contaminación y favoreciendo la integridad del producto. Su aplicación es clave para garantizar un flujo controlado y continuo, minimizando pérdidas y manteniendo condiciones óptimas durante el traslado hacia el tanque de procesamiento final.

Este proyecto cobra especial importancia dentro de la materia de Operaciones Unitarias, ya que permite aplicar de manera práctica los principios fundamentales relacionados con el movimiento de fluidos, la selección de equipos de transporte y la evaluación de eficiencia en procesos industriales. A través de la implementación de esta tecnología, se integran conocimientos teóricos con una aplicación real en el sector cervecero, reforzando competencias técnicas, analíticas y de diseño que son esenciales para el desarrollo profesional en el ámbito de la ingeniería química, bioquímica o de alimentos.

2 JUSTIFICACIÓN

La producción cervecera es un proceso delicado que involucra múltiples etapas en las que se debe preservar la calidad microbiológica, sensorial y fisicoquímica del producto. Una de las fases más críticas es el transporte de la cerveza fermentada desde el tanque de fermentación hacia el tanque de procesamiento final, donde se realizan operaciones como la clarificación, carbonatación y envasado. Durante este traslado, es fundamental evitar cualquier forma de contaminación, oxidación o agitación excesiva que pueda comprometer la integridad del producto. Por ello, surge la necesidad de implementar una bomba de lóbulos, un equipo que cumple con los requisitos técnicos y sanitarios exigidos por la industria cervecera. La elección de una bomba de lóbulos está motivada por su diseño higiénico, su capacidad para manejar fluidos viscosos o sensibles sin alterar sus propiedades, y su compatibilidad con procesos de limpieza CIP (Cleaning In Place). Además, su funcionamiento eficiente y de bajo cizallamiento garantiza un transporte seguro y controlado, reduciendo significativamente las pérdidas de producto y mejorando la eficiencia operativa.

Desde el punto de vista académico, este proyecto se justifica plenamente dentro del marco de la asignatura de Operaciones Unitarias, ya que permite aplicar conocimientos clave como el análisis del flujo de fluidos, la selección y dimensionamiento de equipos, y la evaluación de parámetros de operación.
La implementación de este sistema no solo resuelve una necesidad real del proceso productivo, sino que también representa una oportunidad para integrar teoría y práctica, fortaleciendo habilidades en diseño, análisis técnico y toma de decisiones.

3 FUNDAMENTOS TEÓRICOS

3.1 Operaciones unitarias

Las operaciones unitarias son los procesos fundamentales mediante los cuales se transforma la materia prima en productos útiles dentro de la industria, a través de cambios físicos que afectan el estado, la forma o la concentración de los materiales, sin alterar su naturaleza química. Estas operaciones incluyen, entre otras, el transporte de fluidos, el intercambio de calor, la separación de fases y la reducción de tamaño. Cada operación se estudia como una unidad básica que puede aplicarse en distintos sectores industriales, como el alimentario, farmacéutico, petroquímico y cervecero. Su análisis permite diseñar y optimizar procesos eficientes, sostenibles y seguros dentro del ámbito de la ingeniería de procesos. Según Geankoplis (2006), las operaciones unitarias representan "los principios físicos básicos que subyacen en el diseño y análisis de procesos industriales complejos".

3.2 Mecánica de fluidos

La mecánica de fluidos es una rama de la física que estudia el comportamiento de los fluidos (líquidos y gases) en reposo o en movimiento, así como las fuerzas que actúan sobre ellos. Este campo es fundamental en la ingeniería, ya que permite analizar y diseñar sistemas que involucran el transporte, control y medición de fluidos en diversas aplicaciones industriales. De acuerdo con Robert L. Mott (2006), la mecánica de fluidos es “el estudio de los fluidos y de cómo afectan a los sistemas físicos, enfocándose particularmente en la comprensión y aplicación de principios fundamentales para la resolución de problemas reales de ingeniería”.

3.3 Conceptos básicos de mecánica de fluidos

Presión: La presión es una magnitud física que describe la fuerza ejercida por un fluido (líquido o gas) sobre una superficie, distribuida por unidad de área. Es un parámetro fundamental en la mecánica de fluidos, ya que influye en el comportamiento del fluido en movimiento o en reposo, así como en el diseño de equipos como tuberías, bombas y tanques. Según Robert L. Mott (2006), la presión se define como “la fuerza normal ejercida por un fluido por unidad de área sobre las paredes del recipiente o cualquier superficie en contacto con el fluido”.

Fluido: Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente bajo la acción de una fuerza, por pequeña que esta sea. A diferencia de los sólidos, los fluidos no tienen forma fija y adoptan la del recipiente que los contiene. Pueden ser líquidos o gases, y su comportamiento se estudia en función de propiedades como la viscosidad, densidad y presión. Según Robert L. Mott (2006), un fluido se define como “una sustancia que no puede resistir ninguna deformación cortante sin moverse, por lo que fluye continuamente mientras se aplique una fuerza de corte”.

Densidad: La densidad es una propiedad física fundamental de la materia que expresa la cantidad de masa contenida en un determinado volumen. En el contexto de la mecánica de fluidos, es un parámetro esencial para el análisis del comportamiento de los líquidos y gases, ya que influye directamente en variables como la presión, el flujo y la fuerza de empuje. Según Robert L. Mott (2006), la densidad se define como “la masa por unidad de volumen de una sustancia y es una de las propiedades básicas que caracterizan a un fluido”.

Peso específico: El peso específico es una propiedad física que relaciona el peso de una sustancia con el volumen que ocupa. Se expresa comúnmente en unidades de newton por metro cúbico (N/m³) y es fundamental en el análisis de sistemas hidráulicos, ya que permite calcular fuerzas hidrostáticas, empujes y caídas de presión. A diferencia de la densidad, que relaciona masa con volumen, el peso específico toma en cuenta la acción de la gravedad. Según Robert L. Mott (2006), el peso específico se define como “el peso por unidad de volumen de una sustancia, y se relaciona directamente con la densidad mediante la aceleración de la gravedad”.

Caudal: El caudal es una magnitud que indica el volumen o la masa de un fluido que pasa a través de una sección determinada por unidad de tiempo. Es una variable clave en el análisis y diseño de sistemas de transporte de fluidos, como tuberías, bombas y canales, ya que permite cuantificar el flujo y dimensionar adecuadamente los equipos. Existen dos tipos principales de caudal: caudal volumétrico y caudal másico. Según Robert L. Mott (2006), el caudal se define como “la cantidad de fluido que fluye por un punto o una sección transversal específica de un sistema por unidad de tiempo”.

Ecuación de Bernoulli: La ecuación de Bernoulli es una expresión fundamental en la mecánica de fluidos que describe la conservación de la energía en un fluido en movimiento. Esta ecuación establece que, para un flujo ideal, incompresible y sin fricción, la suma de la energía cinética, la energía potencial y la presión permanece constante a lo largo de una línea de corriente. Es una herramienta esencial para analizar sistemas hidráulicos y determinar cómo varían la presión, la velocidad y la altura en distintos puntos del flujo. Según Robert L. Mott (2006), “la ecuación de Bernoulli representa una forma de la ley de conservación de la energía aplicada a un fluido en movimiento, y es fundamental para la solución de muchos problemas prácticos en ingeniería”.

3.4 Energías que Interviene en la Ecuación de Bernoulli

Energía de potencia: La potencia es la cantidad de energía transferida o transformada por unidad de tiempo. Es un concepto fundamental en ingeniería, especialmente cuando se trabaja con bombas, motores o sistemas hidráulicos.

Energía cinética: La energía cinética es la energía que posee un cuerpo debido a su movimiento. En el contexto de la mecánica de fluidos, representa la cantidad de energía que tiene un fluido en movimiento por el hecho de desplazarse con cierta velocidad.

Energía de flujo: La energía de flujo es la energía que posee un fluido debido a la presión que ejerce mientras se encuentra en movimiento dentro de un sistema. Se trata de la energía necesaria para empujar el fluido a través de una sección de tubería o conducto.

Perdidas menores: Las pérdidas menores son las pérdidas de energía que experimenta un fluido en movimiento debido a cambios locales en la geometría del sistema de tuberías, como codos, válvulas, tees, reducciones, expansiones y entradas o salidas de flujo.

Perdidas mayores: Las pérdidas mayores son las pérdidas de energía que sufre un fluido debido a la fricción continua entre el fluido y las paredes internas de una tubería a lo largo de un tramo recto. Estas pérdidas se generan por el rozamiento del fluido con la superficie interna del conducto y dependen de factores como la rugosidad de la tubería, la viscosidad del fluido, el caudal, el diámetro del tubo y el tipo de flujo (laminar o turbulento).

Número de Reynolds: El número de Reynolds (Re) es un número adimensional que permite predecir el tipo de flujo que presenta un fluido en movimiento dentro de una tubería u otro sistema. Este número compara la fuerza inercial del fluido (asociada a su movimiento) con su fuerza viscosa (resistencia al movimiento). Su valor permite determinar si el flujo es:

· Laminar (flujo ordenado): Re < 2,000

· Transitorio (zona de transición): 2,000 < Re < 4,000

· Turbulento (flujo caótico): Re > 4,000

Factor de fricción: El factor de fricción (también llamado coeficiente de Darcy, y representado como ) es un parámetro adimensional que cuantifica la resistencia al flujo que ofrece una tubería debido al rozamiento entre el fluido y las paredes del conducto. Este factor es fundamental para calcular las pérdidas mayores de energía por fricción en tuberías rectas, utilizando la ecuación de Darcy–Weisbach.

Potencia requerida: La potencia requerida es la cantidad de energía por unidad de tiempo que una bomba o equipo debe suministrar para mover un fluido a través de un sistema, superando la carga total (presión, altura, fricción, pérdidas menores, etc.).

NPSH: El NPSH (en español, Altura Neta Positiva de Succión) es un parámetro fundamental que determina si una bomba puede operar correctamente sin que ocurra cavitación, un fenómeno dañino que se produce cuando la presión del líquido cae por debajo de su presión de vapor, formando burbujas que colapsan violentamente.

Existen dos tipos principales de NPSH:

· NPSH disponible

Es la cantidad de energía (presión) que tiene el fluido en la línea de succión antes de entrar a la bomba, proporcionada por el sistema.

· NPSH requerido

Es la cantidad mínima de energía (presión) que la bomba necesita en la succión para evitar cavitación, y es un dato proporcionado por el fabricante de la bomba.

Ecuación general de la energía

3.5 Válvulas

Según Robert L. Mott, las válvulas se definen como dispositivos mecánicos utilizados para iniciar, detener o regular el flujo de un fluido en un sistema.

Funciones principales de las válvulas según Mott:

· Controlar el caudal: Reducen o incrementan el flujo del fluido.

· Interrumpir el flujo: Permiten abrir o cerrar completamente el paso.

· Regular la presión: Algunas válvulas ajustan la presión dentro del sistema.

· Direccionar el flujo: Cambian la dirección o ruta del fluido en sistemas complejos.

Tipos comunes de válvulas que Mott menciona:

· Válvula de compuerta (gate valve): Para flujo completamente abierto o cerrado.

· Válvula de globo (globe valve): Para regulación del flujo.

· Válvula de bola (ball valve): Rápida apertura/cierre.

· Válvula de retención (check valve): Permite flujo en una sola dirección.

· Válvula de alivio (relief valve): Libera presión excesiva para proteger el sistema.

Longitud Equivalente
Tabla
Tipo	Longitud equivalente en diámetros de tubería Le/D
Válvula de globo —totalmente abierta	340
Válvula de ángulo —totalmente abierta	150
Válvula de compuerta —totalmente abierta	8
—abierta ¾	35
—abierta ½	160
—abierta ¼	900
Válvula de mariposa —totalmente abierta, 2-8 in	45
Válvula de retención —tipo oscilante	100
Válvula de retención —tipo bola	150
—16-24 in	25
—10-14 in	35
Válvula de pie —tipo disco de vástago	420
Válvula de pie —tipo disco de bisagras	75
Codo estándar de 90°	30
Codo de 90° y radio largo	20
Codo de 90° para calle	50
Codo estándar de 45°	16
Codo de 45° para calle	26
Doblez de retorno cerrado	50
Te estándar —con flujo por la línea principal	20

3.6 Cavitación

La cavitación es un fenómeno que ocurre cuando la presión de un líquido desciende por debajo de su presión de vapor, lo que provoca la formación de burbujas de vapor en el interior del fluido. Estas burbujas colapsan violentamente al moverse hacia zonas de mayor presión, generando ondas de choque que pueden causar daños mecánicos en superficies metálicas como los álabes de bombas o hélices. Este proceso no solo deteriora los equipos, sino que también disminuye su eficiencia y genera ruidos y vibraciones indeseadas (White, 2011).

3.7 Bombas

Una bomba es una máquina hidráulica cuya función principal es mover líquidos mediante la adición de energía, generalmente aumentando su presión, su altura o su velocidad, permitiendo así su transporte dentro de un sistema. Las bombas se utilizan ampliamente en aplicaciones industriales, agrícolas, domésticas y sanitarias, y pueden funcionar mediante diversos mecanismos, como el desplazamiento positivo o la acción centrífuga. De acuerdo con Kaliyan y Morey (2009), “una bomba es un dispositivo que transfiere energía al fluido para hacerlo fluir desde una zona de baja energía hacia una zona de mayor energía”.

3.8 Clasificación de las bombas

Las bombas se pueden clasificar según diferentes criterios, pero la forma más común es según su principio de funcionamiento, dividiéndose en dos grandes grupos:

Bombas de desplazamiento positivo

Estas bombas transportan el fluido atrapándolo en un volumen cerrado y desplazándolo físicamente. Son ideales para líquidos viscosos y aplicaciones que requieren caudal constante y presión alta. A su vez, se dividen en:

a) Bombas reciprocantes (alternativas)

· Pistón

· Émbolo

· Diafragma

b) Bombas rotativas

· Engranajes

· Lóbulos

· Paletas

· Tornillo

Bombas dinámicas (no positivas)

Estas bombas agregan energía al fluido de forma continua mediante la transferencia de momento angular, aumentando su velocidad y presión. Son más comunes en aplicaciones de gran caudal y baja viscosidad.

a) Bombas centrífugas (las más comunes)

· De flujo radial

· De flujo axial

· De flujo mixto

b) Bombas especiales

· Bombas de chorro

· Bombas de vórtice

Comparación General

Tipo

Caudal

Presión

Fluido total

Ejemplo

Desplazamiento positivo

Constante

Alta

Viscosos, delicados

Lóbulos,

Pistón

Dinámicas (centrífugas)

Variable

Media

Líquidos limpios, baja viscosidad

Centrífuga

Parámetros fundamentales

· Caudal (Q): Volumen que fluye por unidad de tiempo (L/min, m³/h)

· Altura manométrica (H): Energía total que la bomba suministra al fluido (m)

· Potencia hidráulica (Ph):

Componentes principales de una bomba centrífuga

· Impulsor (rotor): Transfiere la energía al fluido

· Carcasa (voluta): Dirige el fluido hacia la salida

· Eje: Conecta el impulsor con el motor

· Sello mecánico o empaques: Evitan fugas

· Rodamientos: Permiten el giro suave del eje

Potencia de una bomba

La potencia de una bomba se refiere a la energía por unidad de tiempo que la bomba transfiere al fluido o que requiere para operar. Se expresa comúnmente en watts (W) o caballos de fuerza (HP).

El punto de operación ideal está donde la curva de la bomba se cruza con la curva del sistema (pérdidas del sistema).

Las curvas de bomba

El rendimiento de una bomba centrífuga se muestra mediante las curvas de rendimiento. Estas curvas típicas se muestran en la figura 1. Se detallan la altura, consumo de potencia, eficiencia y NPSH en función del caudal.

Fig. 1: Curvas de rendimiento típicas de una bomba centrí- fuga. Altura, consumo de potencia, eficiencia y NPSH se muestran en función del caudal

Normalmente las curvas de bomba en los catálogos técnicos solo cubren una parte de la bomba. Debido a esto, el consumo de potencia, valor P2, mostrado en los catálogos técnicos, sólo cubre la potencia que se suministra a la bomba (ver figura 1). Lo mismo ocurre con el valor de eficiencia, que solo cubre una parte de la bomba (η = ηP). En algunos tipos de bomba con motor integrado y en ocasiones con un convertidor de frecuencia integrado, por ejemplo, bombas con motor encapsulado, la curva de consumo de potencia y la curva η cubren tanto el motor como la bomba. En este caso, es el valor P1 el que se tendrá en cuenta.

En general, las curvas de la bomba están diseñadas de acuerdo a ISO 9906 Annex A, que especifica las tolerancias de las curvas:

· Q +/- 9%,

· H +/-7%,

· P +9%

· η-7%.

Fig. 2: Las curvas de consumo de potencia y eficiencia nor- malmente sólo cubren la parte de la bomba de la unidad - es decir, P₂ y ηP

Altura, la curva QH

La curva QH muestra la altura que la bomba es capaz de desarrollar a un caudal determinado. La altura se media en columa de metros de líquido [mLC]; normalmente la unidad aplicada es metros [m]. La ventaja de utilizar

Curvas características de la bomba

Las bombas se representan con curvas características:

· Curva Q-H: Caudal vs Altura

· Curva Q-η: Caudal vs Eficiencia

·
Curva Q-P: Caudal vs Potencia absorbida

Bomba de lóbulo

La bomba de lóbulos es un tipo de bomba rotativa de desplazamiento positivo, que utiliza dos o más lóbulos giratorios para desplazar un volumen constante de fluido. Los lóbulos no se tocan entre sí ni con la carcasa; el sincronismo se mantiene mediante engranajes externos.

3.9 Sistema de tuberías

Un sistema de tuberías es una red de conductos diseñada para transportar un fluido de un punto a otro, generalmente impulsado por bombas o por presión, considerando factores como pérdidas de carga, presión, velocidad y caudal.

Componentes de un sistema de tuberías

· Tuberías o conductos: Transportan el fluido.

· Accesorios: Codos, tees, reducciones, uniones, etc.

· Válvulas: Regulan o interrumpen el flujo.

· Bombas: Añaden energía al fluido.

· Medidores: Controlan presión, caudal o temperatura.

· Soportes y anclajes: Sostienen y estabilizan el sistema.

Pérdidas de carga

Pérdidas por fricción (principales)

Calculadas con la ecuación de Darcy-Weisbach:

Pérdidas menores o locales

Ocurren en codos, válvulas, tees, etc. Se calculan como:

Cálculo total de pérdidas

Esto se utiliza para determinar la altura manométrica que debe vencer una bomba, por ejemplo.

Tubería de acero comercial

La tubería de acero comercial es un conducto metálico fabricado con acero al carbono o acero aleado, diseñado para transportar fluidos (líquidos o gases) o usarse estructuralmente. Es uno de los materiales más comunes en sistemas de tuberías industriales, mecánicos, hidráulicos y civiles.

Dimensiones de tubo de acero
Tabla
Diámetro Exterior		Espesor de Pared		Diámetro Interior		Área de Flujo
(in)	(mm)	(in)	(mm)	(in)	(ft)	(mm)	(ft2)	(mm2)
1/8	3,18	0,032	0,813	0,061	0,00508	1,549	2,03E-05	1,89E-06
		0,035	0,889	0,055	0,00458	1,397	1,65E-05	1,53E-06
1/5	4,76	0,032	0,813	0,124	0,01029	3,137	8,32E-05	7,73E-06
		0,035	0,889	0,117	0,00979	2,985	7,53E-05	7,00E-06
1/4	6,35	0,035	0,889	0,18	0,015	4,572	1,77E-04	1,64E-05
		0,049	1,24	0,152	0,01267	3,861	1,26E-04	1,17E-05
1/3	7,94	0,035	0,889	0,243	0,02021	6,16	3,21E-04	2,98E-05
		0,049	1,24	0,215	0,01788	5,448	2,51E-04	2,33E-05
3/8	9,53	0,035	0,889	0,305	0,02542	7,747	5,07E-04	4,71E-05
		0,049	1,24	0,277	0,02308	7,036	4,19E-04	3,89E-05
1/2	12,7	0,049	1,24	0,402	0,0335	10,21	8,81E-04	8,19E-05
		0,065	1,65	0,37	0,03083	9,4	7,47E-04	6,94E-05
5/8	15,88	0,049	1,24	0,527	0,04392	13,39	1,52E-03	1,41E-04
		0,065	1,65	0,495	0,04125	12,57	1,34E-03	1,24E-04
3/4	19,05	0,049	1,24	0,652	0,05433	16,56	2,32E-03	2,15E-04
		0,065	1,65	0,62	0,05167	15,75	2,10E-03	1,95E-04
7/8	22,23	0,049	1,24	0,777	0,06475	19,74	3,29E-03	3,06E-04
		0,065	1,65	0,745	0,06208	18,92	3,03E-03	2,81E-04
1	25,4	0,065	1,65	0,87	0,0725	22,1	4,13E-03	3,84E-04
		0,083	2,11	0,834	0,0695	21,18	3,79E-03	3,52E-04
1 1/4	31,75	0,065	1,65	1,12	0,09333	28,45	6,84E-03	6,36E-04
		0,083	2,11	1,084	0,09033	27,53	6,41E-03	5,95E-04
1 1/2	38,1	0,065	1,65	1,37	0,1142	34,8	1,02E-02	9,51E-04
		0,083	2,11	1,334	0,1112	33,88	9,71E-03	9,02E-04
1 3/4	44,45	0,065	1,65	1,62	0,135	41,15	1,43E-02	1,33E-03
		0,083	2,11	1,584	0,132	40,23	1,37E-02	1,27E-03
2	50,8	0,065	1,65	1,87	0,1558	47,5	1,91E-02	1,77E-03
		0,083	2,11	1,834	0,1528	46,58	1,84E-02	1,70E-03

Factor Fricción
Tabla
Tamaño nominal de la tubería
Estados Unidos (in)	Métrico (mm)	Factor de fricción, fT
1/2	DN 15	0,026
3/4	DN 20	0,024
1	DN 25	0,022
1 1/4	DN 32	0,021
1 1/2	DN 40	0,02
2	DN 50	0,019
2 1/2	DN 65	0,018
3	DN 80	0,017
3 1/2	DN 90	0,017
4	DN 100	0,016
5	DN 125	0,015
6	DN 150	0,015
8	DN 200	0,014
10	DN 250 a DN 350	0,013
12	DN 250 a DN 350	0,013
14	DN 250 a DN 350	0,013
16	DN 400 a DN 550	0,012
18	DN 400 a DN 550	0,012
20	DN 400 a DN 550	0,012
22	DN 400 a DN 550	0,012
24	DN 600 a DN 900	0,011
26	DN 600 a DN 900	0,011
28	DN 600 a DN 900	0,011
30	DN 600 a DN 900	0,011
36	DN 600 a DN 900	0,011

4 DESCRIPCIÓN DEL CASO

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La empresa BeersCorp S.A., dedicada a la elaboración de cerveza, se encuentra en proceso de optimización de su línea de producción, específicamente en la etapa de embotellamiento. Para garantizar un proceso eficiente, continuo y sin interrupciones, se requiere asegurar el suministro constante de cerveza fermentada desde los tanques de almacenamiento hasta el sistema de llenado. Actualmente, la empresa necesita implementar un sistema de bombeo que permita trasladar el producto de forma controlada, evitando pérdidas, variaciones en el flujo o afectaciones en la calidad del líquido. La selección de esta bomba es crítica, ya que debe asegurar un caudal constante que mantenga operativa la línea de embotellado bajo las condiciones establecidas por el diseño del sistema de tuberías existente.

BeersCorp busca el apoyo técnico para elegir una bomba adecuada que no solo cumpla con los requerimientos del proceso, sino que además garantice eficiencia, seguridad y cuidado del producto final.

DESCRIPCION DEL CASO

Una bomba de lóbulos de desplazamiento positivo se utiliza para transportar cerveza fermentada desde un depósito hasta un tanque de almacenamiento. La cerveza tiene una densidad de 1010,6 kg/m³. El sistema de transporte está compuesto por una tubería de acero comercial de 50 metros de longitud, que eleva el líquido 8 metros en vertical desde el nivel de la bomba hasta el tanque. La tubería tiene un diámetro de 1 pulgada.
En el sistema se encuentran los siguientes accesorios: 2 válvulas de compuerta completamente abiertas (una antes y después de la bomba), 9 codos de 90°, 1 filtro con un coeficiente de pérdida de 3. Además, deben considerarse las pérdidas por entrada y salida del sistema de tuberías.
Todo el sistema está fabricado en acero comercial. El sistema debe operar con un caudal mínimo de 50 L/min, lo cual es necesario para abastecer el tanque de almacenamiento, el cual alimenta una línea de envasado que llena 150 botellas de 330 ml por minuto.

· Objeto

· Determinar cuál es la carga de la bomba.

· Conociendo la carga de la bomba, determinar que bomba sería la más adecuada a la implementación de nuestro sistema.

· Determinar la curva de operación de la bomba y a su vez el punto de operación de la misma.

· Determinar la potencia hidráulica que tendrá nuestra bomba en HP.

· Determinar si existe cavitación en nuestro sistema.

PRESENTACIÓN DEL ESQUEMA Y DATOS RELEVANTES

DATOS:

· 9 codos de 90°

· 1 filtro

· Tubería de 1 pulgada

· Longitud de 50 m

· Caudal Q = 50 L/min

· Area de 0.0004 m²

· T = 20 ° C

· Gravedad = 9.81 m / s²

· D = 1010,6 kg/m³.

· 2 válvulas de compuerta completamente abiertas

· 150 botellas de 330 ml/ min.

Proceso para la producción de la cerveza

Diagrama de flujo

5 CÁLCULOS

Ecuación de Bernoulli

Ecuación de la potencia

Calcular los datos de la ecuación de Bernoulli

Calcular el total coeficiente de perdidas

Hallar el total de hL y la carga total de la bomba

Curva del sistema y de la bomba

Determinar si existe cavitación

La bomba Grundfos CM 3-5 A-R-A-E-AVBE C1-A-A-N

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Resumen de los resultados

hA	Potencia		Potencia Nominal		Eficiencia	Cavitación
m	Watts	HP	Watts	HP	Eficiencia	NPSH disp	< / >	NPSH Req
28,6390	236,61	0,32	500	0,67	47%	10,63	>	1,86
						No existe Cavitación

Conclusiones:

Como conclusión tenemos que, el sistema de bombeo diseñado cumple con los requerimientos necesarios para transportar cerveza fermentada desde el depósito hasta el tanque de almacenamiento. Se calculó una carga total de la bomba de 28.639 m, y se seleccionó la bomba Grundfos CM 3-5, la cual se adapta correctamente al sistema.

Al analizar la curva del sistema junto con la curva de la bomba, se identificó un punto de operación óptimo en la intersección de ambas: un caudal de 50 L/min (0.00083 m³/s) y una carga de 28.639 m, confirmando que la bomba entregará la altura exacta que el sistema necesita para ese flujo.

Por último, la potencia hidráulica requerida es de 0.32 HP, y el sistema no presenta riesgo de cavitación, ya que el NPSH disponible (10.63 m) es mayor que el NPSH requerido por la bomba (1.86 m).

Recomendaciones

· Monitorear el punto de operación regularmente para asegurar que se mantenga en 50 L/min y 28.639 m.

· Aplicar mantenimiento preventivo según las indicaciones del fabricante para garantizar la eficiencia de la bomba.

· Verificar el NPSH disponible ante cualquier cambio en el sistema para evitar cavitación.

· Instalar manómetros y medidor de caudal para controlar el desempeño en tiempo real.

· Medir el consumo eléctrico real para evaluar la eficiencia del sistema.

· Colocar válvula de retención y válvula de control para mayor seguridad y regulación del caudal.

· Actualizar la curva del sistema si hay cambios en tuberías, accesorios o condiciones del fluido.

LINK DEL PORTAFOLIO

https://drive.google.com/file/d/1MNSDaaOv3ISd4KcQRM--VVSfrjZQDLSP/view?usp=drivesdk

BIBLIOGRAFIA

Geankoplis, C. J. (2006). Transport processes and separation process principles (4th ed.). Pearson Education.

McCabe, W. L., Smith, J. C., & Harriott, P. (2001). Operaciones unitarias en ingeniería química (6.ª ed.). McGraw-Hill.

https://es.scribd.com/doc/169907220/Diagramas-de-Flujo-de-Leches

https://es.wikipedia.org/wiki/Presión_de_vapor#Variación_de_la_presión_de_vapor_con_la_temperatura

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