Introducció a la Mecànica de Fluids: Conceptes Fonamentals

Fluids: Un fluid és una substància on les seves molècules tenen una gran mobilitat i es desplacen lliurement per la poca cohesió entre elles. El terme fluid engloba els gasos i els líquids.
● La ciència que estudia els fluids s'anomena mecànica de fluids.
● Factors que afecten la fluidesa:

• Densitat
• Pressió
• Viscositat

Els fluids estan formats per molècules en constant moviment, fet que dificulta el seu estudi.

Densitat i pes específic.

Un fluid es pot definir com una substància sense forma permanent. Líquids --> S'adapten a la forma del recipient --> lleugerament compressibles  / Gasos --> ocupen tot l'espai --> fàcilment compressibles 

Densitat: quocient entre la massa i el volum d'una substància. ρ=m/v
Densitat relativa: relació entre la densitat d'una substància i la densitat d'una altra substància que s'agafa com a referència. S i L referència a H2O i G referència el AIRE. La temperatura afecta a la densitat (tant de sòlid com de líquid com de gas).

Pes específic (γ): pes d'una substància per unitat de volum.

Pressió

Relació entre la força que s'exerceix sobre una determinada superfície i l'àrea d'aquesta superfície. P= Força / Superfície  (podem calcular la pressió en un fluid.) 

Pressió atmosfèrica → És la pressió que exerceix l'atmosfera.
Pressió absoluta → Quan calculem la pressió d'un fluid, aquesta mesura es fa en relació a la pressió atmosfèrica. La pressió que es mesura en relació al zero absolut (o buit perfecte) es coneix com a pressió absoluta.
La relació entre els diferents tipus de pressió és: Pressió absoluta = Pressió atmosfèrica + Pressió manomètrica (Aquesta és: la pressió absoluta és tot, la pressió atmosfèrica està a nivell del mar, per sobre és pressió relativa i per sota pressió de buit.)

Pressió hidrostàtica → P que exerceix un líquid. La pressió serà constant en qualsevol secció transversal, però variarà amb l'altura.
Viscositat

És la resistència d'un fluid a fluir. Cada fluid té el seu comportament amb la temperatura. Augmentant la temperatura, menys viscós (líquid).
- Gas al augmentar temperatura augmenta viscositat.

- Líquid al augmentar temperatura disminueix viscositat.

Flux de fluids El transport de fluids resulta més senzill i econòmic que el transport de sòlids. 
Tipus de flux: ▪ Flux permanent → La velocitat és constant respecte al temps en el punt concret per on circula el fluid. Si la velocitat no és constant respecte al temps parlarem d'un flux variable (no permanent). / ▪ Flux uniforme → apareix quan la direcció i el sentit de la velocitat no varien d'un punt a un altre del fluid en l'espai. 

Cabal: quantitat de fluid per unitat de temps que passa a través d'una secció transversal de corrent. Es pot expressar en: ● Volum → cabal volumètric / ● En massa → cabal màssic (S'expressa en volum/temps, per exemple: l/min o m3/seg). 
Conservació de l'energia. Equació de Bernoulli: Amb la velocitat baixa la pressió. Es pot transformar un tipus d'energia en altres, però de manera que l'energia total romangui constant. 

Aplicacions de l'equació de Bernoulli En l'àmbit de la indústria farmacèutica s'utilitza pel càlcul de canonades i xarxes de distribució, càlcul de la potència necessària de les bombes, mesurar el cabal del fluid circulant. 

1. Equació de Torricelli: La velocitat teòrica de sortida d'un fluid per un orifici a la part inferior d'un dipòsit s'obté a partir de l'equació de Bernoulli i es coneix com l'equació de Torricelli. La alta pressió de sota està influenciada per les de dalt, on la pressió no és igual. 
2. Efecte Venturi: Consisteix en la depressió produïda en el fluid al passar per un punt de menor secció. La conducció és horitzontal: + velocitat en el punt de menys secció, baixa la P.  

1. 2.

 Flux laminar i turbulent. Número de Reynolds: Els règims de circulació del fluid són laminar i turbulent. Al obrir la vàlvula, augmenta el cabal i per tant la velocitat a través del tub. Fins a una velocitat crítica, només queda pintat un filament de corrent (flux laminar). Al augmentar la velocitat, apareixen turbulències i la circulació és clarament flux turbulent.

Flux laminar (Re < 4000) / ENTRE 2000 - 4000 = règim de TRANSICIÓ --> el número de Reynolds ens permet identificar el règim de circulació del fluid.

- Existeix una velocitat crítica a partir de la qual comencen a aparèixer remolins. i / - Quan més gran és la velocitat de l'aigua, més remolins es formen.
Que es passi de flux laminar / ¡ a flux turbulent dependrà de les característiques del flux (densitat, viscositat) i de la conducció (diàmetre, material).

Flux LAMINAR - --> ordenat, per no mesclar substàncies entre elles / Flux TURBULENT --> irregular, pot causar xocs entre partícules. 

Pèrdues d'energia per fricció: En el flux del fluid per una conducció es produeix una pèrdua d'energia com a conseqüència de la fricció, que es tradueix en una disminució de la pressió i es classifiquen en: ▪ Pèrdues primàries: pèrdues d'energia produïdes per la fricció del fluid amb la canonada i per fregament de les capes de fluid. / ▪ Pèrdues secundàries: Produïdes per tots els accessoris que hi ha en la instal·lació (vàlvules, colzes, estretaments...).

Instal·lació de transport de líquids: bombes i vàlvules.

Bombes: se fan servir per desplaçar un fluid.

- Bombes de desplaçament + (volumètriques) - Funcionament: Es transmet al fluid energia en forma de pressió, provocada per una disminució del volum. / - En aquest grup hi ha les bombes d'èmbol o pistó. / - En general es caracteritzen per proporcionar baixos cabals i elevades altures o pressions.
. Turbobombes (AKA cinètiques o dinàmiques) - Funcionament: S'augmenta l'energia cinètica del fluid mitjançant un rodet giratori. / - En funció de la trajectòria que segueixi el fluid a través del rodet giratori, es classifiquen en: centrífugues, helicocentrífugues o axials. / - Proporcionen cabals elevats i altures o pressions baixes.

La determinació del tipus de bomba dependrà de: - cabal requerit, / - propietats del líquid (densitat i viscositat) / - altura a la que cal aixecar el líquid, / - la pressió en el punt final / - característiques de la instal·lació (longitud, diàmetre, accidents,...)

Bombes centrífugues (turbobombes) Són les més utilitzades en la indústria pel transport de fluids.
1. Entrada, unida a la canonada d'aspiració. / 2. Rodet mòbil que gira i té unes aspes que donen energia al fluid. / 3. Difusor, recull el líquid transformant-lo en energia cinètica en energia de pressió.  / 4. Voluta, també anomenada cargol o caixa espiral. 

Corbes característiques --> Defineix el funcionament d'una bomba. 

La corba ensenya que a mesura que el cabal augmenta, l'altura baixa. Cabal (x) altura (y) 

Associació de bombes centrífugues --> 1 en sèrie: guanyem alçada perquè augmenta P. (+ P = + H) la primera sortida és la segona entrada / En paral·lel: guanyem cabal però NO ALÇADA, es manté. Es connecten en el mateix col·lector. (típica en indústria) 

- - - - - : H bomba  _____ : bomba en sèrie (pistó)   _____ : Bomba en paral·lel (turbobomba) 

Canonades i accessoris  Dimensions de les canonades vindran definides amb el diàmetre nominal:  Amb soldadura (longitudinals) / sense soldadura (helicoidals)   

Materials: ▪Ferro → més econòmics que l'acer però menys resistents. / ▪Acers inoxidables → pel transport de fluids altament corrosius i a elevades temperatures. / ▪Metàl·lics no fèrrics → per gasos / ▪Plàstics → + econòmics. Tenen més resistència a la corrosió que els metàl·lics.

La pressió nominal (PN) és la P màxima de treball a T ambient, / El diàmetre nominal (DN) és el diàmetre interior en canonades.
El color de les canonades dependrà del producte que circula al seu interior.  (Roig: vapors / Taronja: Àcids / Groc: gasos / Verd: Aigua / Blau: Aire / Lila: Bases / Marró: olis / Negre: NO específics.) 

Calorifugat i trossejat. Per estalvi d'E o per exigències del procés, les canonades s'han d'aïllar amb un tipus de revestiment denominat calorifugat. Ex: Suro, Llana mineral, Fibra de vidre. 

Quan el procés exigeix que el producte es mantingui a unes condicions de temperatura molt concretes, les canonades es fan trossejat: s'acompanyen amb un fluid calent o fred. També hi ha accessoris com: colzes, taps, empalmes i reduccions.

Vàlvules

Poden regular el cabal. Accessoris per tenir i regular el pas del fluid per circular. 

Elements: ▪Obturador → peça mòbil que realitza el tancament. / ▪ Eix o planxó → barra cilíndrica que unida a l'obturador, transmet la posició per l'accionament exterior. / ▪Junta d'estanquitat → Evita fugues de líquid. / ▪Estopada → sistema que impedeix la fuga del circuit. / ▪Seient → part fixa en la que s'ajusta perfectament l'obturador al tancar. / ▪Cos → part més voluminosa que uneix la vàlvula amb la canonada. / ▪Tapa → part exterior que s'uneix al cos de la vàlvula. / ▪Volant o palanca d'accionament → acciona o fa funcionar la vàlvula.

Tipus de Vàlvules: Pel moviment de l'obturador i pel tipus d'accionament.

A) Vàlvules amb moviment lineal de l'obturador  ▪ De comporta → L'obturador puja o baixa com una comporta. /  ▪ De seient / globus: L'obturador té forma de tap i es mou en sentit contrari al fluid.
B) Vàlvules amb moviment rotatiu de l'obturador ▪ De papallona → el cos de la vàlvula és un anell cilíndric. / De bola → Obturador en forma de bola que pot girar fins a 90º.

C) Vàlvules especials: ▪De membrana / diafragma → l'obturador és una membrana flexible. / ▪D'estrangulament → consta d'un cilindre metàl·lic recobert per una goma que tanca.
D) Vàlvules segons el tipus d'accionament ▪manual / Automàtic: de retenció, les reguladores de la pressió i les de seguretat. / Motoritzada → equipades amb un motor pneumàtic, elèctric o hidràulic.

EL MANTENIMENT DE LA VÀLVULA ÉS MOLT IMPORTANT 

Tipus de filtres ▪Impulsió o P → es situa a la línia d'alta pressió darrera el grup d'impulsió / ▪ Retorn → es col·loca sobre la conducció del fluid de retorn. / ▪ aire → es situa en els respiradors de l'equip. / ▪ Recirculació → situat sobre la línia de refrigeració que alimenta el bescanviador. / ▪ Succió → es col·loca a la línia d'aspiració de les bombes. / ▪ Omplert → s'instal·la a l'entrada del dipòsit habilitada per la reposició del fluid.

GASOS 

Els gasos més usats  (O2, N2, H2, argó) Actuen com a:

• Reactius per processos
• Formen part d'ambients que afavoreixen les reaccions químiques
• Serveixen com a matèria primera per obtenir altres productes.

Aplicats a la indústria farmacèutica: 1. Fabricació de medicaments: (O2 / N2 / CO2) /  2. Envasat de medicaments: (N2) /  3. Congelació i refrigeració: (CO2 / N) / 4. Esterilització d'equips i espais: (òxid d'etil)

Classificació general: ▪Propietats bio / ▪Propietats criogèniques: ús de l'N en escenaris / ▪Aplicacions científiques: Protegeixen de l'oxidació o la acceleren.

Classificació segons característiques: Inflamables / Tòxics / Corrosius / Oxidants i Combustibles (o) / Autoinflamables / Inerts (heli) / Reactius

Classificació segons característiques físiques: ▪ Gasos comprimits. / ▪Gasos liquats: Mitjançant fred, pressió o una combinació es converteixen en líquids. / ▪Gasos dissolts a pressió: dissolts en un líquid. / ▪Gasos criogènics: liquats a baixa pressió.  

- Inertitzat i blanketing: Tècnica de protecció que té relació amb la seguretat de les instal·lacions i la qualitat dels productes com posar una capa protectora de gas inerte per evitar la seva oxidació o degradació a causa de l'oxigen o altres gasos presents en l'aire.
Usos:
-Alimentació: begudes / -Indústria química: Protecció de productes sensibles a O / -Indústria farmacèutica: Protecció dels medicaments i altres productes farmacèutics sensibles a l'oxidació. 

Purga --> Procés per netejar o eliminar contaminants d'un sistema o d'una tuberia.
1. Purga de tuberies: es fa servir per a purgar l'aire i altres gasos presents en les tuberies. / 2. Purga de reactors: per a eliminar l'oxigen i altres gasos presents en la cambra del reactor. / 3. Purga de sistemes de refrigeració: per a eliminar l'aire i l'humitat del sistema. Evita proliferació bacteriana i legionelosis. 

Les purgues són un procés clau a la indústria farmacèutica per a garantir la seguretat i la qualitat dels productes farmacèutics.

Aplicacions de purga: 1. Eliminació de contaminants: per a purgar les tuberies i equips / 2. Esterilització: Les purgues amb gasos estèrils són utilitzades per a mantenir l'entorn estèril / 3. Conservació de mostres: El nitrogen líquid és utilitzat per a la conservació de mostres.

Tipus de purga: -Purga per desplaçament: El cas més simple és l'escombratge d'una canalització. / -Purga per dilució: Es realitza a recintes amb punts d'entrada i sortida allunyats entre si. / -Purga per cicles de compressió-expansió: Injectar l'aire a pressió directa.

Regulació de temperatura i reaccions  Els processos industrials en les reaccions són molt importants per regular Tº (N líquid o aire comprimit) i Reaccions (CO2).
Neteja de superfícies: S'utilitzen per a la neteja de superfícies en diversos sectors, com ara la indústria alimentària, farmacèutica, electrònica i automobilística i és una opció eficaç i segura per eliminar contaminants sense deixar cap residu. La neteja amb gasos industrials pot ser costosa i requereix d'una formació adequada.

Ampolla de gasos (Cos de l’ampolla / Ogiva / franja  )

Envasos dels gasos industrials: Aquests gasos els podem trobar disponibles en diferents tipus d’envasos, els més comuns són:
- Ampolla: Fàcil manipulació  / Capacitat = Botelló: Capacitat entre 100 L.

Marques i inscripcions: La identificació dels gasos en les ampolles ha d'estar sobre l'ogiva (Punta).
4.2 Normativa referent als colors (UNE-EN 089-3) defineix els colors de les ampolles de gas = verd: inerts / Blau: oxidants / Vermell: inflamables / groc: tòxics 

Requisits que cal complir del transport d'ampolles de gasos: - Durant el transport han de tenir l’aixeta o vàlvula tancada i la tulipa de protecció fixada. / - Evitar arrossegar-les, fer-les lliscar o rodar-les en posició horitzontal. / - Utilitzar guants i calçat de seguretat. / - Per la càrrega/descàrrega cal utilitzar portaampolles o gàbies adequades.

Utilització d'ampolles de gasos  :  ▪ Les ampolles han d'estar allunyades de la zona de treball. / ▪ Han d'estar identificades. / ▪ Durant l'utilització, les ampolles es mantindran en posició vertical. / ▪ No inclinar les ampolles per esgotar-les. / ▪ Les ampolles en ús no han d'estar tapades. / ▪ La vàlvula s'ha de mantenir sempre tancada mentre no s'utilitza el gas. / ▪ Cal acoplar un sistema d'antiretorn de flama.

SÒLIDS 

El transport de sòlids són els moviments entre ubicacions en totes les fases de fabricació. --> - del punt de subministrament de matèria primera a l'inici del procés. / - entre dos punts del procés. / - des del punt final del procés fins al lloc d’emmagatzematge.  / - des del punt d’emmagatzematge a la línia d’empaquetat o distribució.

Aplicacions del transport de sòlids a la indústria farmacèutica: 1. Transport de matèries primeres / 2. Transport de granulats / 3. Transport de pols / 4. Transport de productes acabats / 5. Transport en zones d'entorn controlat.

És un transport més complex que gasos o líquids, per les seves capacitats de fluir i cal tenir en compte característiques físiques i químiques de les partícules: - fluidesa / - velocitat de flux / - angle de repòs / - densitat aparent / - compressibilitat / - índex de Hausner / - abrasivitat / - humitat / - tamany de partícules.

Classificació del mitjà de transport:  mecànic, hidràulic o pneumàtic.

Factors a tenir en compte: - capacitat del transportador. / - longitud de desplaçament. / - elevació. / - requisits de processament. / - costos.

Característiques a tenir en compte:

FLUIDESA: Depèn de la cohesió, la composició química del material, tamany de la partícula i humitat, 

VELOCITAT: temps necessari perquè flueixi una quantitat de partícules d'un sòlid per un cilindre. velocitat de flux = massa (g)/ temps (s)

Angle de repòs:  Angle  > 30º --> bon flux / Angles mal flux. És directament proporcional a la mida i la rugositat de la partícula i inversament proporcional a l'esfericitat.  Angle petit = mida petita, rugositat baixa i esfericitat alta. Igual al revés. 

Angle de repòs = Mida x Rugositat / Esfericitat (Rodona)

La densitat aparent (da): és la relació entre la massa del sòlid i el volum que ocupa.
La densitat d’empaquetat (daa): és la compactació que adquireix el material sec després d’haver estat sotmès a condicions de vibració. També s’expressa en massa per unitat de volum.

Compressibilitat: Capacitat de les substàncies polsoses per compactar-se. Es calcula amb l’índex de compressibilitat (IC). 

% IC = (daa - da) / daa x 100 

IH: L’índex de Hausner relaciona la fluidesa d’un sòlid amb la densitat aparent i la d’empaquetat.

IH = daa / da 

Abrasivitat: L’abrasivitat d’un material ve determinada per la duresa d’aquest i per la forma de les partícules. És un paràmetre decisiu a l’hora d’escollir el tipus de transportador.

Humitat: Quantitat d’aigua absorbida per un sòlid i és molt important per l’emmagatzematge i el transport de sòlids, ja que afecta la fricció entre les partícules i al seu caràcter higroscòpic.
Tamany de les partícules: Com més gran la mida de la partícula pitjor fluidesa. Tamís.

Equips d’emmagatzematge: L’emmagatzematge dels sòlids pot ser anterior o posterior al seu transport. Durant la descàrrega en sitges podem observar dos tipus de flux: massa i d'embut 

1: MASSA: Les partícules es segueixen i es reuneixen en descàrrega / flux uniforme / Densitat del flux constant / sense zones mortes on degradar-se. 

2: D'EMBUT: Partícules s'adhereixen a la paret i fan forma d'embut, on el primer en entrar és l'últim en sortir. Punts morts de productes en les parts / flux erràtic / densitat pot variar. 

Equips de transport de sòlids

Per escollir el transportador de sòlids adequat cal tenir en compte diverses variables: - la capacitat requerida, / - la longitud del transport, / - l’elevació, / - les característiques del material / - els costos. /  la facilitat de neteja. 

Transports mecànics

A) Cintes o bandes transportadores / B) Transportadors de tornavís sense fi: És un dispositiu que transporta el material per un canaló mitjançant un tornavís sense fi. / C) Elevadors de catúfols: És un mètode ideal pel transport en vertical o molt inclinat de sòlids. Avantatges: 1. Reducció de la manipulació manual dels materials: redueix el risc de contaminació. / 2. Augment de l'eficiència de la producció: redueix el temps de càrrega i descàrrega / 3. Manteniment de la qualitat dels materials: no causen danys ni alteracions. 4. Netedat de les instal·lacions / 5. Flexibilitat en el disseny de les instal·lacions

Transport pneumàtic: És el transport de materials sòlids mitjançant un flux de gas a pressió per una canonada. El transport pneumàtic permet tant el transport horitzontal com el vertical.
Aplicacions del transport pneumàtic de sòlids a la indústria farmacèutica són: 1. Transport de materials a granel  / 2. Transport de materials per la producció de medicaments /  3. Transport de residus / 4. Transport de mostres

A) Perfils de flux: El flux de transport pneumàtic pot classificar-se en funció de la concentració de sòlids i de la velocitat del gas. El transport pneumàtic es classifica en fase diluïda o fase densa.

- El transport en fase diluïda: Les partícules es troben en suspensió en el gas i distribuïdes uniformement. / El flux és homogeni.
o La velocitat del gas és entre 20 i 30 m/s. / Presenta pèrdues de càrrega per unitat de longitud de canonada. / Existeix la possibilitat de la deposició estratificada del material. / Al final del transport, la canonada queda buida i neta. / S’utilitza en distàncies curtes i cabals inferiors a 10 t/h.  /  És l’únic sistema capaç de treballar a pressions negatives (en aspiració).

- El transport en fase densa: Les partícules no estan totalment en suspensió i la interacció entre elles és major. / Poden tenir diferents patrons. Flux continu, flux en taps o flux en dunes. / La concentració de sòlids en el gas és major del 30% (v/v). / Té velocitats de transport reduïdes i permet transportar materials fràgils i abrasius. /  No es produeix separació de partícules de diferent massa, evitant així l’estratificació / Requereix major consum energètic que el transport per fase diluïda.

B) Classificació dels sistemes de pressió
1. Sistemes de pressió positiva: S’utilitza per transportar materials a granel a distància més llarga i amb major capacitat que la que és possible utilitzant sistemes de buit.  El podem dividir en: - Sistemes de baixa pressió: utilitzant ventiladors. / - Sistemes de mitja pressió: utilitzant bufadors. / - Sistemes d’alta pressió: utilitzant compressors.

2. Sistemes de pressió negativa (per buit): Són sistemes tancats i es fa servir per transportar material de diverses fonts a destins individuals o múltiples. L’alimentació es realitza per succió. 

3. Sistemes combinats: S’utilitzen sistemes combinats quan existeixen diferents punts d’alimentació i diferents punts de descàrrega i així aprofiten els avantatges dels dos sistemes.

Transport hidràulic --> POC UTILITZAT 
Consisteix en un bombeig d’aigua mitjançant bombes d’alta pressió, a gran distància i en forma contínua. Els costos de les operacions no són elevats i les condicions climàtiques no afecten les instal·lacions.
Transportar sòlids hidràulicament: - Poder-se barrejar i separar fàcilment. / - No aglomerar-se per no fer un tap a les canonades. / - No reaccionar ni amb el fluid transportant ni amb les canonades. / - El desgast que pateixen les partícules durant el transport no ha de tenir efectes negatius pels processos posteriors. / - La quantitat de fluid transportant, en relació a la quantitat de sòlids ha de ser adequada.

Cavitació
És quan una part del líquid es transforma en bombolles de gas i poden causar greus danys com l'erosió i l’oxidació a l’interior dels conductes o les aspes.
1. Com es pot prevenir la cavitació?
● Cal evitar la baixa pressió pressuritzant els dipòsits de subministrament i si cal, reduir
la temperatura del fluid.
● Utilitzar diàmetres de tubs d'aspiració més grans i reduir les pèrdues menors.
● Utilitzar materials o recobriments resistents a la cavitació.
● Mantenir disponible la pressió del capçal d'aspiració net.

Cop d’airet
Quan es tanca bruscament una vàlvula d'una canonada de certa longitud, les partícules de
fluid que s'han detingut bruscament són empeses per les que venen darrere i que
segueixen encara en moviment. Això origina una sobrepressió que es desplaça per la
canonada a una major velocitat. Aquesta sobrepressió té dos efectes: Es comprimeix el
fluid i es redueix el seu volum, i es dilata la canonada.
1. Com es pot prevenir el cop d’airet?
● Vàlvules reguladores
● Disminució de la velocitat a les tuberies
● Canonades amb un major gruix