Flujo a dos fases

FLUJO DE FLUIDOS A DOS FASES
Definición de Flujo a Dos Fases
Es el movimiento paralelo o concurrente de dos sustancias o mezclas homogéneas en diferente estado de agregación (gas, líquido o sólido), en algún sistema o equipo de proceso. En general, a este fenómeno se le conoce como flujo multifásico.
Los fenómenos de flujo multifásico más estudiados debido a su importancia en la IngenieríaQuímica son:
I. Flujo en tuberías
II. Cavitación de bombas
III. Fluidización
IV. Ebullición
Los sistemas de flujo a dos fases factibles de presentarse en equipos de procesos son:
I. Gas-Líquido
II. Gas-Sólido
III. Líquido-Sólido
IV. Líquido-Líquido (para líquidos inmiscibles)
En tuberías, un fluido en una sola fase (líquida o gaseosa) al fluir por el interior del tubopresenta tres regímenes de flujo: laminar, transicional y turbulento, en los cuales, las pérdidas de presión debidas a la fricción dependen del régimen de flujo.
Cuando dos fluidos en diferente fase fluyen de forma paralela en una tubería, presentan una cierta estructura de flujo, conocida como patrón de flujo, de acuerdo con la velocidad de cada fase.
Las pérdidas de presión por friccióndependen del patrón de flujo de ambas fases, por lo que es importante conocer dicho patrón de flujo bifásico.
Tanto el patrón de flujo como las pérdidas de presión por fricción cambian según la posición de la tubería: horizontal, vertical ascendente, vertical descendente o inclinada.
Flujo a Dos Fases Gas-Líquido
Este sistema de flujo bifásico se presenta en equipos donde hay ebullición de algúnlíquido (como el agua en calderas o los fondos de una torre de destilación en un rehervidor, y en ductos para transporte de vapores con aparición de condensados) o para transporte simultáneo de un líquido y un gas en equilibrio (petróleo y gas natural asociado), entre otro más.
En tuberías se presenta también en sistemas de refrigeración y en líneas de alimentación a torres de destilación ytanques de separación.
Patrones de Flujo Gas-Líquido en Tuberías Horizontales

Determinación del Patrón de Flujo Gas-Líquido Horizontal
Se efectúa mediante gráficos llamados mapas de patrones de flujo. E primer mapa fue elaborado por Baker en 1954, y requiere conocer las propiedades fisicoquímicas y de transporte de ambas fases, con las que se calculan las coordenadas del mapa:
Abscisa deBaker:

Ordenada de Baker:

Donde:
WL: flujo másico de líquido, kg/h
WG: flujo másico de gas, kg/h
ρL: densidad del líquido, kg/m3
ρG: densidad del gas, kg/m3
μL: viscosidad del líquido, cp
σL: tensión superficial del líquido, kgf/m
A: área de la sección de flujo, m2
Existen otros mapas de patrones de flujo, entre los cuales destaca por su precisión el desarrollo por Chhabra y porRichardson en 1984, cuyas coordenadas son las velocidades superficiales de gas (abscisas) y del líquido (ordenada). La velocidad superficial de un fluido es aquella que tendría si fluyera de forma solitaria por la tubería.

Donde:

Cálculo de las Pérdidas de Presión por Fricción para Gas-Líquido Horizontal
El método más simple pero preciso fue desarrollado por Lockhart y por Martinelli en 1949, elcual se basa en que la caída de presión en flujo a dos fases es mayor que la caída de presión para una sola fase es mayor que la caída de presión para una sola fase, y por ende, la de dos fases es múltiplo de la de una fase:

Donde φ es un factor que depende de un parámetro X, llamado de Lockhart-Martinelli, definido por:

Lockhart y Martinelli estudiaron en forma experimental el flujo de gasy de líquido para regímenes viscosos laminar (Re<1000) y turbulento (Re>2000) de cada fase:
I. Líquido y gas turbulentos (tt)
II. Líquido turbulento y gas viscoso (tv)
III. Líquido viscoso y gas turbulento (vt)
IV. Líquido y gas viscoso (vv)
Nótese la definición de los regímenes para cada fase en términos del Reynolds, la cual difiere del criterio de transición a Re=...