LABORATORIO DE AGITACION

LABORATORIO DE AGITACION1. OJETIVOS: Observar el efecto de la variacin del Np (numero de potencia), para diferentes tamaos del mismo tipo impulsor a diferentes posiciones del eje de giro y con o sin empleo de placas deflectoras.

Comparar la Potencia terica consumida con la potencia experimental consumida para diferentes caractersticas geomtricas.

Observar el efecto de la potencia consumida experimental variando la posicin del impulsor con respecto a la base del recipiente.

2. RESUMENSe usaron agitadores de hlice de tres paletas de tres tamaos de diferentes (radios de 10.5, 8.4 y 6.5 cm. respectivamente), adems se usaron tres impulsores de diferente forma, de paletas de 6 palas inclinadas, de palas rectas y una hlice de tres paletas con los que se midi, para todos los impulsores se midieron los datos de torque, voltaje, amperaje variando la velocidad de giro del impulsor esto se realizo para tres velocidades de giro 200, 400 y 600 RPM, a dos posiciones distintas del impulsor en el eje de giro, el lquido empleado fue agua potable.3. FUNDAMENTO TEORICOLa agitacin o mezclado es una de las operaciones ms antiguas y comunes de la ingeniera qumica, si bien la comprensin de la materia es limitada. Se refiere al movimiento inducido de un material en una forma especfica, generalmente con un modelo circulatorio dentro de algn tipo de contenedor. Aunque la efectividad y consumo de energa de la agitacin depende de los principios bsicos de la mecnica de fluidos, los patrones de flujo en el recipiente agitado tpico son tan complejos, que la aplicacin rigurosa de los principios bsicos resulta imposible.

2.1 FINES DE LA AGITACION1. Poner en suspensin partculas slidas.

2. Agitar lquidos miscibles, como por ejemplo, metanol y agua.

3. Disponer un gas en el seno de un lquido en forma de pequeas burbujas.

4. Dispersar un lquido en otro no miscible con l, para formar una emulsin o suspensin de

gotas pequeas.

5. Favorecer la transmisin de calor entre un lquido y un serpentn o una camisa.

2.2 EQUIPO DE AGITACIONLos lquidos se agitan con ms frecuencia en tanques o recipientes generalmente de forma cilndrica, y provistos de un eje vertical. El fondo del tanque es redondeado y no plano, con el fin de eliminar los rincones escarpados o regiones en las que no penetraran las corrientes de fluido. La altura del lquido es aproximadamente igual al dimetro del tanque. El rodete va instalado sobre un eje suspendido, es decir, un eje soportado en la parte superior. El eje est accionado por un motor, a veces directamente conectado al eje, pero ms frecuentemente acoplado al eje a travs de una caja reductora de velocidad. Generalmente lleva incorporados tambin accesorios tales como tubuladoras de entrada y salida, serpentines encamisados y vainas para termmetros u otros instrumentos de medida de la temperatura.

2.2.1 RODETES

Los agitadores de rodete se dividen en dos clases: los que generan corrientes paralelas al eje del rodete, y aquellos que generan corrientes en direcciones tangencial o radial. Los primeros reciben el nombre de rodetes de flujo axial y los segundos rodetes de flujo radial.

Los tres principales tipos de rodetes son hlices, palas y turbinas. Cada uno de ellos comprende muchas variantes y subtipos. Otros rodetes especiales resultan tambin tiles en situaciones especiales, pero los tres tipos principales mencionados resuelven tal vez el 95 por 100 de todos los problemas de agitacin de lquidos.

2.3 EFICACIA DE LA AGITACION Y CALCULO DEL TAMAO DE LOS APARATOSLa eficacia de la agitacin se mide por los resultados obtenidos en la operacin a que se ha aplicado. En la prctica industrial se admite, de ordinario, que la efectividad de aparatos semejantes ser mas o menos la misma si se suministra a los distintos agitadores la misma potencia por unidad de volumen de fluido.

Segn esto, el proyecto de los aparatos industriales requiere un previo experimento de agitacin efectuado en el laboratorio, utilizando un aparato que sea geomtricamente semejante al de tamao industrial. Una vez comprobado que el agitador modelo efecta bien el trabajo pretendido, se puede proyectar el aparato grande procurando que sea geomtricamente semejante a aquel y que suministre al lquido la misma potencia por unidad de volumen que en el ensayo de laboratorio.

Las ideas expuestas en el prrafo anterior no pueden conducir, en el mejor de los casos, mas que a resultados aproximados, pues en ellas no figuran ni la intensidad ni el grado de turbulencia, y tampoco se tienen en cuenta los esfuerzos cortantes desarrollados en el lquido, factores todos ellos que son los que en realidad rigen la agitacin.

Pocas veces se puede determinar de antemano la potencia necesaria para conseguir el grado de agitacin preferido. La siguiente ecuacin emprica puede utilizarse contando con que sus resultados son de muy poca exactitud:

( CV ) / m3 = C ( p.e ) ( 10 + )

En la que se expresa en centipoises.

C vara desde 3,3 x 10-2, para agitacin con elevado nivel, hasta 3,3 x 10-3 para agitacin con poca intensidad.

(P.e.) Es el peso especfico respecto al agua.

Los resultados experimentales para el anlisis adimensional sern comparados con las curvas de los anexos. 4. APLICACIONES INDUSTRIALES

La agitacin se utiliza en diversas aplicaciones, incluyendo:

1. Dispersin de un soluto miscible en un disolvente.

2. Mezclado de dos lquidos miscibles.

3. Produccin de una suspensin de un slido finamente dividido en un lquido.

4. Mezclado de reactivos en un reactor qumico.

5. Agitacin de un lquido homogneo para mejorar la transferencia de calor al lquido.

Adems :

- En las celdas de flotacin en las operaciones de concentraciones de mineral.

- En la oxidacin de aromticos orgnicos, tal como ciclohexano a ciclohexanona.

- Hidrogenacin de glicrido insaturados.

- Fermentacin bajo condiciones aerbicas para productos como antibiticos, esteroides y protenas de cadena simple. La fermentacin requiere de un adecuado suministro de oxgeno en la fase lquida para el propio desarrollo celular.

5. MONOGRAFIA

CAMBIO DE ESCALA

Se han publicado varios estudios acerca de las condiciones que se requieren para la suspensin de partculas, pero los datos son principalmente para pequeos tanques y todava es incierto el mejor mtodo para el cambio de escala. En la Fig. se muestran los resultados de algunos estudios; las lneas de trazo continuo son para los tamaos de tanques realmente utilizados, mientras que las lneas de trazos se sugieren para el cambio de escala. El mtodo de cambio de escala recomendado por Connolly y Winter consiste en mantener la semejanza geomtrica y aplicar el mismo par por unidad de volumen de suspensin, lo que es equivalente a mantener constante la velocidad de los extremos de las palas. El par T es igual a P / 2..n y para altos nmeros de Reynolds, P vara con n3 Da5, de forma que ( n Da ) es constante con este criterio. El consumo de potencia por unidad de volumen P/V es, por tanto, inversamente proporcional a Da o a Dt.

Zwietering midi la velocidad crtica para suspensin completa y encontr que se requera menos potencia por unidad de volumen para tanques grandes, si bien tal como indica la Fig. , la disminucin no era tan grande como la indicada por Connolly y Wintre. La correlacin de Zwietering parece ser la ms fiable para el cambio de escala o para predecir las condiciones de suspensin en ausencia de datos de laboratorio.La velocidad crtica del agitador viene dada por la ecuacin adimensional:

nc Da0,85 = S 0,1 Dp0,2 ( g./ )0,45 B0,13 ........... ( 1 )

donde :

nc = Velocidad crtica del agitador.

Da = Dimetro del agitador.

= Viscosidad cinemtica.

Dp = Tamao medio de las partculas.

g = Aceleracin de la gravedad.

= Diferencia de densidad.

= Densidad del fluido.

B = 100 x peso de slido / peso de lquido.

S = constante.

En la Tabla siguiente se muestran los valores de S :

TABLA : Constante S para la velocidad crtica del agitador.

TIPO DE RODETEDt / DaDt / ES

Turbina de seis palas

Da / W = 5

Np = 6,22

3

44

4

44,1

7,5

11,5

Agitador de dos palas

Da / W = 4

Np = 2,52

3

44

4

44,8

8

12,5

Hlice de tres palas

Np = 0,53

4

44

4

2,56,5

8,5

9,5

La ecuacin anterior muestra que la velocidad del agitador puede disminuir en el cambio de escala casi en la misma proporcin en la que aumenta Da si se mantiene la semejanza geomtrica. Para un sistema dado, n Da0,85 es una constante C1 y la velocidad del extremo de las palas viene dada por :

n Da = ( C1 / Da0,85 ) Da = C1 Da0,15Por consiguiente tanto la velocidad de los extremos de las palas como las velocidades en los distintos puntos del tanque, aumentan con Da0,15.

La potencia por unidad de volumen que se requiere para conseguir suspensin completa disminuye considerablemente con el cambio de escala. Si se utiliza la Ec. ( 1 ) :

P / V = C n3 Da5 / Dt3 = C2 S3 ( C1 / Da 0,85 )3 Da2 ( Da / Dt )3= C3 S3 Da-0,55 ( Da / Dt )3De acuerdo con la Ec. ( 1 ), la velocidad del agitador para suspensin completa vara solamente con la potencia 0,2 del tamao de las partculas y con la potencia 0,45 de la diferencia de densidad, que es inferior al efecto de estas variables sobre la velocidad lmite. Tambin aumenta con la potencia 0,1 de la viscosidad, lo cual es sorprendente, ya que la velocidad lmite lo hace de forma inversamente proporcional. Un aumento de la viscosidad conduce a un mayor espesor de la capa lmite en el fondo del tanque, y esto aparentemente hace ms difcil que los remolinos turbulentos barran las partculas fuera del fondo, si bien caen ms lentamente una vez en suspensin.

Tal como muestra la Tabla anterior, la velocidad del agitador para suspensin completa es casi la misma para hlices, agitadores de palas y turbinas, si bien el consumo de potencia vara en un orden de magnitud. La turbina estndar de palas planas requiere la mayor potencia para suspensin, y el rodete la menor. Sin embargo, una turbina de palas planas probablemente tendr la misma velocidad crtica aproximada del agitador que otros rodetes, y consume solamente un cuarto de potencia que la potencia estndar. Con un agitador de palas o una turbina se requiere menos potencia para la suspensin de slidos si la relacin Da / Dt aumenta, pero con hlices de diferentes tamaos la potencia es aproximadamente la misma. Todos los rodetes son ms eficaces para mantener suspensin completa cuando se colocan ms cerca del fondo del tanque y, con frecuencia, se utiliza una separacin de aproximadamente Dt / 4.

CAMBIO DE ESCALA EN EL DISEO DE UN AGITADOR

El principal problema en el diseo de un agitador es el cambio de escala desde un agitador de laboratorio o planta piloto hasta la unidad a toda escala. Hay muchos problemas en los que no se dispone de correlaciones adecuadas, para estas situaciones se han propuesto diferentes mtodos de cambio de escala todos ellos basados en la semejanza geomtrica entre el equipo de laboratorio y de la planta. Adems, aun cuando se obtenga semejanza geomtrica, no ocurre lo mismo con la semejanza cinemtica, de forma que los resultados de cambio de escala no siempre son totalmente predecibles. Como ocurre en la mayora de los problemas de ingeniera, el diseador ha de valerse de su buen criterio y experiencia.

El consumo de potencia en grandes tanques puede predecirse exactamente a partir de las curvas de Np vs Nre, tales como las que se presentan en las Fig. 2 y 3. Con lquidos de baja densidad, la potencia consumida por el agitador por unidad de volumen de lquido se ha utilizado como una medida de la eficacia de mezcla, basndose en la idea de que una mayor potencia conduce a un ms alto grado de turbulencia y, consecuentemente a una mejor mezcla. Los estudios experimentales han puesto de manifiesto que esto, por lo menos de forma aproximada, se cumple. Para un determinado mezclador la potencia consumida puede relacionarse directamente con la velocidad de disolucin del gas o de ciertas reacciones, tales como oxidaciones, que dependen del ntimo contacto de ambas fases. De una forma cualitativa aproximada, puede decirse que de a 1 CV por cada 1000 galones de lquido poco viscoso producen una agitacin moderada, de 2 a 3 CV por 1000 galones generan una situacin vigorosa, y de 4 a 10 CV por 1000 dan una agitacin intensa. Estos nmeros se refieren a la potencia realmente comunicada al lquido y no incluyen la potencia utilizada en mover las cajas reductoras o en hacer girar el eje del agitador en los cojinetes y prensaestopas.

La relacin ptima entre el dimetro del rodete y el dimetro del tanque para una entrada de potencia dada, es un importante factor de cambio de escala. Esta relacin est fuertemente influenciada por la naturaleza del problema de agitacin : para algunos fines el rodete deber ser pequeo en comparacin con el tamao del tanque, mientras que para otros ha de ser grande. Por ejemplo, para dispersar un gas en un lquido la relacin ptima es 0,25; para poner dos lquidos inmiscibles en contacto, como en el caso de tanques de extraccin lquida - lquido, la razn ptima es 0,40. Para algunas operaciones de mezcla la razn deber ser 0,6 o aun superior. En una determinada operacin, puesto que la entrada de potencia se mantiene constante, cuanto menor es el rodete mayor ser su velocidad, en vez de elevadas velocidades de circulacin, se realizan mejor utilizando pequeos rodetes de alta velocidad, como ocurre en el caso de dispersin de gases. Para las operaciones que dependen de altas velocidades de circulacin ms que de bruscos gradientes de velocidad, se utilizar un rodete grande que gira lentamente.

Los tiempos de mezclado son generalmente mucho ms cortos en tanques pequeos que en grandes, y por esta razn no resulta adecuado operar con los mismos tiempos de mezcla en tanques de diferentes tamaos.

7. OBSERVACIONES

Sobre la experiencia: Se observo que el hlice de tres palas mas grande forma mayor turbulencia en la agitacin al aumentar la velocidad y genero un vortice de tamao considerable, esto para na agitacin sin emplear placas deflectoras.

Al colocar las placas deflectoras solo se observo que conforme se aumenta la velocidad el lquido aumenta su turbulencia pero en grado menor que sin placas deflectoras, no forma vortices.

Se observa tambin que para altas velocidades de agitacin la intensidad de corriente que entra al sistema elctrico del agitador aumenta, dependiendo de la geometra del impulsor los de tipo hlice son los que generan menor entrada de corriente, aumentado con el de palas inclinadas y palas rectas respectivamente.

En todas las corridas se centro el eje con el impulsor para que gire centrado y adems se centro el eje con el centro del tanque que contiene el agua potable.

Sobre los clculos y graficas:Potencia experimental Vs. Velocidad de Giro (n):

A valores mayores de 200 RPM se observa que a medida que aumenta el tamao de un mismo tipo de impulsor, hay mayor potencia consumida, tanto para equipos de agitacin con o sin placas deflectoras. Para el rodete de 6.5 cm. (el ms pequeo), se observa que no existe apreciable variacin en la potencia consumida al aumentar las velocidades.

Las curvas descritas para los rodetes de 10.5 y 8.4 usando placas deflectoras, presentan un comportamiento no lineal, mientras que al emplear las placas deflectoras el comportamiento es lineal.

Se observa que al colocar las placas deflectoras dentro del recipiente de agitacin los rodetes de 10.5 y 8.4 cm., sufren gran demanda de potencia para cada velocidad a excepcin de 200 RPM.

Potencia Experimental Vs. Altura del impulsor respecto del nivel del lquido:Sin placas deflectoras:

Se observa que al aumentar la altura para un mismo impulsor se consume mayor potencia.

Para el rodete de 6.5 al aumentar la altura no se observa aumento en la potencia consumida.

Con placas deflectoras:

Se observa que al aumentar la altura del impulsor, la potencia consumida disminuye.

Para el rodete de 6.5 cm. Al aumentar las alturas la potencia consumida es prcticamente constante.

Anlisis de Variables Adimensionales: Observamos que la curvas de Np vs. NRe tienen tendencia con las curvas de mostradas en el fundamento terico, sin embargo para alturas mas lejanas del nivel del liquido, esto es alturas mas pequeas al fondo del tanque las curvas poseen mas desviacin respecto a las curvas tericas mencionadas.

8. CONCLUSIONES.

Cuando se usan placas deflectoras, se requiere una mayor potencia porque hay que vencer las fuerzas del fluido asociados con la gravedad, y las fuerzas radiales chocan con las paredes de, las placas deflectoras lo que hace que disminuya dicha fuerza y se requiera de una mayor potencia.

las correlaciones de Np vs. NRe experimentales poseen buena relacin con las curvas tericas sin embargo la teora nos muestra como varia Np vs. NRe para diferentes tipos de forma pero usando una misma posicin del impulsor en el eje (altura respecto al fondo), pero no muestra como varan estas variables adimensionales para cambios en la posicin. La potencia terica determinada para distintas condiciones ( con o sin uso de placas deflectoras) esta prximo al valor de la potencia experimental determinada a partir de la lectura del torque y la velocidad de giro, sin embargo se debe realizar un modelamiento en base a las curvas adimensionales determinadas experimentalmente para mejorar la correlacin de Np cuando no se emplean placas deflectoras, es decir calcular los valores de a, b para la correlacin de m, que es el exponente de el NFr y que permite corregir el valor de Np y as determinar un valor terico de la potencia consumida mas preciso.9. RECOMENDACIONES. Para eliminar los remolinos en los agitadores de turbina, pueden emplearse rodetes cerrados y anillos difusores.

Para reducir los remolinos existen otros mtodos aparte de la colocacin de placas deflectoras, se puede disponer del rodete separado del centro del tanque, y luego inclinarlo segn un plano perpendicular a la direccin del movimiento. Para mejorar el estudio de las variables involucradas en el proceso de agitacin, se debe realizar corridas para velocidades que generen reynolds desde el flujo laminar hasta es flujo turbulento, adems de variar la posicin del impulsor respecto al fondo del tanque de agitacin.BIBLIOGRAFIA

1.- PRINCIPIOS DE OPERACIONES EN INGENIERIA QUIMICA.

A. Foust

Editorial

Pag. : 569 571

2.- OPERACIONES BASICAS DE LA INGENIERIAQUIMICA

Warren L. McCabe

Julian C. Smith

Editorial Reverte S.A. Ao 1981

Barcelona espa_4

Pag.: 254 283

Anexos:

Curva tpica de Np vs. NRe para diferentes formas del impulsor:

Esquema del agitador:

Impulsores de Rodete: