Agitacion y Mezclado

AGITACIÓN Y MEZCLADODE FLUIDOS

Elaboró: Coral Contreras Flores


Agitación y MezcladoOperación unitaria que consiste en: Mezclar de dos líquidos miscibles (alcohol etílico y agua) o

inmiscibles (agua y aceite).

Realizar la disolución de sólidos en líquidos (sal en agua).

Causar dispersión de un gas en un líquido en forma de burbujas pequeñas (Disolución de oxígeno del aire en un medio de cultivo y suspensión de microorganismos para una fermentación o para el proceso de activación de lodos en el tratamiento de aguas de desperdicio).

Suspender partículas sólidas finas en un líquido (Hidrogenación catalítica de un líquido, donde las partículas del catalizador sólido y las burbujas de hidrógeno se dispersan en un líquido).

Agitar un fluido para aumentar la transferencia de calor entre dicho fluido y un serpentín o una camisa en las paredes del recipiente.


Diferencia entre Agitación y Mezclado

Agitación se refiere a forzar un fluido por medios mecánicos para que adquiera un movimiento circulatorio en el interior de un recipiente.

Mezclado implica partir de dos fases individuales, tales como un fluido y un sólido pulverizado o dos fluidos, y lograr que ambas fases se distribuyan al azar entre sí.


Equipo para agitaciónComponentes de una tanque agitado: Recipiente cilíndrico que puede

estar cerrado o abierto. Motor eléctrico impulsa al

propulsor, que está montado en un eje.

Placas deflectoras (bafles) que disminuyen el efecto del vórtice

Camisa o chaqueta de calentamiento o enfriamiento

Entradas alternas para control del sistema (sensores, controladores, tomas de muestra)


Tipos de agitadores



Patrón de flujo



Agitadores De HéliceFlujo axial

Opera con velocidades entre 1150 ó 1750 rpm (sistemas pequeños) hasta 400 a 800 rpm (sistemas de grandes dimensiones).

Se emplea para líquidos pocos viscosos alrededor de los 5 cp

Las palas de la hélice cortan o friccionan vigorosamente el líquido. Debido a la persistencia de las corrientes de flujo, los agitadores de hélice son eficaces para tanques de gran tamaño.

Para tanques del orden de 1500 m3 se han utilizado agitadores múltiples, con entradas laterales al tanque.

El diámetro de los agitadores de hélice, raramente es mayor de 45 cm, independientemente del tamaño del tanque, sin embargo en tanques de gran altura, pueden disponerse dos o más hélices sobre el mismo eje, moviendo el líquido generalmente en la misma dirección o en sentido opuesto creando una zona de elevada turbulencia en el espacio comprendido entre ellos.


Agitadores De PaletasFlujo radial

Agitador formado por una paleta plana, 2 o 3 paletas rectas, que gira sobre un eje vertical para fluidos con viscosidades inferiores a 3 cp

Velocidades bajas o moderadas de 20 y 150 rpm en el centro del tanque.

La longitud del rodete de un agitador de paletas es del orden de 50 al 80%. del diámetro interior del tanque.

La anchura de la paleta es de 1/6 a 1/10 de su longitud.

Estos agitadores son útiles cuando se desea evitar el depósito de sólidos sobre una superficie de transmisión de calor, como ocurre en un tanque enchaquetado, pero no son buenos mezcladores.

Generalmente trabajan conjuntamente con un agitador de paletas de otro tipo, que se mueve con velocidad elevada y que gira normalmente en sentido opuesto


Agitadores De TurbinaFlujos radiales y tangenciales

Agitadores de múltiples y cortas paletas (6 u 8) rectas o curvas, inclinadas o verticales con rodete abierto, semicerrado o cerrado.

Velocidades elevadas sobre un eje que va montado centralmente dentro del tanque.

El diámetro del rodete es menor que en el caso de agitadores de paletas, siendo del orden del 30 al 50% del diámetro del tanque.

Los agitadores de turbina son eficaces para un amplio intervalo de viscosidades; en líquidos poco viscosos 100 cp eliminando zonas muertas. Ideal mezcla de líquidos que tienen aproximadamente la misma densidad relativa

El agitador de turbina semiabierto, conocido como agitador de disco con aletas, se emplea para dispersar o disolver un gas en un líquido.


Agitadores de banda helicoidal

Flujo tortuosa hacia abajo en el centro y hacia arriba a los lados, con movimiento de giro.

Este tipo de agitadores se usa para soluciones sumamente viscosas (hasta cerca de 1000 cp y se han utilizado hasta para más de 25000 cp) y opera a pocas rpm en la región laminar, por lo que no son necesarios deflectores

La banda se forma en una trayectoria helicoidal y está unida a un eje central.

Otros tipos semejantes son el de banda helicoidal doble y el de banda helicoidal con tornillo.

Variables de procesoLas variables que pueden ser controladas y que influyen en la Potencia consumida por el agitador son:

Dimensiones principales del tanque y del rodete: Diámetro del tanque (Dt)

Diámetro del impulsor (Dd) Diámetro total del impulsor (Da), Altura del líquido (H), Ancho de la placa deflectora (J), Distancia del fondo del tanque hasta el rodete (C), Dimensiones de las paletas (L y W).

Viscosidad () y densidad () del fluido.

Velocidad de giro del agitador (N).




PotenciaEl cálculo de la potencia consumida se hace a través de números adimensionales, relacionando por medio de gráficos el número de Reynolds y el Número de Potencia. Estas gráficas dependerán de las características geométricas del agitador y de si están presentes o no, las placas deflectoras.

En donde: NRE Numero de Reynolds P potencia (W) Da Diámetro del impulsor (m) N Velocidad angular (rps) ρ Densidad del fluido (Kg/m3) μ Viscosidad (Pa.s)

ND

N a

2

Re

53

a

p DNP

N



EJERCICIO

En un tanque agitado se instala una turbina de 6 paletas planas con un diámetro total de 0.61 m, un ancho de paleta de 0.122 m y opera a 90 rpm. El diámetro del tanque mide 1.83 m y tiene 4 deflectores cada una con 0.15 m de ancho. El liquido tienen una viscosidad de 10 cp y densidad de 926 kg/m3

a) Calcula la potencia requerida en HP para el mezclador.b) Si en fluido tuviera una viscosidad de 100 000 cp, calcula la potencia

requerida


Efectos de la geometría en el NPEn la región de turbulencia de los distintos agitadores de turbina.

1.Para la turbina abierta de 6 paletas NPW/Da 2.Para turbina abierta de 6 paletas, si Da /Dt de 0.25 a 0.5

prácticamente no hay efectos sobre NP .3.Para 2 turbinas de 6 paletas instaladas en el mismo eje

separadas por una distancia Da, la potencia total es 1.9 veces la de un impulsor de una paleta plana

4.Para 2 turbinas de 6 paletas inclinadas 45°, la potencia total es 1.9 veces la de un impulsor de una paleta inclinada.

5. Un tanque cuadrado vertical con deflectores y un tanque cilíndrico horizontal tiene el mismo NP que un tanque cilíndrico vertical

6.Si el tanque no tiene deflectores, el NP debe multiplicarse por el NFR

gDN

N a

FR

2


Para bajos números de Reynolds (Re <10) el flujo es laminar, la densidad deja de ser un factor importante y la potencia puede encontrarse como:

En tanques con placas deflectoras y para números de Reynolds > 10 000, la función de potencia es independiente del número de Reynolds y la viscosidad deja de ser un factor.

Las variaciones del Número de Froude tampoco influyen. En este intervalo el flujo es completamente turbulento y la potencia puede ser calculada como:

22aLP DNKN

53aTP DNKN



Agitador simple de tipo ancla

Con NRe < 100 Da/Dt=0.9, W/Dt=0.1 y C/Dt=0.05

955.0Re )(215 NN p

Agitador de banda helicoidal

Con NRe <20

(paso de agitador/Diámetro del tanque=1.0

(paso de agitador/Diámetro del tanque=0.51

Re

1Re

)(290

)(186

NN

NN

P

P


Tiempo de mezclado (t T)Los tiempos de mezcla son apreciablemente mayores cuando 10NRE1000, si bien el consumo de potencia no es muy diferente que el correspondiente al intervalo turbulento estableciéndose un promedio de 5 min.


La presencia del número de Froude implica que hay algo de efecto de vórtice, que puede existir para bajos números de Reynolds, pero es dudoso si este término debe de incluirse o no para un tanque con placas deflectoras a elevados números de Reynolds.

El tiempo de mezcla para líquidos muy viscosos utilizando un agitador de banda helicoidal y NRE < 20.

nft = 126 (Da/Dt = 1.0)nft = 90 (Da/Dt = 0.5)

La mezcladora de banda helicoidal dan un tiempo de mezcla mucho menor que una turbina para la misma potencia/volumen unitario, pero para líquidos no viscosos, da tiempos mayores.

Los tiempos de mezcla con hélices son altos en comparación con las turbinas, pero el consumo de potencia es más de un orden de magnitud inferior para la misma velocidad del agitador.

2

32

1

2

16

1

3

22

a

aaTtfT

DH

DgNDtfn


Número de flujo (NQ) y velocidad de circulación (Q)

Un agitador funciona como un impulsor de bomba centrífuga sin carcasa y genera un flujo con cierta carga de presión.

Esta velocidad de circulación Q en m3/s a partir del borde del impulsor es la cantidad de flujo perpendicular al área de descarga del impulsor.

Las velocidades de flujo se han medido en las mezcladoras y se han usado para calcular la rapidez de circulación.

Los datos para los tanque con deflectores se han correlacionado usando el número de flujo adimensional NQ

NQ=0.5 agitador de hélice (W=Da)NQ=0.75 turbina de 6 paletas (W/Da=1/5)NQ=0.5 turbina de 6 paletas (W/Da=1/3)NQ=0.75 turbina con aspas inclinadas (W/Da=1/5)

3

a

Q NDQ

N


EJERCICIO

Determina el tiempo de mezclado y la velocidad de circulación del ejercicio anterior.

MEZCLADORES PARA PASTAS

Son mezcladores de sólidos con cierto grado de humedad,los cuales pueden ser pastosos, elásticos o plásticos.

Ejemplos de los mismos son las batidoras.

Estos aparatos, versátiles, son necesarios cuando las propiedades del material varían notablemente durante la operación de mezclado.

Sin embargo, estos dispositivos son en general menos eficaces con polvos secos que con otros materiales, más robustos, y consumen mayor energía de la que sería precisa para sólidos de pequeño tamaño que fluyen libremente.



MEZCLADORES PARA POLVOS SECOS


Mezcladores de cintas.

Consiste en un recipiente horizontal provista de un eje central y un agitador de cintas helicoidales.

Incorpora sobre un mismo eje dos cintas que actúan en sentidos contrarios, una de ellas desplazando lentamente el sólido en una dirección, mientras que la otra se mueve rápidamente en sentido contrario.


La mezcladora pueden ser continuas o en lote, abierta o ligeramente tapada en el caso de mezclado suave; y cerrada con paredes gruesas, en el caso de operación a presión o a vacío.

Los mezcladores de cintas resultan eficaces para pastas poco espesas que no fluyen fácilmente, o bien para polvos.

Algunas unidades discontinuas son muy grandes, pudiendo cargar hasta 30000 litros de material.

Su requerimiento energético es moderado.


Mezcladores de tornillo interno

Los granos que fluyen libremente y otros sólidos ligeros se suelen mezclar en un tanque vertical provisto de un transportador helicoidal que eleva y conduce el material.

Existen numerosos diseños comerciales.

La hélice de doble movimiento se desplaza formando una órbita alrededor del eje central de un recipiente cónico, que recorre todas las partes del mezclador.

La mezcla es generalmente más lenta que en los mezcladores de cintas pero el consumo de energía es algo menor


Mezcladores de volteoRealiza el mezclado volteando los sólidos en un contenedor parcialmente lleno que gira alrededor de un eje horizontal.

Los tambores de volteo se parecen a los molinos de bolas desprovistos de las mismas.

Mezclan eficazmente suspensiones de sólidos densos en líquidos y polvos secos pesados. Opera sólo con sólidos secos ligeros.

El mezclador de doble cono se usa comúnmente para polvos que fluyen libremente.

La carga se introduce por la parte superior, hasta llenarlo en un 50-60 % y los sólidos se voltean durante 5 a 20 minutos.


Mezclador de tambores gemelos ó de pantalón

Está formado por dos cilindros unidos en V y gira alrededor de un eje horizontal.

Como en el mezclador de doble cono, puede contener pulverizadores internos para introducir pequeñas cantidades de liquido en el mezclador o, también, dispositivos accionados mecánicamente para desmenuzar los aglomerados de sólidos.

Los mezcladores de tambores gemelos son más eficaces en algunas operaciones de mezcla que los mezcladores de doble cono.

Los mezcladores de volteo se construyen en una gran variedad de tamaños y materiales.

Generalmente consumen algo menos potencia que los de cintas.

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