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• Lelis Clemente Figueroa

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MODULO 2

AGITACIÓN

Características de um tanque de agitado com deflectores

H

Altura del liquido en el tanque

Dt

Diámetro del tanque

Da

Diámetro del impulsor (aspa)

W

Altura de la paleta del impulsor

L

Ancho de la paleta del impulsor

E

Distancia del impulsor

J

Ancho de deflectores

(Rushton et al.)

Radial

Axial

Tangencial

Agitador de Hélice Descripción Generalmente utilizan 3 alabes o paletas Campo de flujo generado Axial

• • •

Régimen alcanzado

Turbulento

Viscosidad del medio

< 8 Pa·s

Velocidades de Giro de 400 a 1750 rpm Mayor costo Parámetros : Diámetro, paso, rotación Aplicaciones: • • •

Son propios para líquidos de baja viscosidad Operación con emulsiones que presentan baja viscosidad Solubilización para reacciones químicas.

No es adecuado para suspensiones que sedimentan rápidamente, ni en tanques destinados a absorción de gases.

Turbinas • Recomendables para líquidos que presenten viscosidades de hasta 50 Pa · s. • Su diámetro cubre entre un 30 y un 50 % del diámetro del tanque

Turbina de palas rectas, produce un flujo radial que se desplaza hacia las paredes del tanque. Tales agitadores son llamados a veces paletas.

•

20 - 150 rpm. Fuente: Barbosa, 2004

Turbina de disco (Rushton) con palas múltiples rectas instaladas en un disco horizontal, como el agitador de pala recta, crea zonas de alta velocidad de corte. Esta turbina es especialmente útil para la dispersión de un gas en un líquido.

Fuente: Barbosa, 2004

Caracterizados por un ángulo de inclinación con la vertical, en los cuales las palas pueden ser rectas o curvas

Turbina de disco de pala cóncava (Chemineer, Inc.) Utilizada con frecuencia para la dispersión de gas.

Turbina de Alta eficiencia (hydrofoil) Posee 3 aspas inclinadas plegadas por dentro usadas de forma aerodinámica. Proporcionan un flujo axial más uniforme, reduce la potencia requerida para determinado flujo

Turbina de pala inclinada (Pitched Blade), se emplea cuando la circulación global es importante. Se utiliza especialmente para homogeneizar y mejorar la transferencia de calor con las paredes o serpentines.

Diseño de Turbinas • Proporciones estándar

Por lo general, el número de deflectores es 4; el número de palas del agitador varía entre 4 y 16, pero generalmente son 6 u 8.

•

Los fluidos de baja viscosidad por lo general se pueden mezclar de manera efectiva en tanques con deflectores con impulsores relativamente pequeños de alta velocidad que generan flujos turbulentos.

•

Los de alta viscosidad (generalmente por encima de los 10 Pa.s) y los materiales no newtonianos requieren agitadores más grandes y de movimiento lento que funcionan en regimenes de flujo laminar

Agitadores para líquidos altamente viscosos Agitador de cinta de doble trayectoria helicoidal (Helical Ribbon) El diámetro de la hélice es muy cercano al diámetro interior del tanque, lo que garantiza el movimiento del líquido en todas las direcciones a la pared del tanque aun con materiales muy viscosos

Agitador de ancla (Anchor) Proporciona una agitación adecuada cerca del fondo del tanque

• Empleo de impulsores según el rango de viscosidad

Número de flujo Un agitador funciona como un impulsor de bomba centrífuga sin carcasa, y genera un flujo con cierta carga de presión. Perfil líquido La tasade de velocidad circulación del a partir del que bordefluye del radialmente la de pala deperpendicular una turbina impulsor es la desde cantidad flujo alestándar. área de descarga del impulsor. Velocidad volumétrica de flujo a través del impulsor (q)

Las velocidades de flujo se han medido y se han usado para calcular la rapidez de circulación. Los datos para tanques con deflectores se han correlacionado usando el número de flujo adimensional NQ

Número de flujo • Para turbinas de palas planas el flujo total, estimado a partir del tiempo medio de circulación de las partículas es: para las relaciones

Dt/Da entre 2 y 4. Para una relación típica

Para impulsores de flujo axial, tales como las turbinas de palas inclinadas, hélices marinas o turbinas de palas afiladas, q es la velocidad de descarga en dirección vertical medida inmediatamente debajo del impulsor. El número de flujo NQ se considera constante.

Número de flujo NQ q : Velocidad volumétrica de flujo a través del impulsor

• Para el

diseño de tanques agitados con deflectores se recomiendan los siguientes valores:

Vectores de velocidad en la punta de la pala de un impulsor de turbina

Fuente: McCabe

La relación V′2/ u2 se representa por a

•

u2 es la velocidad en los extremos de las aspas

•

V′u2 es la velocidad tangencial real del líquido que abandona los extremos de las aspas.

•

V′r2 es la velocidad radial real

•

V′2 es la velocidad total del líquido en ese mismo punto

Factores de forma S1, S2, S3,..., Sn.

•

Es posible convertir todas las distintas medidas lineales en relaciones adimensionales, llamadas factores de forma, dividiendo cada uno de los términos por uno de ellos que se toma arbitrariamente como base.

•

Los factores de forma se calculan dividiendo cada una de las mediciones entre el valor del diámetro del impulsor Da y el del tanque Dt.

•

Semejanza geométrica: Dos agitadores que tienen las mismas proporciones geométricas, pero diferentes tamaños, tendrán idénticos factores de forma, pero diferirán en la magnitud de Da.

Análisis Dimensional Para líquidos newtonianos:

Número de potencia Np

Número de Reynolds Re

Número de Froude Fr

Número de potencia (Np) Para estimar la potencia que se requiere para hacer girar un impulsor dado con una velocidad determinada, es preciso disponer de correlaciones empíricas de la potencia (o del número de potencia) en función de otras variables del sistema. El número de potencia Np es análogo al factor de fricción o al coeficiente de arrastre. La forma de tales correlaciones se encuentra por análisis dimensional, en función de las medidas importantes del tanque y del impulsor, así como las dimensiones de las placas deflectoras, cuando se utilizan. El número y disposición de las placas deflectoras y el número de palas del impulsor deben ser fijados. Las variables que intervienen en el análisis dimensional son las medidas importantes del tanque y del impulsor, la viscosidad μ

Consumo de potencia • En Flujo turbulento, la potencia necesaria se estima a partir del producto del flujo generado por el impulsor (q) y la energía cinética Ek por unidad de volumen de fluido.

Número de potencia (Np) •

El número de Potencia es proporcional a la relación entre la fuerza de rozamiento que actúa sobre una unidad de área del impulsor y la fuerza de inercia. Cuando el tanque contiene placas deflectoras, el Np tiene una buena correlación con el número de Reynolds. Cuando existe régimen turbulento, Np tiene valor constante. Su ecuación es:

P = potencia de agitación del impulsor (watts) N = velocidad de rotación [rps] d = diámetro del agitador [m] ρ = densidad del fluido [kg/m3] μ = viscosidad [Pa·s]

Cuál es el número de potencia para una turbina estándar de hélice, con α = 0,8?

Fuente: Cremasco

•

A bajos números de Reynolds (Re < 10), el flujo laminar prevalece en el tanque, y a Re > 104 el flujo es turbulento en todas partes.

•

Existe una región de transición en los números de Reynolds intermedios.

Re < 10

Re > 10.000

Fuente: McCabe

• Una

turbina de disco con seis palas planas se instala centralmente en un tanque vertical con deflectores con un diámetro de 2 m. La turbina tiene 0.67 m de diámetro y está situada a 0.67 m por encima del fondo del tanque. Las palas de la turbina tienen 134 mm de ancho. La turbina del agitador gira a 90 rpm. El sistema de agitación se utiliza para mezclar un compuesto de látex de caucho que tiene una viscosidad de 120 Pa · s y una densidad de 1120 kg/m3.

• ¿Cuál será la potencia requerida?

Una turbina de disco con seis palas planas se instala centralmente en un tanque vertical con deflectores con un diámetro de 2 m. La turbina tiene 0.67 m de diámetro y está situada a 0.67 m por encima del fondo del tanque. Las palas de la turbina tienen 134 mm de ancho. El tanque está lleno hasta una altura de 2 m de solución acuosa de NaOH al 50% a 65 °C, que tiene una viscosidad de 12 cP y una densidad de 1500 kg/m3. La turbina del agitador gira a 90 rpm. ¿Qué potencia requerirá?

Bibliografia • BARBOSA, J. e. Dimensionamento do eixo impelidor em sistemas de agitação e mistura para processos industriais. Tesis de maestria. Universidad Estadual de Campinas, 2004.

• Cheremissinoff,

N. P. Handbook of Chemical processing equipment. Woburn: Butterworth-Heinemann, 2000