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AGITACIÓN Y MEZCLA DE LIQUIDOS

LUIS FELIPE DIAZ CARO JAVIER ALBERTO ESCORCIA VASQUEZ JOSE CARLOS MARTINEZ SALAZAR HERNANDO ANDRES PACHECO AREVALO HERNANDO LUIS ROMERO GUTIERREZ JHONNYS ALBERTO ROSADO ORJUELA MAURO ANDRES GUERRERO NAVARRO

DOCENTE ING. EINER GUTIERREZ

UNIVERSIDAD POPULAR DEL CESAR FACULTAD DE INGENIERÍAS Y TECNOLÓGICAS VALLEDUPAR – CESAR 2020 – 02

Introducción.

En el presente documento se encontrará contenido como artículo de revisión los conceptos que engloban las agitaciones y mezclas de líquidos, objeto de estudio en la ciencia de las operaciones unitarias. La finalidad que le ha dado el ser humano a la ciencia es la de interpretar el universo por mecanismos de la experimentación y la comprensión de las leyes naturales, siendo aplicado así mismo por el método racional. Para la ciencia se reconoce que las verdades son tentativas. Aproximaciones basadas en experimentos y que deben ser refinados, modificados o descartados en el punto que aparezca nueva información. La estructura macro de la ciencia se fundamenta en el conocimiento o aprendizaje adquirido mediante experimentación, para dictaminar con la ayuda del razonamiento deductivo, el comportamiento pasado o futuro, de la naturaleza y como está compuesta. La noción del estado del proceso de la materia es más bien simple, pero puede generar un extenso listado de variables siendo aplicados en la química de procesos y operaciones. Mediante esta definición se podrá generar un listado de variables, ordenado, que contenga los valores de cada una de ellas, para referirse al valor de cada una de las variables de proceso que permiten la más completa definición de agitación y mezcla de fluidos. Considerando lo importante que es el curso operaciones unitarias para nuestra carrera como ingenieros agroindustriales nos dimos a la tarea de realizar la recopilación de información sobre el tema Agitación y mezcla liquida. La eficiencia de muchas operaciones en la industria depended de una correcta agitación y mezcla de los fluídos. Aunque con frecuencia tendemos a confundir, lo que es 2

agitación y mezcla no son sinónimos. Debido a que la agitación hace referencia al movimiento inducido de algún material, esto de una manera específica, comúnmente es un patrón circulatorio dentro de algún tipo de contenedor. Por otro lado, la mezcla es una distribución, dentro y a través una de otra, esto de dos o más fases inicialmente separadas. Mas claramente su apariencia da a un material homogéneo simple, tal como un tanque lleno con agua caliente, puede ser agitado, pero no puede ser mezclado en lo que se le adhiere o adiciona algún otro material (tal como una cantidad de agua fría o un sólido en polvo). Ampliamente el concepto mezcla se es aplicado a una gran variedad de operaciones, que así mismo difieren ampliamente en el nivel o grado de homogeneidad del material ya (mezclado). Colocando en consideración, el caso de dos gases que se ubican juntos y que se han de mezclar totalmente, siendo un segundo caso donde la arena, grava, cemento y agua fluyen muy rápido en un tambor rotatorio por un largo periodo. En los dos casos se dice que el producto final está mezclado. Aunque es evidente que los productos no son igualmente homogéneos. Otro ejemplar que representan estos casos son las muestras de gases mezclados, incluso cuando estas muestras son pequeñas, tienen la misma composición. Por otra parte, las muestras pequeñas de concreto debidamente mezclado difiere mayormente en su composición. La agitación hace referencia a forzar un fluido por medios mecánicos para que este adquiera un movimiento circulatorio en el interior de un recipiente. Trayendo a colación la definición anterior se puede afirmar que uno de los objetivos de la agitación puede ser: 

Mezcla de dos líquidos miscibles (alcohol y agua).



Disolución de sólidos en líquido (azúcar y agua). 3



Mejorar la transferencia de calor (en calentamiento o enfriamiento).



Dispersión de un gas en un líquido (oxígeno en caldo de fermentación).



Dispersión de partículas finas en un líquido.



Dispersión de dos fases no miscibles (grasa en la leche).

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Tabla de contenido Introducción.........................................................................................................................................2 1.

Equipos de agitación...............................................................................................................6

1.1 Características del equipo de agitación........................................................................................6 FIGURA 1. Tanque típico de proceso con agitación.............................................................7 1.2 Impulsores......................................................................................................................................7 1.3 Hélices (propulsor)........................................................................................................................8 1.3

Turbinas...................................................................................................................................9 FIGURA 2 Agitadores para líquidos de viscosidad moderada..........................................10

1.4 Diseño “estándar” de turbina.....................................................................................................10 FIGURA 3. Mediciones de turbina......................................................................................11 2.

Modelos de flujo en tanques agitados...................................................................................11

3.

Prevención de flujo circulatorio............................................................................................12 FIGURA 4. Formación de vórtice y tipo de flujo en un tanque agitado...........................12 FIGURA 5: Agitador no centrado.......................................................................................13

4.

Parámetros de diseño.............................................................................................................13 4.1 Capacidad........................................................................................................................13 4.2 Caída de presión..............................................................................................................14 4.3 Costes...............................................................................................................................14 4.4 Facilidad de operación....................................................................................................14

4.5 Inundación...................................................................................................................................15 4.6 Canalización....................................................................................................................15 4.7 Formación de espuma.....................................................................................................15 4.8 Arrastre...........................................................................................................................15 4.9 Mala distribución del líquido.........................................................................................16 4.10 Goteo..............................................................................................................................16 4.11 Eficacia...........................................................................................................................16 5.

Cálculo del consumo de potencia problemas.......................................................................17

5.1 Cálculo del consumo de potencia (energía)................................................................................17 TABLA 1 Efecto de la anchura y la holgura sobre el consumo de potencia de turbinas de seis palas................................................................................................................................17 6.

Bibliografía............................................................................................................................19

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1. Equipos de agitación En la química de operaciones los líquidos se agitan con mayor frecuencia en tanques o recipientes, siendo estos generalmente con forma cilíndrica y dotado de un eje vertical. Un equipo de agitación consiste en un recipiente cilíndrico que puede ser cerrado o abierto, y cuenta con un agitador mecánico montado en un eje y accionado por un motor eléctrico. 1.1 Características del equipo de agitación. El área superior del recipiente tiende a estar abierta o cerrada al entorno. Las medidas del tanque varían dependiendo de su naturaleza y su problema de agitación. Circunstancialmente, en muchas situaciones se aplica un diseño estandarizado tal cual se observa en la Figura 1. Una de las características que se evidencian es que el fondo del recipiente, es que es redondeado y no plano, esto con el único fin de eliminar aberturas escarpadas o regiones en las que no fluya las corrientes del fluido. La altura del líquido es igual al diámetro del tanque. La castaña va instalada sobre el eje suspendido, más claramente, un eje soportado en la parte superior. En su interior hay un eje que está accionado por un motor, estando este en ocasiones directamente conectado al eje, pero es más frecuentemente verlo acoplado al eje a través de una caja que reduce la velocidad.

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FIGURA 1. Tanque típico de proceso con agitación, fuente: Warren, L. (2002). Operaciones unitarias en ingeniería química.

Generalmente estos equipos llevan incorporados accesorios tales como: encamisados, las tubuladuras para entrada y salida, serpentines y así mismo vainas para termómetros u otros instrumentos de toma de temperatura. Otra de las características de los agitadores, es que el rodete en su interior y sujeto al eje crea un modelo de flujo en el sistema, permitiendo dar lugar a que el líquido este en constante circulación a través del tanque y en ocasionadas veces retorne al rodete. 1.2 Impulsores. Pudiendo entender el concepto y aplicación de los agitadores de impulsor o rodete, estos se dividen en dos clases. 1. aquellos que generan corrientes de forma paralelas al eje del impulsor y que lleva por nombre impulsores de flujo axial. 2. También están aquellos que generan corrientes en dirección tangencial o radial los de este tipo se llaman impulsores de flujo radial. 7

Resaltamos que los tres principales tipos de impulsores para líquidos de baja a moderada viscosidad de la química de operaciones unitarias, son las turbinas, hélices e impulsores con alta eficiencia. Cada uno de ellos comprende muchas variantes y subtipos que no se considerarán aquí. En el caso específico de líquidos muy viscosos, los impulsores más adecuados son los de hélice y agitadores de anclaje. 1.3 Hélices (propulsor). las hélices son un tipo de impulsor de flujo axial con alta velocidad, las cuales se utilizan para líquidos que tienen baja viscosidad, mecánicamente las hélices pequeñas giran con la velocidad que el motor, ya siendo estas revoluciones a 1.150 o 1.750 rpm, unas ya de mayor capacidad revolucionan de 400 a 800 rpm. El direccionamiento de la rotación se determina mayormente para impulsar el líquido a descender, en cuanto a las corrientes de flujo que salen del impulsor estas a su vez continuarían a través del líquido en un sentido determinado hasta que chocan con el fondo del tanque. Para la columna altamente turbulenta de remolinos de líquido que es expulsado el agitador, este se es arrastrado al moverse la sustancia liquida estancada, siendo esta probablemente en alta proporción que una columna de una boquilla estacionaria. El movimiento de las palas de la hélice corta o cizallan fuertemente el líquido. Siendo todo esto posible debido a la persistencia de las corrientes de flujo, los agitadores de hélice son eficaces en tanques muy grandes. Un dato que no puede ser dejado de lado es que las hélices rara vez superan las 18 in. de diámetro, siendo esto independiente del tamaño del recipiente. En un tanque profundo

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puede ser posible instalar dos o más hélices en el mismo eje uno encima o de bajo del otro, dirigiéndose el líquido en un mismo sentido. 1.3 Turbinas

Se plasma en la figura 2 la representación de cuatro tipos de agitadores de turbina. De manera más específica en la figura 2b se muestra la turbina sencilla y de mayor reconocimiento la de palas rectas, trayendo a colación los argumentos sobre hélices es esta la misma y ya mencionada hélice que empuja al líquido en forma radial y tangencial, casi sin movimiento vertical al agitador. Generalmente las corrientes que generan se desplazan hacia fuera en dirección de las paredes del tanque, fluyen hacia arriba o abajo. dichos agitadores son llamados a veces paletas. Esto únicamente en recipientes de proceso, los agitadores industriales típicos de paletas revolucionan a velocidades comprendidas entre 20 y 150 rpm. La turbina de disco, con palas múltiples rectas instaladas en un disco horizontal como se muestra en la figura 2c, el agitador de pala recta, crea zonas de alta velocidad de corte. Que a diferencia esta turbina es especialmente utilizada para la dispersión de gases en un líquido.

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FIGURA 2 Agitadores para líquidos de viscosidad moderada: a) agitador marino de tres palas; b) turbina simple de pala recta; c) turbina de disco; d) agitador de pala cóncava CD-6 (Chemineer, Inc.); e) turbina de pala inclinada. Warren, L. (2015). Operaciones unitarias en ingeniería química [figura].

1.4 Diseño “estándar” de turbina. El diseño de un tanque agitado dispone de un engranaje inusual un número de elecciones sobre variedades y localización del agitador, referentes a las proporciones del tanque, también el número y las proporciones de los deflectores incluidos también otros factores. Cabe recalcar que cada una de estas determinaciones afectarían la velocidad de circulación del líquido, los parámetros de velocidad y la potencia consumida. Se tiene de igual forma un punto de partida para el diseño de los problemas de agitación, aunque usualmente se utilizan agitadores de turbina como el que se observa en la figura 3. Las proporciones típicas son:

Identificamos claramente, que el número de deflectores es 4 y así mismo el número de palas del agitador varía entre 4 y 16, aunque esto mayormente son 6 u 8. Considerar unas proporciones diferentes de las que se acaban de indicar, son quizá un resultado ventajoso colocando el agitador más alto o más bajo dentro del recipiente, o quizás sea también necesario utilizar un tanque más profundo para lograr los resultados esperados.

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FIGURA 3. Mediciones de turbina. (Según Rushton et al.45) Warren, L. (2015). Operaciones unitarias en ingeniería química [figura].

2. Modelos de flujo en tanques agitados. Modelos de flujo: destacamos que el tipo de flujo que es producido en un tanque agitado, depende de la variedad de rodete, de las características del fluido y tamaño proporcional del tanque, placas deflectoras y agitador. Un valor a tener en cuenta es la velocidad del fluido en un punto del tanque, puesto que cuenta con tres componentes y adicional a el tipo de flujo global, así mismo depende de las variaciones de estos tres componentes de la velocidad de un punto al otro. 

La primera componente de velocidad es radial y actúa en dirección perpendicular al eje del rodete.



La segunda es longitudinal y actúa en dirección paralela al eje.



La tercera es tangencial o rotacional, y actúa en dirección tangencial a la trayectoria circular descrita por el rodete.

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3. Prevención de flujo circulatorio. Es muy importante comprender que el flujo circulatorio y los remolinos pueden evitarse por uno de los tres métodos siguientes. Los recipientes tamaños pequeños se dispone el rodete separado del centro del tanque, según indica la Figura 4.

FIGURA 4. Formación de vórtice y tipo de flujo en un tanque agitado. (Según Lyo) Warren, L. (2002). Operaciones unitarias en ingeniería química [figura]. En el siguiente caso el eje se mueve alejado de la línea que pasa por el centro del recipiente, se inclina según un plano perpendicular a la dirección del movimiento de las aletas. En los tanques de mayor tamaño, el agitador puede incluso montarse en la parte lateral del tanque, con el eje en un plano horizontal pasa lo contrario, esta forma un ángulo con el radio, según se indica en la Figura 5.

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FIGURA 5: Agitador no centrado. (Según Bisel1 et d) Warren, L. (2002). Operaciones unitarias en ingeniería química [figura]. 4. Parámetros de diseño Primeramente, antes de intentar el diseño de un equipo, este debe estar bien definidos con la presión de trabajo, la temperatura, velocidades de flujo, composición del alimento, pudiendo así que el tanque este estandarizado, de manera que el problema de diseño consiste en construir un dispositivo que lleve a cabo la operación que se requieren y al igual sea económico, seguro y fácil de manipular al momento de operar. Entre los parámetros de diseño más importantes podemos destacar: la capacidad del equipo, la caída de presión, costes, facilidad de operación y eficacia de las etapas. 4.1 Capacidad. Permite que los datos de equilibrio del sistema se establezcan por el número de etapas que lo conformarían y las cuales son necesarias para producir una determinada separación. Aunque mayormente este número de etapas es independiente del flujo de alimento, las dimensiones físicas del equipo (específicamente el diámetro) terminan en aumentará 13

proporcionalmente con el flujo que circule a través, siendo estos equipos para contacto entre fases dimensiones función de la hidrodinámica y del tiempo que se precisa en cada etapa del proceso. Es necesario que una columna esté diseñada para operar con un intervalo de composiciones y flujos tan elevados como sea posible. Los parámetros estructurales, como es la relación (altura/diámetro) deciden continuamente la probabilidad de realización de prácticas. 4.2 Caída de presión. Este parámetro del diseño se enfoca particularmente cuando es preciso operar en condiciones de alto vacío, es decir: la posibilidad de descomposiciones térmicas o de reacciones químicas no deseadas. 4.3 Costes. Adicional a los costes de los platos de la columna, también habría que contabilizar los costes de la carcasa, las bombas auxiliares, los intercambiadores de calor, la caldera, el condensador. Puesto que estos cuestan de tres a seis veces más que aquellos. También son de gran importancia incluir lo que son los servicios (electricidad, vapor, agua de refrigeración). 4.4 Facilidad de operación. En todo tipo de proceso hay un número importante de potenciales problemas en las operaciones. Mas certeramente la utilización de las columnas de relleno para poner en con tacto una fase líquida con una fase vapor, estos problemas son más comunes que pueden presentarse son:

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4.5 Inundación. Esta clase ocurre mayormente cuando las velocidades de la fase de vapor y /o líquido sean tan grandes que la caída de presión del gas es superior a la carga neta de gravedad del líquido incluido en la operación, que a si mismo es arrastrado hacia arriba en la columna. 4.6 Canalización. El objetivo principal del relleno es proporcionar la turbulencia de los fluidos y transferencia de materia, esto mediante la dispersión del líquido que fluye sobre la superficie del relleno incluido por el interior del mismo. Si se presenta que el flujo del líquido y/o vapor es muy bajo, o si la alimentación líquida no se distribuye uniformemente sobre el relleno, este en ese instante tenderá a descender por las paredes de la columna mientras que el vapor circula por la parte central. Si al presentarse velocidades muy bajas esta podría ocurrir por no haber suficiente líquido para mojar la superficie del relleno. 4.7 Formación de espuma. Si al momento de la operación en esta se forma un nivel de espuma elevado, el líquido será arrastrado por el gas hasta la etapa siguiente y las eficacias de separación seria deficiente. Por otro lado, la espuma puede también arrastrar vapor hacia la etapa inferior. En un caso extremo, los tubos de bajada del líquido se pueden llenar totalmente de espuma causando inundación de una forma análoga a lo que ocurre con las columnas de relleno. 4.8 Arrastre. Aun cuando esté presente el nivel de espuma formado sobre el líquido del plato, si la separación del líquido y el vapor que se han puesto en contacto es inadecuada, se es notorio 15

que parte de esta espuma se mezcla con el líquido del plato superior, disminuyendo así la eficacia 4.9 Mala distribución del líquido. Un problema frecuente en los platos de la columna ya que por ser muy grandes o por estar mal diseñados puede variar la altura del líquido a través del plato dando cabida a un apreciable gradiente hidráulico. Esto puede provocar un flujo no uniforme del gas y generando desbordes e ineficiencia. 4.10 Goteo. Muchas veces los platos sólo cuentan con la presión del gas siendo esta una variable para mantener el líquido sobre el plato, de forma que, en el punto de goteo, empiece a caer líquido a través de los orificios de los platos. Esto en un caso extremo recibe el nombre de vaciamiento. 4.11 Eficacia. La eficacia en una columna de platos se evalúa y determina en función de la eficacia del plato, esto que quiere decir, que en función de la diferencia está entre la composición de las corrientes que abandonan una etapa con respecto a las composiciones de las mismas en el caso de que estuviesen en punto de equilibrio. También es importante aclarar que la eficacia de una columna de relleno se mide en función de la eficacia del relleno, que es inversamente proporcional a la altura equivalente a un plato teórico (HETP).

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5. Cálculo del consumo de potencia problemas.

5.1 Cálculo del consumo de potencia (energía). La potencia comunicada al líquido se calcula combinando la ecuación (1) según una relación para Np específica. Arreglando la ecuación (2) se obtiene

Para números de Reynolds bajos, las líneas de Np contra Re coinciden para un tanque con o sin placas deflectoras, y la pendiente de la línea en coordenadas logarítmicas es –1. Por lo tanto,

TABLA 1 Efecto de la anchura y la holgura sobre el consumo de potencia de turbinas de seis palas de 45°10,42

Fuente: Warren, L. (2015). Operaciones unitarias en ingeniería química [figura]. Esto conduce a

El flujo es laminar en este intervalo, y la densidad no es más un factor. Las ecuaciones (3) y (4) se utilizan cuando Re es menor de 10. En tanques con placas deflectoras, para

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números de Reynolds superiores a aproximadamente 10 000, el número de potencia es independiente del número de Reynolds y la viscosidad ya no influye. En este intervalo, el flujo es totalmente turbulento y la ecuación (5) se transforma en

de la cual

En la tabla 1 se dan los valores de las constantes KT y KL para varios tipos de impulsores y tanques.

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6. Bibliografía.

Warren L. McCabe, Julian C. Smith y Peter Harriott (2015). Operaciones unitarias en ingeniería química séptima edición. North Carolina State University y Cornell University. Christie J. Geankoplis (1998). Procesos de transporte y operaciones unitarias tercera edición. University of Minnesota. Warren L. McCabe, Julian C. Smith y Peter Harriott (1991). Operaciones unitarias en ingeniería química cuarta edición. North Carolina State University y Cornell University.

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