Diseño de Tanque de Agitación Mayra Alejandra Heras Neri Depto. de Ingeniería Química, Alimentos y Ambiental, Universida
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Diseño de Tanque de Agitación Mayra Alejandra Heras Neri Depto. de Ingeniería Química, Alimentos y Ambiental, Universidad de las Américas Puebla, San Andrés Cholula, PUE.
Resumen En este trabajo se presenta el diseño de un tanque de agitación para una mezcla de azucar-agua preparada al 50% en porcentaje peso/peso. Este diseño, se determinó de acuerdo a cálculos previos para considerar las condiciones de mezclado. •
Descripción del problema Se requiere preparar un lote de mezcla de solución de agua:azúcar que se prepara al 50% w/w sabiendo que la carga a preparar es de 3500 kg y adicionalmente se cargan 7% de partículas sólidas sobre la mezcla agua:azúcar; debe mezclarse durante 2 horas en un sistema totalmente agitado.
Objetivo Realizar el diseño de un tanque de agitación para una mezcla y demostrar el cumplimiento de criterios de evaluación.
Introducción En determinados procesos industriales es necesario la preparación de mezclas y su agitación para conseguir las condiciones requeridas de dicho proceso. Como concepto, la agitación se refiere a forzar un fluido por medios mecánicos para que éste adquiera un movimiento circulatorio en el interior del recipiente. La mezcla es la distribución al azar, de dos fases inicialmente separadas. Eso implica partir de dos fases individuales, y lograr que ambas fases se distribuyan al azar entre sí (Ruiz, 2009). Los tanques de agitación se utilizan para proporcionar las condiciones necesarias de una mezcla para un determinado proceso. Sus principales funciones son (Geankoplis, 1998): • •
Liberar cualquier burbuja de aire atrapada durante el proceso de mezclado. La agitación de las paletas (dependiendo de la forma) mantiene la mezcla en suspensión antes del bombeo.
El tanque actúa como un sistema de almacenamiento para lotes mixtos que permiten mantener un suministro continuo para la bomba.
Agitadores mecánicos Consisten en un rodete montado en un eje impulsado por un motor eléctrico. Se dividen en dos clases: aquellos que generan corrientes paralelas al eje del agitador y los que dan origen a corrientes en dirección tangencial o radial. Los primeros se llaman agitadores de flujo axial y los segundos agitadores de flujo radial. Los tres tipos principales de agitadores son: de hélice, de paletas, y de turbina (Ricaurte, 2016). En la figura 1 se muestran los patrones de flujo que se generan en tanques agitados.
Figura 1. Patrones de flujo en sistemas de agitación (Paul, Atiemo-Obeng, & Kresta, 2004). Donde a) representa un agitador concéntrico de un tanque sin deflectores, en éste se forma un vórtice en la superficie del fluido. En b) denota una ubicación desfasada del eje en donde se reduce el vórtice. c) Muestra un agitador axial con deflectores. Por último, d) indica un agitador radial con deflectores.
Agitadores Existen diferentes tipos de agitadores que se pueden utilizar dependiendo del fluido y de la calidad de la mezcla que se requiera y se pueden clasificar en los siguientes: •
Agitadores de hélice (figura 2): agitador de flujo axial que opera con velocidad elevada y se emplea generalmente para líquidos poco viscosos (Carmi, 2009).
Figura 2. Agitador de hélice •
Agitadores de paletas: es un agitador eficaz que está formado por una paleta plana, que gira sobre un eje vertical. Las paletas de velocidades bajas a moderadas en el centro del tanque, impulsando al líquido radial y tangencialmente, sin que exista movimiento vertical respecto al agitador, a menos que las paletas estén inclinadas (Ricaurte, 2016)
Figura 4. Agitador tipo turbina Deflectores También conocidos como bafles, son elementos soldados dentro del tanque por medio de unos corches que reducen los vórtices del fluido. La anchura de los deflectores depende del diseño del rodete y la viscosidad del fluido. También estos suelen estar adheridos o separados de la pared del tanque e incluso tener un ángulo de inclinación con respecto al eje del tanque (Ricaurte, 2016). En la figura 2 se muestra la disposición de los deflectores de la mezcla en un tanque.
Figura 3. Agitador paleta •
Agitadores de turbina: estos se asemejan a agitadores múltiples con diversos tamaños de paletas, que giran a velocidades elevadas sobre un eje que va montado centralmente dentro del tanque. Las aspas pueden ser rectas o curvas, inclinadas o verticales. El fluido muestra un patrón radial con aspas configuradas verticalmente o axial con aspas inclinadas. El rodete puede ser abierto, semiabierto o cerrado. Es también utilizado para fluidos viscosos (Ricaurte, 2016).
Figura 5. Disposición de deflectores (Doran, 1995).
Metodología del diseño Para la realización del diseño del tanque de agitación en el presente trabajo, se muestra un diagrama de flujo (ver figura 6 en Anexo A) en adaptación a la metodología propuesta por Norton (2013).
Investigación previa Se buscaron libros, normas, presentaciones, textos y tesis que podrían servir para el diseño del tanque y sus elementos. También se acudió a los catálogos
de proveedores de materiales metálicos, perfiles metálicos y equipos de agitación. Se investigaron las densidades y viscosidades del agua y del azúcar en diferentes proporciones y después se realizó una extrapolación para obtener el valor deseado para los cálculos.
Una vez obtenido el diámetro, se realizaron los cálculos de acuerdo a la tabla 1 para obtener las proporciones del tanque de agitación como se muestran en la figura 7.
Diseño del tanque de agitación Para el diseño del tanque de agitación se tomaron los siguientes criterios: •
•
Emplear una turbina de 6 palas, ya que este tipo de agitador permite operar en un amplio rango de viscosidades y velocidades. Su construcción es bastante sencilla
A continuación, se muestra una tabla de proporciones básicas para el cálculo de las dimensiones del tanque y del agitador. Tabla 1. Proporciones básicas
Figura 7. Proporciones básicas En donde H es la altura obtenida previamente de la ecuación 1. Posteriormente, se obtuvieron los valores de C, Dd, Da, Dt, L, J y W expresados en metros. Para el cálculo de Da y Dt se tomó el criterio de diseño de 0.5. La figura 8, muestran los resultados obtenidos de los cálculos anteriores.
Diseño del tanque de agitación Balances de materia Se sabe que las proporciones del agua y del azúcar son 50 y 50% w/w, por lo tanto, se alimentan 1750kg de agua y azúcar respectivamente. De los 3500kg se sabe que se agregan adicionales de partículas sólidas (0.7%) 245kg por lo que da un total de 3745 kg totales. El volumen propuesto para el diseño del tanque se hará al 110% de su capacidad para tener un factor de miedo que permita controlar cualquier contingencia en cuanto al control del tanque. También se indica que debe de ser de acero inoxidable el tanque de agitación. Para calcular el diámetro del tanque de agitación se utilizó la siguiente ecuación: Ecuación 1 𝑉=
𝜋 ∗ 𝐷2 𝜋 ∗ 𝐷3 ∗ℎ = 4 4
Figura 8. Obtención de dimensiones
Cálculo de la potencia del agitador Se desea mezclar perfectamente la mezcla azúcar:agua, la cual tiene una densidad de 936.25kg/m3, el dato fue obtenido a base de una regla de mezclado. La viscosidad dinámica obtenida
de acuerdo a la regla de mezclado fue de 0.04852𝑃𝑎 ∗ 𝑠. Se tomó un número de Reynolds de 10000 para asegurar el flujo turbulento de la mezcla y que quede totalmente homogeneizada. Posteriormente se usó la ecuación 2 para calcular las revoluciones por segundo del agitador (Carmi, 2009). Ecuación 2 𝑅𝑒 =
𝐷𝑎2 ∗ 𝑁 ∗ 𝜌 𝜇
Donde Da está expresada en metros, ρ en kg/m , μ en Pa*s y N en rps. Por lo que despejando N queda la ecuación 3. 3
Ecuación 3 𝑁=
𝑅𝑒 ∗ 𝜇 𝐷𝑎2 ∗ 𝜌
Dando un resultado de 1.0942 rps. Para el cálculo de la potencia se emplea la siguiente ecuación: Ecuación 4 𝑃 = 𝐾𝑇 ∗ 𝑁 3 ∗ 𝐷𝑎5 ∗ 𝜌 De acuerdo a la tabla 2 se muestran criterios para considerar el diseño de acuerdo a diversas especificaciones. En el trabajo presente, se tomará el valor de KT igual a 5.75 dado a que es un flujo turbulento y se diseña en base a un disco de seis palas por el tipo de fluido manejado.
Tabla 2. Valores de las constantes KL y KT para tanques que tienen cuatro deflectores en la pared del tanque, cuya anchura es igual o menor al 10 % del diámetro del tanque.
Tipo de impulsor Impulsor hélice, tres palas Paso 1.0 Paso 1.5 Turbina Disco de seis palas Seis palas inclinadas Cuatro palas inclinadas Paleta plana, dos palas Impulsor HE-3 Ancla
KL
KT
41 48
0.32 0.87
65 -----44.5 36.5 43 300
5.75 1.63 1.27 1.7 0.28 0.35
La siguiente tabla 3 muestra los resultados obtenidos para la potencia del agitador. Tabla 3. Potencia del agitador Potencia Watt 1088.75425 Potencia en kW 1.08875425 Potencia al 80% 0.8710034 P, HP 1.46004521 Dado a que no existen rotores de 1.46 se toma el valor de 1.5 HP para la especificación del equipo. Una vez obtenidos los cálculos anteriores, se determinaron los costos de agitación que se muestran en la tabla 4.
Tabla 4. Costos de Agitación 1.742006808 kW/h 4.65E-04 kW/kg-h $0.00023258 $/kg-lote Se puede observar que el costo de la corriente es bajo, puesto que es factible económicamente para un diseño preliminar.
DTI
Referencias
A continuación, se muestra el diagrama de tubería e instrumentación para el tanque de mezclado con operación automática (figura 9).
Carmi, J. (2009). Agitación en la Industria. Obtenido de: http://descom.jmc.utfsm.cl/jcarmi/procesos2/docum entos/apuntes/procesosII%20%20pdf/04%20agitaci on%20y%20disolucion.pdf Doran, P. M. (1995). Bioprocess Engineering Principles. Oxford: Academic Press. Geankoplis, C. J. (1998). Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. México: Compañía Editorial Continental, S.A. de C.V. Norton, R. L. (2013). Machine Design: An Integrated Approach. New Jersey: Pearson.
Figura 9. Diagrama de tubería e instrumentación
Conclusiones Se puede concluir que, para el diseño de tanques, se necesita de especificaciones previas antes del cálculo del mismo. En la industria en general, se necesitan de procesos de mezclado y la determinación de un diseño adecuado conlleva a que el proceso no tenga fallas durante su operación. Se tiene el dato de que, en 1989, el costo de una mala mezcla se estimó en mil millones a diez mil millones en la industria química de Estados Unidos solamente (Paul, Atiemo-Obeng & Kresta, 2004). En cuanto a ética del proyecto, se concluye que es necesario hacer más pruebas y determinar experimentalmente las densidades y viscosidades para evitar problemas en los cálculos y hacerlos más exactos, ya que cualquier error de diseño puede ser perjudicial tanto en costos como en operación; pero el punto importante es la seguridad de los operadores. En caso de que se tenga un tanque de agitación que lleve sustancias peligrosas que requieran de mezclado y dicho tanque está mal diseñado puede traer un riesgo para la seguridad de los trabajadores. Es necesario tomar en cuenta que la mezcla del presente trabajo no representa peligro en cuanto a su manipulación, pero si es necesario determinar por medio de más investigación los factores de error que se puedan presentar en la operación del tanque de agitación.
Paul, E. L., Atiemo-Obeng, V. A., & Kresta, S. M. (2004). Handbook of Industrial Mixing Science and Practice. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc. Ricaurte, L. (2016). Diseño y simulación de un Tanque Mezclador de 10,000 gal para la elaboración de aceites lubricantes. 23/04/2017, de Escuela Superior Politécnica del Litoral.Obtenido de: https://www.dspace.espol.edu.ec/retrieve/96642/DCD88467.pdf Ruiz, C. L. (17 de Julio de 2009). Agitación. Obtenido de: http://www.slideshare.net/guest6d731e/agitacion1735401
Anexo A Figura 6. Diagrama de flujo de metodología del proceso.