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“Modelamiento

y Simulación en un Tanque Agitado Continuo”

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE INGENIERÍA

“Modelamiento “ModelamientoyySimulación Simulación en enun unTanque TanqueAgitado Agitado Continuo” Continuo” PRESENTADO

A: Ing. Pascual Víctor GUEVARA

YANQUI PROFESOR DEL CURSO DE SIMULACIÓN DE PROCESOS – 093B

REALIZADO POR: ASCUE CASTRO, Elí LAUREANO AGÜERO, Fredy QUISPE LOROÑA, Mercedes RAMÍREZ GAVILÁN, Walter “Analysis And Simulation Of Processes” FIQ-UNCP

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“Modelamiento

y Simulación en un Tanque Agitado Continuo”

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ALUMNO DEL XI SEM. DE LA FIQ-UNCP

C.U. 20 de Junio del 2005

RESUMEN

El presente informe titulado “Modelamiento y Simulación en un Tanque Agitado Continuo”, tiene por objetivo lograr la demostración experimental del modelo matemático de dicho equipo, determinar el tiempo en el que el sistema de trabajo alcance el estado estable o llegue al estado estacionario y con la ayuda del software de simulación LabView 6.1 validar el modelo deducido, para lo cual se tuvo que acondicionar un equipo que consta de un recipiente cilíndrico y un sistema de agitación de palas planas que homogenizará una solución salina, para lo cual se tuvo en consideración las especificaciones de diseño del mismo (Dimensiones Estándares según la Norma DIN 28131). Con la ayuda de este módulo se podrá determinar los datos experimentales ,

con los que se realizará

la grafica del perfil de

concentraciones, la cuál se observará que el fenómeno está regido por el modelo deducido, así también nos mostrará como el sistema presenta variaciones frente a un sistema ideal..

“Analysis And Simulation Of Processes” FIQ-UNCP

“Modelamiento

y Simulación en un Tanque Agitado Continuo”

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INTRODUCCION

Hoy en día existen industriales

ciertas características de los procesos

que la diferencia de

otro tipo de industrias, debido

esencialmente a que hay una compleja estructura de muchas etapas, cada una de las cuales consta a su vez de numerosos componentes. Las ecuaciones que describen las relaciones entre variables importantes oscilan desde unas muy sencillas hasta otras muy complicadas. Teniendo en cuenta que interviene un elevado flujo de materiales con un valor económico

relativamente

alto,

se

comprende

que

pequeñas

modificaciones en las características de diseño y operación pueden tener una importante repercusión económica. Finalmente, las características de los sub componentes del proceso todavía no son, en general, lo suficientemente bien conocidas como para permitir al ingeniero basarse exclusivamente en la teoría para proceder al diseño y control. Los ingenieros de las industrias se ocupan básicamente de dos tipos de trabajo: Operación de plantas ya existentes y al Diseño de nuevas plantas ó modificación de las ya existentes. “Analysis And Simulation Of Processes” FIQ-UNCP

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Para poder desarrollar estas tareas, el ingeniero debe ser capaz de desarrollar un análisis sofisticado del proceso, por otra parte cuando se pretende modificar una planta ya existente o diseñar una a la ya existente, el ingeniero dispone de una importante experiencia (propia o de la empresa) en la que apoyar los estudios que conducirán a la modificación deseada y con ella incrementar los beneficios económicos del proceso. De todo lo expuesto, se concluye que la construcción de modelos matemáticos, teóricos o semi teóricos, constituye

frecuentemente una

necesidad preliminar.

OBJETIVOS 1. OBJETIVOS GENERALES:  Lograr la demostración experimental del modelo matemático deducido para el proceso.

2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: “Analysis And Simulation Of Processes” FIQ-UNCP

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y Simulación en un Tanque Agitado Continuo”

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 Obtener el modelo matemático analíticamente que rija el proceso.  Acondicionar un módulo que permita la obtención de los datos experimentales.  Realizar un proceso de simulación con

una solución

salina

(salmuera) en un tanque con agitación.  Determinar el tiempo en el que el sistema de trabajo logre alcanzar el estado estable (Estado estacionario).  Determinar las concentraciones de la solución salina (salmuera).  Realizar la grafica del perfil de concentración.

MARCO TEORICO I. AGITACION: En la ingeniería de operaciones y procesos la agitación es una operación básica para mezclar fluidos. Estos sistemas de fluidos podrían ser monofásicos ó polifásicos. Las distintas funciones que la de la agitación puede desempeñar se clasifican en cinco operaciones básicas: 1. 2. 3. 4. 5.

Homogeneización de un fluido Suspensión de un sólido en un líquido Emulsión de dos fluidos insolubles Inyección de gas Intercambio térmico entre fluido y superficie de enfriamiento

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Características del las distintas operaciones: 1) Homogeneización de un fluido  Definición: Mezcla de fluidos solubles.  Objetivos: Equilibrio de gradiente de temperatura. Equilibrio de gradiente de concentración.  Ejemplos: Neutralizaciones ácido/base. Diluir disoluciones de alta concentración. Mezcla de fluidos con temperaturas distintas. Distribución de polímeros en suspensiones para floculación. 2) Suspensión de un sólido en un líquido 

Definición: Distribuir un sólido disperso en un fluido.

 Objetivos: Mantener los sólidos en suspensión. Conseguir una distribución homogénea. Disolver sólidos.  Ejemplos: Procesos de cristalización. Reacciones liquido-sólido con catalizador. 3) Emulsionar 

Definición:

Dispersar un fluido en otro fluido, siendo éstos insolubles entre sí.  Objetivos: Aumentar la superficie específica de uno de los fluidos.  Ejemplos: Emulsión. Polimerización. 4) Inyección de un gas en un fluido 

Definición: Dispersar un gas en un fluido.

 Ejemplos: Reacciones gas-líquido. Fermentaciones aerobias. “Analysis And Simulation Of Processes” FIQ-UNCP

“Modelamiento

y Simulación en un Tanque Agitado Continuo” Aporte de (depuración).

5)

oxígeno

en

estanque

7 aireado

Intercambio térmico 

Definición: Favorecer el intercambio de calor entre fluido y superficie de fluidos a distinta temperatura.

 Ejemplos: Eliminación del calor de reacción. Disminución de la viscosidad de un fluido gracias al calentamiento. Con frecuencia un mismo equipo de agitación realiza varias de estas operaciones básicas simultáneamente, pero es conveniente instalar mezcladores agitadores que pueden llevar a cabo la agitación en el sentido deseado, con el menor consumo energético posible. Para ello, existe en el mercado gran variedad de agitadores, con distintas características y funciones. Los más habituales tienen sus dimensiones estandarizadas de acuerdo con la norma DIN 28131 (gráfica 1.1) según varios criterios -

Mecánica. Características de Proceso. Características de Aplicación.

GRÁFICA 1.1: DIMENSIONES ESTÁNDARES SEGÚN LA NORMA DIN 28131 “Analysis And Simulation Of Processes” FIQ-UNCP

“Modelamiento

DENOMINACI ÓN

y Simulación en un Tanque Agitado Continuo”

SÍMBOLO

Agitador de hélice

Agitador con palas planas inclinadas

Agitador helicoidal

Agitador de palas planas

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GEOMETRIA

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Los agitadores se pueden clasificar según los siguientes criterios: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

modelo de flujo producido (axial, radial, tangencial) viscosidad del fluido relación entre el diámetro del agitador y el del depósito (d2 / d1) velocidad tangencial inducida en el fluido régimen: laminar ó turbulento geometría del fondo del depósito

La velocidad de giro se elige normalmente en función del tipo de operación que se desea realizar. Como norma general, se sigue el siguiente criterio: Agitación rápida para: turbulento Agitación lenta para: laminar

=> medios muy fluidos en régimen => medios muy viscosos en régimen

En la realidad, el campo de flujo producido por los agitadores es siempre tridimensional, pero existe siempre un flujo predominante: 1) predominantemente axial (por ejemplo: agitador de hélice) 2) predominantemente radial (por ejemplo: agitador de palas rectas)

1) Axial

2) radial

Aparte de cambiar el rodete, se pueden variar otros parámetros de la instalación, como la forma del tanque, la posición del eje, etc., consiguiéndose con ellos efectos distintos que desarrollaremos más adelante. II. EQUIPOS DE MEZCLA: 2.1 Tipos de Agitadores: Existen tres tipos básicos de agitadores, directamente relacionados con los tres modelos de flujo fundamentales: “Analysis And Simulation Of Processes” FIQ-UNCP

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Las denominados propulsores de flujo axial, que permiten un flujo desprendido del rodete de aproximadamente 45º y por tanto presenta recirculación, que retorna hasta la zona central de las palas del agitador, creando un campo de flujo de ida y vuelta paralelo al eje de giro. Este tipo de flujo se presenta con un Reynolds de entre 200 a 600, y se transforma en flujo radial cuando el número de Reynolds disminuye. Los agitadores de flujo axial incluyen a todos los que tienen palas que forman un ángulo menor de 90º con el plano perpendicular al eje. Las hélices y turbinas de palas o aspas inclinadas son las más representativas de este tipo de agitadores. Existen dos rangos básicos de velocidades de giro: de 1150 a 1750 rpm con transmisión directa, y de 350 a 420 rpm con transmisión por engranajes. Para la suspensión de sólidos es habitual utilizar las unidades de transmisión por engranajes, mientras que para reacciones o dispersiones rápidas son más apropiadas las unidades de alta velocidad. En cuanto a los impulsores de flujo radial, los más representativos son los agitadores de palas planas. Éste tipo de agitadores incluyen palas (o aspas) paralelas al eje del motor. Los más pequeños y de aspas múltiples se denominan “turbinas”; los mayores, de velocidades más bajas, con dos o cuatro aspas, se denominan agitadores de palas o de paletas. Generan un flujo radial para cualquier Reynolds y proporcionan alta velocidad de tangencial aunque baja capacidad de impulsión. En la mayoría de los procesos industriales de mezclado, sin embargo, se busca una capacidad de impulsión lo mayor posible, mientras que la velocidad tangencial no constituye un factor de importancia. Por ello, este último tipo de agitador no es de uso extendido en la industria, siendo los más utilizados los denominados “de alta eficacia“(hydrofoil), que maximizan el flujo y minimizan la velocidad de tangencial. Estos agitadores de palas rígidas se clasifican según el valor del cociente entre el área total de las palas con respecto al del círculo que circunscribe el impulsor; y, según aumenta la viscosidad del fluido, un mayor valor del cociente anteriormente definido resulta más efectivo para proporcionar un tipo de flujo predominantemente axial. Otro tipo de agitadores son los denominados “de paso cerrado”, en los que se incluyen los de tipo ancla y helicoidal. Estos agitadores trabajan muy cercanos a la pared del tanque y son particularmente eficaces para fluidos pseudoplásticos y, en general, de alta viscosidad, en los que es necesario tener concentrada la capacidad de mezcla cerca de la pared, consiguiéndose un campo de flujo más efectivo que con los impulsores del tipo abierto explicados anteriormente. A continuación se exponen las características principales de los tipos de rodetes más importantes: “Analysis And Simulation Of Processes” FIQ-UNCP

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Agitador de Hélice:

 

Descripción Campo de flujo generado Régimen alcanzado Velocidad tangencial Viscosidad del medio Posición del rodete (d2 / d1) Aplicaciones

3 álabes (generalmente) ángulo de inclinación constante

del

aspa

axial turbulento 3 - 15 m/s < 8 Pa*s 0,1 – 0,5 (alejado de la pared)  homogeneizar  suspender  favorecer el intercambio de calor

Agitador con Palas Planas Inclinadas:

Descripción Campo de generado

 4-6 palas rectas  Angulo de inclinación = 45° axial / radial flujo (componente radial mayor que con mezclador de hélice)

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el

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Régimen alcanzado Velocidad tangencial Viscosidad del medio Posición del rodete (d2 / d1) Aplicaciones

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de transición – turbulento 3 - 15 m/s hasta 20 Pa·s 0,2 – 0,5 (alejado de la pared)  homogeneizar  suspender  favorecer el intercambio de calor

Agitador Impulsor:

Descripción Campo de flujo generado Régimen alcanzado Velocidad tangencial Viscosidad del medio Posición del rodete (d2 / d1) Aplicaciones

 3 palas inclinadas  palas curvadas hacia dirección del flujo

atrás

radial / axial de transición – turbulento 3 – 8 m/s hasta 100 Pa·s 0,2 – 0,5 (alejado de la pared)  homogeneizar  favorecer el intercambio de calor

Agitador Helicoidal:

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en

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Descripción Campo de flujo generado Régimen alcanzado Velocidad tangencial Viscosidad del medio Posición del rodete (d2 / d1)

forma de espiral radial / axial laminar hasta 2 m/s hasta 1000 Pa·s 0,90 – 0,98 (cerca de la pared)  homogeneizar  favorecer el intercambio de calor

Aplicaciones Agitador de Palas Planas:

Descripción Campo de flujo generado Régimen alcanzado Velocidad tangencial Viscosidad del medio Posición del rodete (d2 / d1)

6 palas rectas radial turbulento 3 -7 m/s hasta 10 Pa·s 0,2 – 0,5 (alejado de la pared)

Aplicaciones

   

homogeneizar favorecer el intercambio de calor inyección de un gas en un fluido emulsionar

Agitador de Rueda Dentada:

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y Simulación en un Tanque Agitado Continuo”

Descripción Campo de flujo generado Régimen alcanzado Velocidad tangencial Viscosidad del medio Posición del rodete (d2 / d1) Aplicaciones

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disco con corona dentada radial de transición – turbulento 8 - 30 m/s hasta 10 Pa*s 0,2 – 0,5 (alejado de la pared)  trituración  inyección de gas  emulsionar

Agitador Tipo Ancla:

Descripción Campo de flujo generado Régimen alcanzado Velocidad tangencial Viscosidad del medio Posición del rodete (d2 / d1) Aplicaciones

 dos brazos que llegan cerca de la pared  forma adaptada al fondo del tanque tangencial laminar hasta 2 m/s hasta 1000 Pa·s 0,9 – 0,98 (cerca de la pared)  favorecer el intercambio de calor

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 disminuir la capa límite en la pared Agitador de Palas Cruzadas:

palas dispuestas perpendicularmente una respecto de otra

Descripción Campo de flujo generado Régimen alcanzado Velocidad tangencial Viscosidad del medio

axial / tangencial laminar 2 – 6 m/s hasta 100 Pa·s

Agitador de Rejilla:

Descripción Campo de flujo generado Régimen alcanzado Velocidad tangencial Viscosidad del medio

estructura de malla tangencial laminar 2 – 5 m/s hasta 10 Pa s

Agitador de Placa Plana :

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Descripción Campo de flujo generado Régimen alcanzado Velocidad tangencial Viscosidad del medio

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placa plana radial / tangencial laminar 1 – 3 m/s hasta 20 Pa·s

2.2 Variaciones Introducidas en el Agitador para Conseguir una Mejor Mezcla: Como ya decíamos en la introducción, aparte de cambiar el tipo de rodete, se pueden variar otros parámetros de la instalación, como la forma del tanque, la posición del eje, etc., consiguiéndose distintos efectos, generalmente encaminados a la consecución de una mejor mezcla. Una primera modificación podría ser la introducción de placas deflectoras (en inglés “Baffles”) (gráfica 1): son bandas planas verticales, situadas radialmente y a lo largo de la pared del tanque, que generan una mayor turbulencia en el fluido, con la consiguiente mejora del proceso de mezcla. Generalmente, cuatro deflectores suelen ser suficientes. La anchura habitual para estos dispositivos es de 1/10 a 1/12 el diámetro del tanque (dimensión radial). Para números de Reynolds superiores a 2000, los deflectores se usan conjuntamente con impulsores de tipo turbina y con propulsores de flujo axial centrados. Los patrones de flujo generados en ambos casos son diferentes, pero tienen en común una importante circulación desde la parte superior al fondo, evitando la formación de vórtices. En la región de transición (10