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• Rodrigo F Ricardo C

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UNIDAD 1: AGITACIÓN 1. CONCEPTOS BÁSICOS La agitación se refiere al movimiento inducido de un material en una forma específica, generalmente con un modelo circulatorio dentro de algún tipo de contenedor, o en otros términos podríamos decir que la agitación es el movimiento inducido de un material de una forma determinada dentro de un recipiente. El objeto de la agitación puede ser incrementar la transferencia de calor en el fluido o incrementar el transporte de materia, es decir, mezclar. (Hauke G; 2004) La agitación se puede llevar a cabo con varios fines; entre estos tenemos: 

Suspensión de partículas sólidas: Es la distribución de un sólido disperso en un fluido. La suspensión de partículas sólidas tiene como objetivos mantener los sólidos en suspensión, conseguir una distribución homogénea y disolver sólidos. Como ejemplos tenemos los procesos de cristalización y las reacciones sólido-líquido con catalizador (Gelmi C; 2006).



Mezclado de líquidos miscibles (ejemplo: alcohol-agua): Es la mezcla de fluidos solubles, que tiene como objetivos generar un equilibrio de gradientes de temperatura y concentración (Gelmi C; 2006).



Dispersión de un gas en un líquido en forma de pequeñas burbujas: Mezcla de un líquido con un gas. Ejemplo: Reacciones gas-líquido, fermentaciones aerobias, etc (Gelmi C; 2006).



Emulsión: Dispersión de un segundo líquido, inmiscible con el primero, para formar una emulsión o suspensión de gotas diminutas, mediante el aumento de la superficie específica de uno de los fluidos (Gelmi C; 2006).



Promoción de la transferencia de calor entre el líquido y un serpentín o encamisado (Gelmi C; 2006).

El éxito de muchas operaciones industriales depende de la eficaz agitación y mezcla de fluidos. 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. (McCabe 1991) La aplicación de la agitación dentro de la industria se realiza con el fin de lograr alcanzar los siguientes objetivos:    

Poner en contacto dos líquidos miscibles Dispersar un gas en el seno de un líquido Poner en contacto o dispersar dos líquidos no miscibles Favorecer la transferencia de calor entre una superficie y un líquido



Mantener en suspensión partículas sólidas en un líquido para obtener uniformidad, favorecer la transferencia de masa (disolución), iniciar una reacción química o estimularla.

1.1.

NÚMEROS ADIMENSIONALES USADOS

1.1.1. Número de Reynolds de agitación El número de reinolds representa la razón entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas. En agitación se presentan tres regímenes de flujo: laminar, transición (10-10.000) y turbulento (Gelmi C; 2006). El número de reinolds se representa mediante la siguiente fórmula:

Donde: = velocidad de rotación [rps] = diámetro del agitador [m] = densidad del fluido [kg/m3] = viscosidad [Pa•s]

1.1.2. Número de potencia (Np) Es proporcional a la relación de la fuerza de rozamiento que actúa sobre una unidad de área del rodete y la fuerza inercial (Gelmi C; 2006).

1.1.3. Número de Froude (Nfr) Es una medida de la relación entre la fuerza inercial y la fuerza gravitacional por unidad de área que actúa sobre un fluido. Es útil en el análisis y escalamientos de estanques sin bafles (Gelmi C; 2006).

1.1.4. Número de mezclado (B) Es la velocidad de rotación (N), multiplicado por el tiempo de mezclado. Define un tiempo de mezclado adimensional (Gelmi C; 2006).

2. EQUIPOS, PARTES Y FUNCIONES Los agitadores son generalmente tanques o recipientes de forma cilíndrica y fondo redondeado (cerrados o abiertos), provistos de un eje vertical con un agitador mecánico accionado por un motor que puede ir conectado a un reductor de velocidad de ser necesario. Las proporciones estos varían ampliamente, dependiendo de la naturaleza del problema de agitación. La altura del líquido es aproximadamente igual al diámetro de los anteriormente mencionados. Estos equipos de agitación pueden traer incorporados también otros accesorios como tubuladuras de entrada y salida, serpentines, encamisados, etc. (McCabe 1991) En la siguiente figura se observa un tanque típico de proceso con agitación.

Figura Nº1: Tanque típico de procesos de agitación (McCabe, 2002)

2.1.

AGITADORES DE RODETE

Los agitadores de rodete se dividen en dos clases: los que generan corrientes paralelas al eje del rodete, y aquellos que generan corrientes en dirección tangencial o radial. Los primeros reciben el nombre de rodetes de flujo axial, y los segundos rodetes de flujo radial. 2.1.1. AGITADORES DE HÉLICE El rodete está constituido por una hélice de dos, tres, o hasta cuatro palas, análoga a la que impulsa a los barcos a tracción mecánica. Los agitadores de hélice trabajan a elevadas velocidades (300-1000 r.p.m.), por lo que crean una

gran turbulencia en la zona próxima al rodete. El flujo que producen es de carácter axial (desplazamiento del líquido en el sentido del eje del rodete) pero junto a las paredes del depósito se hace tangencial, sin embargo, adaptándoles una carcasa o cortacorrientes puede conducirse como más convenga. Son de poco precio, pequeño consumo y gran rendimiento. Se construyen casi siempre en tamaños pequeños, de 1/8 a 5 CV, y son portátiles. Los grandes, hasta 50 CV, son fijos y no se suelen accionar directamente por el motor eléctrico, sino que se unen a éste a través de un reductor de velocidad. Cuando la masa líquida a agitar es muy grande, se disponen varios agitadores de este tipo sujetos al borde del recipiente. Para grandes espesores de líquido se colocan en el eje dos o más rodetes, disponiendo el ángulo de ataque de las palas de manera que el flujo axil que provoca el rodete superior sea ascendente, mientras que el producido por el inferior sea descendente. Su campo de aplicación principal es para líquidos bastante fluidos y para agitar dispersiones de sólidos en líquidos poco viscosos y cuando el contenido en materia sólida es pequeño. (Altamir A; 2002)

Figura N°2: Agitador de hélices (McCabe, 2002)

2.1.2. AGITADORES DE PALETAS Para problemas sencillos, un agitador eficaz está formado por una paleta plana, que gira sobre un eje vertical. Son corrientes los agitadores formados por dos y 3 paletas. Las paletas giran a velocidades bajas o moderadas en el centro del tanque, impulsando al líquido radial y tangencialmente, sin que exista movimiento vertical respecto del agitador, a menos que las paletas estén inclinadas. Las corrientes de líquido que se originan se dirigen hacia la pared del tanque y después siguen hacia arriba o hacia abajo. Las paletas también pueden adaptarse a la forma del fondo del tanque, de tal manera que en su movimiento rascan la superficie o pasan sobre ella con una holgura muy pequeña. Un agitador de este tipo se conoce como agitador de ancla. 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. Los agitadores industriales de paletas giran a una velocidad comprendida entre 20 y 150 rpm. 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 un sexto a un décimo de su longitud. A velocidades muy bajas, un agitador de paletas produce una agitación suave, en un tanque sin placas deflectoras o cortacorrientes, las

cuales son necesarias para velocidades elevadas. De lo contrario el líquido se mueve como un remolino que gira alrededor del tanque, con velocidad elevada pero con poco efecto de mezcla. 2.1.3. AGITADORES DE TURBINA La mayor parte de ellos se asemejan a agitadores de múltiples y cortas paletas, que giran con velocidades elevadas sobre un eje que va montado centralmente dentro del tanque. Las paletas pueden ser rectas o curvas, inclinadas o verticales. El rodete puede ser abierto, semicerrado o cerrado. 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, producen corrientes intensas, que se extienden por todo el tanque y destruyen las masas de líquido estancado. En las proximidades del rodete existe una zona de corrientes rápidas, de alta turbulencia e intensos esfuerzos cortantes. Las corrientes principales son radiales y tangenciales. Las componentes tangenciales dan lugar a vórtices y torbellinos, que se deben evitar por medio de placas deflectoras o un anillo difusor, con el fin de que el rodete sea más eficaz. El agitador de turbina semiabierto, conocido como agitador de disco con aletas, se emplea para dispersar o disolver un gas en un líquido.

Figura N°3: Agitadores de turbinas: (a) turbina de pala recta, (b) turbina de disco, (c) turbina de aspas inclinadas (McCabe, 2002)

2.1.4. CARACTERÍSTICAS MÁS IMPORTANTES DE LOS TIPOS DE RODETES Cada tipo de rodete tiene unas características propias, esto es importante a la hora de escoger el tipo de rodete que incluiremos en nuestros procesos. Las características más importantes de los tipos de rodetes se describen en la tabla N°1.

CARACTERISTICAS

AGITADOR DE HELICE

AGITADOR CON ASPAS INCLINADAS

AGITADOR DE ASPAS PLACAS

AGITADOR DE ASPAS CURVAS

DESCRIPCIÓN











3 álabes (generalmente). Ángulo de inclinación del aspa constante.

FLUJO GENERADO

Axial

RÉGIMEN ALCANZADO VELOCIDAD TANGENCIAL

Turbulento



4-6 palas rectas. Ángulo de inclinación de 45°.

6 palas rectas

3 palas inclinadas.  Palas curvadas hacia atrás en dirección del flujo. Radial/Axial

Radial

3-15 m/s

Axial/Radial (componente radial mayor que con el mezclador de hélice) De transiciónTurbulento 3-15 m/s

3-7 m/s

De transiciónTurbulento 3-8 m/s

VISCOSIDAD DEL MEDIO