Agitacion_y_mezcla_de_liquidos_operacion.pdf

07-08-2017

AGITACIÓN Y MEZCLA DE LÍQUIDOS OPERACIONES UNITARIAS II MARTHA CLAROS

CONTENIDO • APARATOS DE AGITACIÓN • MEZCLA DE LÍQUIDOS MISCIBLES • SUSPENSIÓN DE PARTÍCULAS SÓLIDAS

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AGITACIÓN V/S MEZCLA AGITACIÓN

MEZCLA

• Movimiento inducido de un material en una manera específica, normalmente circular dentro un contenedor

• Distribución aleatoria, dentro y a través una de otra, de dos o más fases inicialmente separadas

Ejemplo: Se puede agitar un tanque con agua fría, pero no se puede mezclar hasta que se añada otra sustancia

PROPÓSITOS DE LA AGITACIÓN • Promover la transferencia de masa • Mezclado de líquidos miscibles, p.Ej. H2O + alcohol • Suspensión de partículas sólidas , p. Ej. Lixiviación por agitación • Dispersión de un gas a través de un líquido en forma de burbujas, p.Ej. Separación de aceite del agua • Dispersión de un líquido inmiscible, para formar gotas o suspensión, p.Ej. Extractante con PLS • Disolución de un sólido en un líquido, p.Ej. Sal + H2O

• Promover la transferencia de calor • Incrementa el área • Incrementa el flujo másico, p.Ej. Calentamiento o enfriamiento de una solución

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1. APARATOS DE AGITACIÓN • Tanque de agitación • Consiste en un recipiente o tanque, de forma cilíndrica y provisto de un eje vertical. • Las proporciones varían dependiendo de la naturaleza de agitación • La altura del líquido es aprox. Igual al diámetro del tanque • El fondo del tanque es redondeado, no plano, para evitar las esquinas donde no penetrarían las corrientes de fluido

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• Tiene un agitador instalado sobre un eje suspendido • El agitador es la parte más importante, está accionado por un motor • Muchas veces se añaden deflectores para mejorar la mezcla • Puede tener otros accesorios: • Líneas de entrada y salida • Sensores de temperatura • Serpentines • Indicadores de nivel, etc.

PATRONES DE FLUJO • Los que generan corrientes paralelas al eje del impulsor, impulsores de flujo axial • Los que generan corrientes en dirección radial, impulsores de flujo radial

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TIPOS DE AGITADORES • LOS PRINCIPALES TIPOS DE AGITADORES SON: • HÉLICES (PROPULSORES) • TURBINAS • PALETAS • DE CINTA HELICOIDAL

AGITADORES TIPO HÉLICE • Es un agitador de flujo axial y alta velocidad • Se utiliza para líquidos de baja viscosidad • Las hélices pequeñas giran con la misma velocidad del motor de1150 rpm a 1750 rpm • Las hélices grandes giran de 400 a 800 rpm • Son eficaces en tanques muy grandes, debido a la persistencia de las corrientes de flujo

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AGITADORES TIPO TURBINAS • Están constituidos por un componente impulsor con más de cuatro hojas, montadas sobre el mismo elemento y fijas a un eje rotatorio • Las corrientes que genera se desplazan hacia afuera hasta la pared del tanque y entonces fluyen hacia arriba o hacia abajo • Se utilizan a altas velocidades con una gran variedad de viscosidades • El diámetro de la turbina es normalmente entre 30 y 50% el diámetro del tanque • Por lo general tienen 4 – 6 paletas

AGITADORES DE PALETAS O PALA • Consiste en una hoja plana sujeta a un eje rotatorio • Flujo radial grande en el plano de la pala y gran componente rotacional • Son agitadores de baja velocidad, entre 20 a 200 rpm • La longitud del impeler es usualmente 60 – 80% del diámetro del tanque y el ancho de la pala desde 1/6 a1/10 de su longitud • A bajas velocidad se obtiene agitaciones suaves • Es más adecuado para pastas de almidón, Pintura, adhesivo y cosméticos

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AGITADOR DE CINTA HELICOIDAL • Este tipo de agitadores se utilizan para soluciones altamente viscosas y opera a bajas rpm en la región laminar. La cinta se forma de manera helicoidal y está pegada al eje central • 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

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VELOCIDAD DEL FLUIDO EN UN PUNTO DEL TANQUE • Tiene tres componentes: 1ra componente es radial y actúa en forma radial al eje 2da componente: longitudinal y actúa en forma paralela al eje 3ra componente: tangencial o rotacional y actúa en dirección tangencial a la trayectoria circular descrita por el rodete

• Las componentes radial y longitudinal hacen que se produzca la mezcla • La componente tangencial generalmente es perjudicial para la mezcla y el vórtice en la superficie de líquido

PATRONES DE FLUJO EN AGITACIÓN • Depende de las propiedades del fluido, la geometría del tanque, los tipos de bafles en el tanque y del mismo agitador • Si un agitador tipo hélice se monta verticalmente en el centro del tanque sin bafles, se crea un patrón de flujo tipo remolino – no deseable por la cantidad excesiva de aire atrapado, desarrollo de un gran vórtice, especialmente a altas velocidades

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PREVENCIÓN DEL VÓRTICE (REMOLINOS) • Hay tres métodos para evitar el vórtice: 1. Disponer el impulsor separado del centro del tanque: en tanques pequeños se debe colocar el impulsor separado del centro del tanque de tal manera que el eje del agitador no coincida con el eje central del tanque.

PREVENCIÓN DEL VÓRTICE (REMOLINOS) 2. En tanques más grandes el agitador puede instalarse de forma lateral, con el eje en un plano horizontal, pero no en la dirección del radio

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PREVENCIÓN DEL VÓRTICE (REMOLINOS) 3. Instalación de bafles o deflectores, que impiden el flujo rotacional sin interferir con el flujo radial o longitudinal: Son placas verticales perpendiculares a la pared del tanque. En tanques pequeños son suficiente 4 placas deflectoras, para evitar remolinos y formación de vórtice. El ancho de las placas no debe ser mayor que un doceavo del hélice, el ancho de la placa puede ser un octavo del diámetro del tanque.

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PARÁMETROS FÍSICOS IMPORTANTES • Las variables que pueden ser controladas y que tienen mayor influencia son: • Dimensiones principales del tanque y del rodete (agitador):  Diámetro del tanque (dt)  Diámetro del agitador (da)  Altura del líquido (H)  Ancho de la placa deflectora (J)  Distancia del fondo del tanque hasta el agitador (E)  Dimensiones de las paletas

• Viscosidad (ρ) y densidad (µ) del fluido • Velocidad de giro del agitador (N) • N° de revoluciones (n)

DISEÑO “ESTÁNDAR” DE TURBINA

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MEZCLA DE LÍQUIDOS MISCIBLES • Es un proceso relativamente corto en propulsores (hélices), turbinas o impulsor de alta eficiencia, generalmente colocados en el centro, en grandes tanques de almacenamiento y tratamiento de desechos por propulsores de entrada lateral o mezcladores de chorro. • El impulsor produce una corriente de alta velocidad y el fluido se mezcla con rapidez en la región próxima al impulsor debido a la intensa turbulencia. • A medida que la corriente se modera, arrastrando otro líquido y fluyendo a lo largo de la pared hay mezcla radial, debido a que los grandes remolinos se rompen en otros más pequeños. • El fluido completa un lazo de circulación y retorna a la entrada del impulsor, donde ocurre de nuevo una mezcla vigorosa. • Los cálculos muestran que debería llegarse a una mezcla prácticamente completa (99%) si el contenido circula 5 veces . • Tiempo de mezclado se puede predecir a partir de correlaciones.

MEZCLA EN TANQUES DE PROCESO • El impulsor en un tanque de proceso produce una corriente de alta velocidad y el fluido se mezcla con rapidez en la región próxima al impulsor (agitador) debido a la intensa turbulencia • En la figura se ve una correlación del tiempo de mezclado para el régimen turbulento y un factor de correlación para bajos número de reynolds. • El factor adimensional de mezclado (ft) esta definido por:

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• Donde tt , es el tiempo de mezcla en segundos

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SUSPENSIÓN DE PARTÍCULAS SÓLIDAS • LAS SUSPENSIONES SON MEZCLAS HETEROGÉNEAS FORMADAS POR UNA FASE SÓLIDA Y UNA FASE LÍQUIDA • LAS PARTÍCULAS SE SUSPENDEN EN LÍQUIDOS PARA: • PRODUCIR UNA MEZCLA HOMOGÉNEA • DISOLVER SÓLIDOS • CATALIZAR UNA REACCIÓN QUÍMICA • PROMOVER LA CRISTALIZACIÓN EN UNA SOLUCIÓN SOBRESATURADA

GRADOS DE SUSPENSIÓN • Cuando los sólidos están suspendidos en un tanque agitado, hay diferentes formas para definir la condición de suspensión:  Suspensión prácticamente completa con fileteado. La mayor parte del sólido está suspendido en el líquido, con un porcentaje de sólidos estacionarios en la periferia exterior del fondo o de otras partes del tanque. No deseable en cristalización y reacciones químicas.  Movimiento completo de partículas. Todas las partículas están suspendidas o se mueven a lo largo del fondo del tanque. Las que están al fondo del tanque tienen un coeficiente de transferencia de masa mucho menor que las partículas suspendidas, afecta al funcionamiento.  Suspensión completa o completa fuera del fondo. Todas las partículas están suspendidas fuera del fondo del tanque o bien no permanecen sobre el fondo más de segundos. Habrá gradiente de concentración de sólidos y puede existir regiones de líquido sin sólidos cerca a la parte superior del tanque. Tendrá poco efecto en el funcionamiento.  Suspensión uniforme. Para velocidades del agitador considerablemente superiores a las que requiere para suspensión completa, no hay líquido sin sólidos y la suspensión se hace uniforme. Todavía puede haber gradientes verticales de concentración, en especial si los sólidos tienen una amplia distribución de tamaños.

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CÁLCULO DE POTENCIA • La potencia requerida para un sistema dado no se puede predecir teóricamente, se han desarrollado correlaciones empíricas. • La presencia o ausencia de turbulencia se puede correlacionar con el número de Reynolds (Nre) • El número de potencia (Np) está relacionado a la densidad del fluido, la viscosidad la velocidad rotacional y el diámetro del agitador. • Se tiene gráficas que relacionan ambos números

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EXPRESIONES PARA HALLAR LA POTENCIA CONSUMIDA

EXPRESIONES PARA HALLAR LA POTENCIA CONSUMIDA

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CORRELACIONES DE POTENCIA PARA VARIOS AGITADORES Y DEFLECTORES • CURVA 1. TURBINA CON SEIS PALETAS PLANAS CON DISCO; D A /W = 5; CUATRO DEFLECTORES CADA UNO D T /J = 12 • CURVA 2. TURBINA ABIERTA CON SEIS PALETAS PLANAS, D A /W = 8; CUATRO DEFLECTORES CADA D T /J = 12 • CURVA 3. TURBINA ABIERTA DE SEIS PALETAS (PALETAS INCLINADAS) A 45°; D A /W = 8; CUATRO DEFLECTORES CADA D T /J = 12 • CURVA 4. HÉLICE; INCLINACIÓN = D A ; CUATRO DEFLECTORES CADA D T /J = 10, TAMBIÉN PARA LA MISMA HÉLICE EN POSICIÓN ANGULAR DESCENTRADA SIN DEFLECTORES • CURVA 5. HÉLICE; INCLINACIÓN = D A ; CUATRO DEFLECTORES CADA D T /J = 10; TAMBIÉN PARA LA MISMA HÉLICE EN POSICIÓN ANGULAR DESCENTRADA SIN DEFLECTORES • CURVA 6. PROPULSOR DE ALTA EFICIENCIA, CUATRO DEFLECTORES CADA D T /J = 12 Geankoplis, Procesos de transporte y operaciones unitarias

EJEMPLO • Un agitador de turbina de 6 paletas planas se instala en un tanque estándar. El tanque tiene un diámetro Dt = 1.83 m, el diámetro de la turbina Da = 0.61m, Dt = H, y el ancho de la turbina W es 0.122 m. El tanque contiene 4 deflectores cada uno con un ancho de 0.15 m (J). La turbina se opera a 90 rpm y el líquido en el tanque tiene una viscosidad de 10 cp y una densidad de 929 kg/m3 a) Calcular kw requerido del mezclador b) Para las mismas condiciones excepto que la solución tiene una viscosidad de 100000cp, calcular kw

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Datos Dt = 1.83 m, Dt = H Da = 0.61m W = 0.122 m J = 0.15 m 90 rpm µ = 10 cp Ρ = 929 kg/m3 4 deflectores 6 paletas planas

• CURVA 1. TURBINA CON SEIS PALETAS PLANAS CON DISCO; D A /W = 5; CUATRO DEFLECTORES CADA UNO D T /J = 12 • CURVA 2. TURBINA ABIERTA CON SEIS PALETAS PLANAS, D A /W = 8; CUATRO DEFLECTORES CADA D T /J = 12 • CURVA 3. TURBINA ABIERTA DE SEIS PALETAS (PALETAS INCLINADAS) A 45°; D A /W = 8; CUATRO DEFLECTORES CADA D T /J = 12 • CURVA 4. HÉLICE; INCLINACIÓN = D A ; CUATRO DEFLECTORES CADA D T /J = 10, TAMBIÉN PARA LA MISMA HÉLICE EN POSICIÓN ANGULAR DESCENTRADA SIN DEFLECTORES • CURVA 5. HÉLICE; INCLINACIÓN = D A ; CUATRO DEFLECTORES CADA D T /J = 10; TAMBIÉN PARA LA MISMA HÉLICE EN POSICIÓN ANGULAR DESCENTRADA SIN DEFLECTORES

D a /W = 0.61/0.122 = 5 D t/J = 1.83/ 0.15 = 12 6 paletas planas 4 deflectores

• CURVA 6. PROPULSOR DE ALTA EFICIENCIA, CUATRO DEFLECTORES CADA D T /J = 12

Geankoplis, Procesos de transporte y operaciones unitarias

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Resultados a) P = 1.324 kW b) P = 3.707 kW

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EJERCICIO • Se desea agitar un líquido que tiene una viscosidad de 1.5x10 -3 Pa*s y densidad de 969 kg/m3 en un tanque de 0.91m de diámetro. El agitador será una turbina abierta de seis aspas con un diámetro de 0.305 m y un ancho de 0.0381m, que opera a 180 rpm. El tanque tiene cuatro deflectores verticales, todos ellos con un ancho J de 0.076m. Calcular los kilowatts necesarios. Ver la curva 2 de la figura.

EJEMPLO – TIEMPO DE AGITACIÓN • Un tanque agitado de 1.83 m de diámetro contiene una turbina de seis palas rectas de 0.61m de diámetro, situada a un diámetro del impulsor por encima del fondo del tanque y que gira a 80rpm. Se ha propuesto este tanque para neutralizar una solución acuosa diluida de naoh a 70 °F con una cantidad estequiométricamente equivalente de ácido nítrico (HNO3). La altura final del líquido en el tanque será 1.83m. Suponiendo que todo el ácido se añade al tanque de una vez ¿cuánto tiempo se requiere para que la neutralización sea completa? • Densidad = 997.95 kg/m3 • Viscosidad = 0.982 cp

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