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El proceso de agitación es uno de los más importantes en la ingeniería de procesos químicos porque el éxito de muchas operaciones industriales depende de una agitación y mezcla eficaz. Sin embargo, debido a la complejidad de los fenómenos de transporte involucrados, es uno de los procesos más difíci...

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Determinación y estudio de la potencia en el mezclado de líquidos en tanques de agitado utilizando distintas geometrías de agitadores. De la Vega Karla, Grimaldo Carreón Fernando, Hernández Camacho Missael, Ramírez Castillo Jesús Laboratorio de Mecánica de Fluidos, Departamento de Ingeniería de Procesos e Hidráulica, Licenciatura en Ingeniería Química Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Iztapalapa

Resumen En esta práctica se obtuvo la curva de potencia de un tanque agitado con bafle y sin bafle, utilizando 4 tipos de agitadores y glicerina como fluido de trabajo. Esto nos permitió saber que en los tanques de agitado, sin importar el tipo de impulsor, los números de potencia coinciden en la región laminar y que, después de esta, existe un punto de bifurcación.

Introducción El proceso de agitación es uno de los más importantes en la ingeniería de procesos químicos porque el éxito de muchas operaciones industriales depende de una agitación y mezcla eficaz. Sin embargo, debido a la complejidad de los fenómenos de transporte involucrados, es uno de los procesos más difíciles de analizar y caracterizar. [Martínez, 2006, p.19] La agitación se refiere principalmente al movimiento que se genera en un material de una manera específica, principalmente con un equipo que genera movimiento circulatorio dentro de algún tipo de contenedor o estanque el cual puede ser cerrado o abierto. La mezcla consiste en la homogenización al azar de dos o más materiales que en un inicio se encontraban separados. [Castillo, et al., 2013]

Figura 1. Esquema de un tanque agitado. Imagen de biorreactores.tripod.com

Los tanques de agitación y los impulsores han sido producidos históricamente de varios tipos y tamaños. Sin embargo, en el período comprendido desde finales de los años 40 hasta principios de los 60, se definió una configuración geométrica estándar para los equipos de agitación en sistemas monofásicos turbulentos con dos impulsores diferentes: el impulsor de cuatro paletas inclinadas para los sistemas de flujo axial y la turbina de disco con seis paletas planas para los sistemas de agitación de flujo radial. Esta configuración se desarrolló

a partir de los estudios de consumo de potencia desarrollado por Rushton, y debe ser considerada como una configuración geométrica de referencia para comenzar cualquier estudio de agitación o mezclado en flujos turbulentos. [Rushton, et al., 1950] No obstante, la mejor configuración geométrica depende del proceso a llevar a cabo, o sea, que la configuración geométrica estándar no es óptima para todos los tipos de procesos que puedan realizarse en un tanque agitado. [García, et al., 2006]. El tanque agitado consiste en un recipiente cilíndrico ya sea cerrado o abierto, agitador mecánico, montado en un eje y accionado por un motor eléctrico. Las proporciones del tanque varían ampliamente la naturaleza del problema de agitación. El fondo del tanque debe ser redondeado, con el fin de eliminar los bordes rectos o regiones en las cuales no penetrarían las corrientes del fluido. [Figura 1] El consumo de potencia de un fluido durante el proceso de agitación, es la disipación de la energía mecánica proveniente del agitador en el fluido por medio de la fricción entre las capas del fluido. [Tatterson, 1991]

Hipótesis El número de potencia depende de las configuraciones geométricas y del número de Reynolds.

Objetivo general Determinar las curvas de potencia de un tanque agitado con y sin bafles, considerando diferentes geometrías de agitadores. Objetivos específicos Medir la viscosidad y densidad del fluido de trabajo a 20°C.

Metodología experimental Materiales y experimentación Se empleó glicerina a 20 °C como fluido de experimentación a la cual se le midió su viscosidad con un viscosímetro Brookfield y su densidad de 0.22 Pa•s y de 1200 Kg/ m 3 , respectivamente. Después, se prosiguió al montaje del equipo de agitación marca ColeParmer Servo-Dyne modelo SS56, así como de un vaso de precipitado de 5L utilizado como tanque con sus bafles correspondientes, con los cuales se trabajó los rpm del equipo en un rango de (150, 650). Los tipos de agitadores son: Rushton D=0.075 m, tipo marina D=0.068 m, Caras planas D=0.075 m, caras curvas (tipo helicoidales) D=0.076 m, diámetro interno del tanque T=0.15 m, altura del fluido Z=0.15 m, altura a la mitad del agitador C=0.075 m.

Relaciones de diámetro C =1 D Z =1 T D 1 = T 2 C es la altura del punto de referencia a ½ el del agitador, D el diámetro del agitador, T diámetro interno del tanque, Z la altura del fluido.

Tratamiento de datos La potencia introducida a un sistema de mezclado de líquidos por medio de un agitador depende de su velocidad de rotación, la configuración del mezclador y las propiedades físicas de la mezcla. Por medio de un análisis dimensional se pueden relacionar estos parámetros a la potencia requerida. Si las dimensiones, tales como la profundidad del líquido en el tanque, el diámetro del tanque y posición de los bafles se encuentran en una relación geométrica con el diámetro del impulsor, entonces el suministro de potencia al agitador puede expresarse a través de la siguiente ecuación: Np=C ( ℜ )x ( Fr ) y

Np=

P D N3 ρ 5

(1)

Es el número de potencia adimensional,

Reynolds y Fr=

v2 gl

ℜ=

N D2 ρ μ

es el número de

el número de Froude. Donde P=τω es la potencia ,

N=rps la velocidad de rotación , ω=2 πN la velocidad angular , τ el torque El Re representa la relación de la fuerza aplicada a las fuerzas viscosas de resistencia. El Fr representa la relación de las fuerzas aplicadas a las fuerzas gravitacionales. Como la formación de un vórtice es debido a fuerzas gravitacionales, si se suprime el vértice el Fr puede ignorarse. El Fr puede despreciarse; 1) en sistemas con bafles; y 2) cuando el Re< 300. Por lo que la ecuación (1) queda como: Np=C ( ℜ )

x

(2)

Si el tratamiento de datos se efectúa en coordenadas logarítmicas la curva de potencia puede ser tratada solo con la ecuación (1) y El número de Reynolds (Re). •Régimen laminar: Re ≤ 102

•Régimen transitorio:

10

2

103

Resultados Las siguientes gráficas muestran las curvas de potencia de un tanque agitado con y sin bafles utilizando 4 tipos de agitadores, las cuales muestran el punto de bifurcación con una flecha.

Figura 2. Curva de potencia con agitador Rushton, con bafle y sin bafle.

Figura 3. Curva de potencia utilizando agitador Marina donde se puede observar que no hay punto de bifurcación.

Figura 4. Curva de potencia utilizando agitador de caras planas.

Figura 5. Curva de potencia utilizando agitador de caras tipo helicoidales.

Análisis de resultados En la figura 2 el punto correspondiente a un Reynolds de 76.7 en la curva de potencia con bafle y agitador Rushtom no coincide con el punto al mismo número de Reynolds pero con bafle antes de la bifurcación, esto puede ser debido a una falla en la obtención de datos al momento de la experimentación. Por otro lado, la curva de potencia con agitador tipo marina y con bafle en el tanque, coincide en todo punto con la de sin bafle, es decir, no existe bifurcación, esto puede ser debido a la dirección de movimiento del agitador.

Así, en los otros dos casos con agitadores caras planas y caras curvas (tipo helicoidales) se puede notar el punto de bifurcación, el cual es debido a una interacción entre el impulsor y los bafles, es decir, a mayor Re el flujo radial más intenso sale del impulsor y alcanza la región de la pared periférica. Los bafles suelen estar presentes en la pared periférica del recipiente con el propósito de convertir el flujo radial y tangencial en flujo axial, mejorando así la mezcla. [Oldshue, 1983; Ammar et al., 2011]. El número de potencia es similar en bajos números de Reynolds, sin embargo, se presenta una bifurcación en números de Reynolds cercanos a 100 [Rushton et al., 1950; Furukawa et al., 2012; Driss et al., 2012] También, se puede notar que los requerimientos de potencia son menores en un tanque sin bafle que en un tanque con bafle, pues estos son más comunes en tanques a escala como los de un laboratorio. [Tezura et al.,2007; Tamburini et al., 2011]

Conclusiones Con base en la literatura, entonces, podemos confirmar que la bifurcación se produce en números cercanos a un Re de aproximadamente 100 y 150 donde el régimen es laminar a flujo transitorio. Independientemente de la geometría del impulsor, en tanques con bafle y sin bafle, los números de potencia Np coinciden en bajos Re en la región laminar.

Referencias Castillo, et al., 2013 Martínez, 2006, p.19 Rushton, et al., 1950 García, et al., 2006 Tatterson, 1991 Oldshue, 1983; Ammar et al., 2011 Rushton et al., 1950; Furukawa et al., 2012; Driss et al., 2012 Tezura et al.,2007; Tamburini et al., 2011 Optimización del mezclado y la homogeneización en reactores anóxicos de EDAR mediante agitadores sumergibles, trabajo de grado, Enric Barreda Fabregat, Universitat Jaume I. Hidrodinámica en tanques agitados con turbinas de dicso con paletas planas, D. GarcíaCortéz, U. Jáuregui Haza, Habana, cuba, 2006.

Direct numerical simulations of creeping to early turbulent flow in unbaffled and baffled stirred tanks, A. Tamburini et al. 2018...