Experimentación con agitación industrial Área de Mecánica de Fluidos Centro Politécnico Superior Universidad de Zaragoza Prof. Guillermo Hauke Técnico Especialista Pedro Vidal Prof. Javier Blasco 1. INTRODUCCION El proceso de agitación es uno de los más importantes dentro de la industria química 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. Así, hasta el momento, no existen correlaciones generales para configuraciones arbitrarias de agitación que describan cantidades útiles como la velocidad de mezcla o el grado de homogeneidad alcanzada. Otra de las dificultades que aparece a la hora de caracterizar la mezcla y agitación es la gran cantidad de sustancias (líquidos y sólidos) que se pueden encontrar en la industria química. Por tanto, el diseño y la optimización de agitadores están confiados en gran medida, a la experimentación. Se debe distinguir entre agitación y mezcla. Agitación se puede definir como el movimiento circulatorio inducido a un fluido dentro de un contenedor, fundamentalmente de fonna circular y provocando vértices. El objeto de la agitación puede ser incrementar la transferencia de calor en el fluido o incrementar el transporte de materia, es decir, mezclar. En contraste con la agitación, mezclar es obtener una distribución espacialmente homogénea de dos o más fases inicialmente separadas. Aquí, una de las fases ha de ser un fluido, mientras que la otra puede ser algo tan variado como otro fluido, partículas sólidas o burbujas. En la práctica, el diseño de la agitación ha de atender a dos factores: el grado de homogeneidad y el tiempo de mezcla. Dado que el resultado de la mezcla nunca es perfecto, el grado de homogeneidad se hace depender de la calidad deseada en el producto final. Finalmente, la potencia requerida en la agitación depende de estos dos factores, así como del rendimiento. La homogeneidad de una mezcla con partículas sólidas puede caracterizarse mediante el se calcula como: porcentaje de suspensión de sólidos, que se calcula como

Porcentaje de suspensión de sólidos en el punto

*100Porcentaje de suspensión de sólidos en el tanque

El grado de homogeneidad también se puede caracterizar mediante la altura de suspensión, esto es, la altura del líquido en el tanque a la que se suspenden los sólidos. El esquema de un agitador típico puede observarse en la figura inferior. Generalmente, el tanque de agitación es un recipiente circular, que puede estar cerrado o abierto en su parte superior. Para evitar zonas con bajas velocidades, las esquinas se eliminan empleando un fondo circular. Para

aumentar la eficiencia del mezclado, se pueden instalar unos deflectores en la pared del tanque; así s7e evita que el fluido gire como un sólido rígido y se aumenta la vorticidad.

El rodete o hélice suele estar acoplado a un eje aproximadamente vertical. La excentricidad e inclinación de este eje se pueden variar para lograr rendimientos mayores.

Se utilizan tres tipos de rodete: § De palas planas, de gran tamaño (50-80% el diámetro del tanque) y con velocidad de trabajo

entre 20-150 rprm § Turbinas, de menor diámetro (30-50% el diámetro del tanque) y mayor velocidad de giro. § Hélices, cuya misión es enviar fundamentalmente el flujo en dirección axial.

El rodete impone un movimiento al fluido en las tres direcciones del espacio: axial, radial y tangencial. La mezcla originada puede clasificarse de cuatro tipos: § Suspensión prácticamente completa con fileteado

§ Suspensión con movimiento completo de partículas § Suspensión completa o suspensión fuera del fondo § Suspensión uniforme

Un número muy importante para caracterizar los tanques de agitación es el número adimensional de potencia,

3 5rodete

*P

PN Dρ

=

donde ρ es la densidad del fluido, N son las revoluciones del eje y P la potencia suministrada. 2. DESCRIPCION DE LA INSTALACION El equipo de agitación se compone de un tanque cilíndrico transparente de metacrilato. El tanque dispone de varias salidas laterales controladas mediante sendas válvulas para extraer muestras de la mezcla a diferentes alturas. El eje, en disposición vertical concéntrica, está accionado por un motor de velocidad regulable mediante un potenciómetro. El eje, que termina en un cono apoyado sobre un soporte, es desmontable. Sobre este eje, se instala el rodete, que a su vez es intercambiable. La instalación también dispone de un foco halógeno para facilitar la visualización. Su interruptor se localiza en la esquina de la pared izquierda. 3. REALIZACION DE LA PRACTICA Para la realización de la práctica es necesario partículas de polietileno, un líquido azul (que resulta de usar agente valorante químico azul de bromotimol), un metro, un cronómetro y un tamiz. 3.1. Familiarización con la instalación Eche un vistazo a la instalación e identifique los diferentes elementos que la componen (mandos, motor, eje, hélice, focos, etc.). Conecte el foco halógeno y el motor. Observe el flujo. Modifique las revoluciones. Realice un croquis del flujo dentro del agitador. 3.2. Análisis de la suspensión Para esta experiencia de suspensión, se van a tomar como partículas sólidas trozos de polietileno rojo. Se trata de un sólido menos denso que el agua y por tanto, tiende a flotar. Verter el polietileno en el tanque de agitación. Observar cómo se crea el vórtice y la zona de suspensión. Para tres velocidades de rotación, medir la altura de suspensión H con respecto de la superficie libre y la potencia que indica el vatímetro. Asimismo, calcular la potencia adimensional P*.

3.3. Tiempo de mezcla Se va a realizar un estudio del tiempo de mezcla en función de la potencia de agitación. A tal efecto, para cada una de las revoluciones del eje, una vez alcanzado el estado estacionario se verterán de forma súbita 6 ml de agente valorante químico azul de bromotimol y se cronometrará el tiempo que tarda el agitador en uniformizar el color del sistema. Repetir estas medidas para varias velocidades de giro. ANEXO I Se puede encontrar más información sobre agitación en la siguiente dirección: http://www.unizar.es/dctmf/jblasco/AFTAgitacion/index.htm Preguntas Conteste a las siguientes preguntas (la puntuación de cada pregunta se indica entre paréntesis en forma de porcentaje):

1- Realice un croquis del flujo originado por la hélice en movimiento para varias velocidades de giro (10%).

2- Presentar en forma de tabla y gráficas los valores de potencia, altura de suspensión y potencia adimensional para cada velocidad de rotación. Comentar los resultados. Representar la gráfica 2.1 del Anexo I con los resultados medidos y comentarla. ¿Existe dependencia del número adimensional de potencia respecto al número de Froude? (30%)

3- Mostrar los resultados del tiempo de mezcla y comentarlos. Representar la gráfica 2.2 del Anexo I con los datos de los experimentos y comentarla. (30%)

4- A la vista de los resultados anteriores, ¿existe una potencia óptima de mezclado? ¿Qué fenómenos impiden que se obtenga una buena mezcla? ¿Qué mejoras podrían introducirse en el agitador para producir una mejor mezcla? (10%)

5- Busque en internet información sobre agitadores y presente un breve resumen sobre lo que ha encontrado (máximo 1 hoja) (20%)