TEMA : AGITACIN Y MEZCLA

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APUNTES DE AGITACIN Y MEZCLAIng. M. R. Piris da Motta

Ctedra de Operaciones Ic Facultad de Ciencias Exactas, Qcas. y Naturales

Universidad Nacional de Misiones-UNaMTEMA : AGITACIN Y MEZCLA

1. Introduccin

El xito de muchas operaciones depende de una adecuada agitacin.

AGITACIN ( MEZCLA

Agitacin: Movimiento inducido de un material de una forma determinada dentro de

un recipiente.

Mezcla : Distribucin al azar de dos fases inicialmente separadas.

Ambas se diferencian en la homogeneidad del material obtenido. Esta homogeneidad depende de la naturaleza de los materiales.

2. Objetivos de la Agitacin:

- Poner en contacto dos lquidos miscibles

- Dispersar un gas en el seno de un lquido

- Poner en contacto o dispersar dos lquidos no miscibles

- Favorecer la transferencia de calor entre una superficie y un lquido

- Mantener en suspensin partculas slidas en un lquido para obtener uniformidad,

favorecer la transferencia de masa (disolucin), iniciar una reaccin qumica o

estimularla.

3. Equipos de Agitacin

Los impulsores utilizados se clasifican en dos clases:

- de flujo axial

- de flujo radial

Dicha clasificacin depende del ngulo que forman las aspas o paletas con el plano de rotacin del impulsor.

Tipos:

a) Hlice

b) Paletas

c) Turbinas

Cubren el 95 % de los requerimientos de la agitacin.

Existen subtipos y diseos especiales.

3.1. Hlice de flujo axial

Impulsores con palas con un ngulo ( 90

Usos: Tanques con un V ( 3.8 m3 o Dt ( 1.8 m y Potencia de agitacin ( 3 HP y lquidos poco viscosos. Da ( 45 cm (18 )

Caractersticas de operacin: Flujo axial - alta velocidad (Viscosidad baja).

Dan origen a corrientes persistentes.

Velocidad es funcin del tamao:

- pequeos 1150-1750 rpm (transmisin directa)

- ms grandes 350-420 rpm (motoreductor)

Paso de hlice: d/Da

Paso cuadrado d/Da =1

Tanques altos: sobre un mismo eje se pueden instalar ms de un impulsor girando en la misma direccin o en direcciones opuestas (push-pull).

3.2. Palas o Paletas

Pueden ser de :

- palas verticales (no hay flujo axial - flujo // al eje)

- palas inclinadas ( flujo axial)

Caractersticas de operacin: Flujo radial - velocidades bajas y moderadas (20-150 rpm) . Da ( 0.5 - 0.8 Dt y W = 1/6 a 1/10 L.

Generan corrientes muy suaves y requieren la instalacin de placas deflectoras.

3.3. Turbinas

Caractersticas de operacin : Flujo radial- alta velocidad - palas cortas y numerosas.

Da ( 0.3 a 0.5 Dt . Se usa para un amplio rango de valores. Componentes tangencial induce la formacin de vrtice.

Palas

. rectas . inclinadas

.curvas . verticales

Rodetes

. abiertos

. semi-abiertos (dispersin de gas en un lquido)

. cerrados

4. Modelos de flujos (tipos de flujos)

Es funcin de :

Tipo de impulsor

Caractersticas del fluido

Tamao y Proporciones del tanque, placas deflectoras y Agitador

Instalacin o no de PD

4.1. Componentes de velocidad

vT = velocidad tangencial.

. Lanza las partculas slidas hacia las paredes (por accin

de la FC)

. Responsable de la formacin de vrtice (hay poca

diferencia -gradiente- entre la velocidad del extremo del

impulsor y lquido ).

vA y vR son tiles para los propsitos de la agitacin.

4.2. Flujo Circulatorio

Cuando el eje del agitador es vertical o est instalado centralmente vT es perjudicial para la agitacin provocando la aparicin del FC.

4.2.1. Como prevenir el FC

- tanque pequeo: agitador no centrado

- tanque de mayor tamao: agitador instalado lateralmente

- tanque de mayor tamao: agitador instalado verticalmente- placas deflectoras.

- agitador de turbina con impulsor cerrado o con anillo difusor

4.2.2. Placas Deflectoras

Placas verticales ( a la pared del tanque.

J ( 1/12 Dt Turbinas

J ( 1/8 Dt Hlices

Una vez eliminado el vrtice, el tipo de flujo que tiene lugar en el recipiente depende del tipo de agitador.

- Hlice: fuertes corrientes verticales , til para mantener partculas en suspensin.

No se recomienda para ( > 50 cp

- Paletas : flujo radial- corrientes intensas en las proximidades del impulsor.

No origina corrientes verticales.

- Turbinas: Flujo radial y axial

Para lograr fuertes corrientes verticales se recomienda dar una inclinacin a las palas de 45 .

4.3. Tubos de Aspiracin

Uso: Controlar la velocidad y direccin del flujo de retorno al impulsor o rodete.

Efecto: Intenso esfuerzo cortante en la succin del rodete

Aplicacin:

Dispersin de slidos (flotantes)

Preparacin de emulsiones

4.4. Nmero de Flujo (Nq )

Viene dado por la siguiente relacin:

(1)

- Para hlice marinas (paso cuadrado) Nq = 0.5

- Para turbinas 4 palas - 45 W/Da = 1/6 Nq = 0.57

- Para turbinas 6 palas W/Da= 1/5 Nq = 1.30

Con estas relaciones se calcula el flujo de descarga del extremo del rodete y no el flujo total.

Para el clculo del flujo total se puede utilizar la siguiente relacin

(2)

vlida para 2 ( Dt/Da ( 4

Para Dt/Da = 3 se obtiene q = 2.76 n Da3 que es 2.1 veces el valor para el rodete

5. Consumo de potencia

Un factor importante en el diseo de un sistema de agitacin es la potencia para mover el rodete.

Cuando el flujo en el tanque es turbulento, la potencia requerida puede ser estimada como

P = Veloc. de flujo x Energa cintica/unidad de volumen

(3)

Como V2 ( u 2 y V2 / u 2 = (------( V2 = ( u 2 = ( ( n Da

Por lo que la ecuacin 3 puede ser escrita como

que agrupando las constantes queda

(4)

que puede ser escrita en forma adimensional como

(5)

Siendo Np = Nmero de potencia

Para una turbina estndar Nq= 1.3 y tomando (=0.9 ---( Np= 5.2

5.1. Correlaciones de potencia

Para conocer la potencia requerida para accionar un rodete que gira a una velocidad n se utilizan Correlaciones Empricas que vinculan la P o Np con las variables del sistema.

La forma general de estas correlaciones pueden ser obtenida mediante el anlisis dimensional.

Las magnitudes que intervienen son :

Variables relacionadas con el lquido : ( y (Variables relacionadas con el sistema : Da , n y Si

Se incluyen adems: g (formacin de vrtice) y gc (se aplica la ley de Newton)

Las dimensiones lineales del sistema pueden convertirse en magnitudes adimensionales (factores de forma) dividindolas por una de ellas tomada como base (Ej. Da).

As S1 = Da/Dt S2 = E/Da S3= L/Da S4 = W/Da S5 = J/Dt S6 = H/Dt (6)

Dos sistemas son geomtricamente semejantes cuando tienen ( tamaos , pero idnticos Si (factores de forma).

Sin considerar los Si, la P ser funcin de:

Aplicando el anlisis dimensional resulta :

(7)

que incluyendo los Si puede ser escrita como :

(8)

5.1.1. Correlaciones de potencia para impulsores especficos

Estas correlaciones corresponden a valores especficos de los factores de forma definidos en las ecuaciones (6), del tipo y disposicin del equipo, debiendo especificarse tambin el n de palas de rodete y el n de placas deflectoras.

Las correlaciones de potencia de la Fig. 9.13 corresponden a una turbina de 6 palas, instalado centralmente, con valores variables de S4 = W/Da .

El anlisis de este grfico permite apreciar que :

Tanques con PD hay > consumo de potencia

Tanques sin PD

. NRe < 300 las curvas son paralelas y casi coincidentes (con y sin PD)

. NRe > 300 las curvas para ( Si divergen . Hay que incluir en el clculo

de P el NFr debido a la formacin de vortice.

La expresin (8) toma la forma:

(9)

donde y los valores de a y b se obtienen de la tabla 9.1. (Mc Cabe).

En la Fig. 9.14 se presenta la correlaciones de potencia para un agitador de hlice instalado centralmente en tanques con y sin placas deflectoras.

Para todos las porciones de curvas sin placas deflectoras, el valor de Np obtenido hay que multiplicarlo por NFrm .

6. Efecto de la geometra del sistema

Los efectos de los Si sobre Np son algunas veces muy pequeos y otras veces importantes.

Muchas veces el efecto de un factor de forma depende del valor que adopta otro factor de forma. (Ej. el efecto de S 1 depende de S 4 o S 5).

Para el caso de turbinas de palas planas que opera a NRe elevados el efecto de la geometra del sistema puede resumirse como sigue:

1) S 1 = Da/Dt S 1( Np ( pocas placas de ancho pequeo

Np ( muchas placas de buen ancho

2) S 2 = E/Da S 2( Np ( turbina de disco

Np ( turbina c/ palas inclinadas

Np ( turbina de palas rectas

3) S 4 = W/Da turbinas de palas rectas f( n de palas)

S 4( Np ( ( S 4 (turbina de 6 palas)

Np ( ( S 41.25 (turbina de 4 palas)

4) Dos agitadores de turbina situados sobre el mismo eje consumen una potencia que es :

si a = Da P=1.9 veces P para un nico agitador

a si a < Da P = 2.4 veces P para un nico agitador

5) La influencia de la forma del tanque es de poca importancia

6) La inclinacin de las palas

. palas inclinadas < potencia que uno de palas rectas

. inclinacin de palas de 45 Np es 0.4 Np con palas rectas

7. Clculo del consumo de potencia

La potencia suministrada al lquido se calcula a partir de la expresin general:

(10)

donde ( es la Funcin de Potencia

_990285833.unknown

_990334665.unknown

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_1303070546.unknown

_990336227.unknown

_990339168.unknown

_990336064.unknown

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_990289884.unknown

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_990283470.unknown