Agitación y mezcla de fluidos

MATERIAL DIDÁCTICO

Enero 2017

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLAN

PROYECTO PIAPIME ID: 2.13.19.16

Agitación y mezclado

Aunque la agitación y el mezclado se

encuentran interrelacionados, desde el

punto de vista técnico se establece que la

principal diferencia entre ambas es que la

definición de agitación recae en el

consumo de potencia (Griskey, 2002).

Dentro de las operaciones más

comunes en el procesado de

alimentos se encuentran la agitación y

mezcla de sistemas fluidos.

Mezclado

El mezclado es una operación unitaria en la cual se

forma una combinación uniforme de dos o más

componentes (Brennan, 2006).

En adición a la mezcla de componentes la operación de mezclado

conlleva otros cambios deseables en los materiales, tales como la

promoción de la transferencia de calor, facilitar reacciones químicas

o biológicas, el trabajo mecánico.

Implica partir de dos fases individuales y

lograr que ambas fases se distribuyan al

azar entre sí (Geankoplis, 2006).

Clasificación de los procesos de mezclado (Oldshue, 2014)

Procesamiento físico

(aplicaciones que dependen de algún tipo

de uniformidad)

Clasificación básica

Procesamiento químico (aplicaciones que

requieren de algún tipo de transferencia de

masa o reacción química)

Suspensión Líquido-Sólido Disolución

Dispersión Líquido-Gas Absorción

Emulsión Líquido-Líquido (inmiscbles)

Extracción

Mezcla Líquido-Líquido (miscibles)

Reacciones

Bombeo Movimiento de fluido Transferencia de calor

Agitación

La agitación se refiere a forzar un fluido por medios mecánicos para que adquiera un movimiento circulatorio en el interior de un recipiente (Geankoplis, 2006).

https://www.ecured.cu/images/thumb/0/04/Agitador.jpg

Aplicación en alimentos

Líquidos de baja viscosidad:

preparación de salmueras y jarabes,

bebidas a base de extractos de frutas,

mezcla de aceites.

Equipo para agitación

Consiste en un recipiente cilíndrico (cerrado o abierto), y un agitador o impulsor mecánico, montado en un eje y accionado por un motor eléctrico.

Las proporciones del tanque varían ampliamente, dependiendo de 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.

Equipo de agitación La altura del líquido, es aproximadamente igual al diámetro del tanque.

Sobre un eje suspendido desde la parte superior, va montado un agitador.

El eje está accionado por un motor, conectado a veces, directamente al mismo, pero con mayor frecuencia, a través de una caja de engranajes reductores.

Clases de agitadores o impulsores

Los agitadores se dividen en

◦ Los que generan corrientes paralelas al eje del impulsor que se denominan impulsores de flujo axial;

◦ y aquellos que generan corrientes en dirección radial tangencial que se llaman impulsores de flujo radial.

Tipos de agitadores

Diferentes tipos de agitadores se emplean en la industria de alimentos. Kalkschmidt (1977) enlista los tipos de agitadores empleados en la industria láctea que son clasificados como:

Propelas: hélice, cuchilla y anillo

Mezcladores (stirrers): disco, barra cruzada, pala, ancla, hoja, paleta, espiral.

Los agitadores también se pueden clasificar de acuerdo a su colocación:

Entrada superior (a): Empleado en mezclado de alimentos viscosos

Entrada lateral (b): Populares en la industria del vino y bebidas

Abrazadera (c): Ideales para mezclar en pequeños tanques (“clamp on”)

Tipos de agitadores

(a) (b) (c)

• Consiste en una hoja plana sujeta a un eje rotatorio.

• El flujo de líquido tiene una componente radial grande en el

plano de la pala y también un gran componente rotacional.

• Los agitadores de pala son de construcción relativamente fácil.

• Los agitadores de pala sencillos producen una acción de

mezcla suave, que es con frecuencia la conveniente para el

trabajo con materiales cristalinos frágiles.

• Son útiles para operaciones de simple mezcla, como, por

ejemplo, la mezcla de líquidos miscibles o la disolución de

productos sólidos.

Agitadores de paleta o pala

Agitadores de palas o paletas

Agitador de paletas

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.

Están constituidos por un componente impulsor con más de

cuatro hojas, montadas sobre el mismo elemento y fijas a un eje

rotatorio.

Los agitadores de turbina se pueden utilizar para procesar

numerosos materiales.

Agitadores de turbina

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.

Agitadores de turbina típicos

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. El gas entra por la parte inferior del eje del rodete; las aletas lanzan las burbujas grandes y las rompen en muchas pequeñas, con lo cual se aumenta grandemente el área interfacial entre el gas y el líquido.

Agitadores de hélice

•Poseen elementos impulsores de hojas cortas (corrientemente de menos de ¼ del diámetro del tanque); giran a gran velocidad (de 500 a varios millares de r.p.m).

•Las hélices no son muy efectivas si van montadas sobre ejes verticales situados en el centro del depósito de mezcla.

Tanto la componente radial como la longitudinal contribuyen,

generalmente, a la mezcla, pero no siempre la componente

rotatoria.

La velocidad de flujo creada, en un depósito, por un mezclador

de hélice tiene tres componentes:

(a)Una componente radial que actúa en dirección

perpendicular al eje.

(b)Una componente longitudinal que actúa paralelamente

al eje.

(c)Una componente rotatoria que actúa en dirección

tangencial al círculo de rotación del eje.

Formas de flujo en los sistemas agitados por hélices

Agitadores para tanques cerrados y tanques abiertos de montaje fijo

Estos tipos de agitadores son recomendados para su aplicación, y todo depende de los requisitos de su proceso.

Los hay de acoplados directo, estos están diseñados para aplicaciones de baja viscosidad, o volumen pequeños, o aplicaciones en que se requiere trituración del producto.

Los agitadores de acoplado de engranaje (caja reductora), son eficientemente usados en productos con más alta viscosidad o aplicaciones con un volumen mas elevado.

Tipos de flujo en tanques agitados

El tipo de flujo que se produce en un tanque agitado, depende del tipo de rodete, de las características del fluido y del tamaño y proporciones del tanque, placas deflectoras y agitador.

La velocidad del fluido en un punto del tanque tiene tres componentes y el tipo de flujo global en el mismo, depende de las variaciones de estas tres componentes de la velocidad, de un punto a otro.

Tipos de flujo en tanques agitados La primera componente de velocidad es radial y actúa en dirección perpendicular al eje del rodete. La segunda es longitudinal y actúa en dirección paralela al eje. La tercera es tangencial o rotacional, y actúa en dirección tangencial a la trayectoria circular descrita por el rodete.

Formas de evitar remolinos:

Colocando el agitador fuera del eje central del tanque En tanques pequeños se debe colocar el rodete separado del centro del tanque, de tal manera que el eje del agitador no coincida con el eje central del tanque. En tanques mayores el agitador puede montarse en forma lateral, con el eje en un plano horizontal, pero no en la dirección del radio.

Formas de evitar remolinos: Instalando placas deflectoras Estas son placas verticales perpendiculares a la pared del tanque. En tanques pequeños son suficientes 4 placas deflectoras, para evitar remolinos y formación de vórtice. El ancho de las placas no debe ser mayor que un doceavo del diámetro del tanque. Cuando se usan agitadores de hélice, el ancho de la placa puede ser de un octavo del diámetro del tanque.

Deflectores o bafles

Cuando se emplean agitadores de aspas para agitar fluidos de baja viscosidad en tanques sin deflectores (o bafles) se genera un vórtice. La profundidad del vórtice crece con la velocidad hasta que eventualmente el vórtice pasa por el agitador.

La eficiencia del mezclado en un sistema con vórtice es usualmente menor que la correspondiente en el sistema sin ella. Para eliminar esta problemática, comúnmente se colocan cuatro deflectores al tanque con un ancho de 1/10 el diámetro del tanque.

Deflectores o bafles Para líquidos de alta velocidad su misma resistencia natural a fluir amortigua la formación del vórtice al grado que el ancho de los bafles puede reducirse a 1/20 del diámetro del tanque.

Para fluidos viscosos se recomienda colocar los deflectores a una distancia de la pared igual al ancho del deflector para evitar zonas estancadas detrás de estos.

Potencia consumida por el agitador

Las variables que pueden ser controladas y que influyen son:

Dimensiones principales del tanque y del rodete: Diámetro del tanque (Dt), Diámetro del rodete (Da), altura del líquido (H), ancho de la placa deflectora (J), distancia del fondo del tanque hasta el rodete (E), y dimensiones de las paletas.

Viscosidad (μ) y densidad (ρ) del fluido.

Velocidad de giro del agitador (N).

Cálculo de Potencia El cálculo de la potencia consumida se hace a través de números adimensionales, relacionando por medio de gráficos el número de Reynolds y el Número de Potencia. Estas gráficas dependerán de las características geométricas del agitador y de si están presentes o no, las placas deflectoras.

Y

Fr

X

P NNCN )()( Re

NP= Nº Potencia

NRe = Nº Reynolds

NFr= Nº de Froude

Número de Reynolds = esfuerzo de inercia / esfuerzo cortante

NDN a

2

Re

Número de Froude = esfuerzo de inercia / esfuerzo gravitacional

g

DNN a

2

Fr

Número de Potencia = esfuerzo de frotamiento / esfuerzo de inercia

53

a

PDN

PN

Esquematización de una curva de potencia

Referencias Brennan, J.G. 2006. Mixing, emulsification and size reduction. En

Food Processing Handbook, (J.G. Brennan ed.), Germany, Wiley-

VCH, pp. 513-558.

Geankoplis, C.J. 2006. Procesos de transporte y principios de

procesos de separación, 4ª ed., México, CECSA.

Griskey, R.G. 2002. Transport Phenomena and Unit Operations. A

combined approach. New York, John Wiley and Sons, Inc.

Oldshue, J.Y. 2014. Agitation. En Fermentation and Biochemical

Engineering Handbook, 3th ed. (C.C. Todaro y H.C. Vogel, eds.)

Oxford, Elsevier, pp. 109-133.

Rao, M.A. 2007. Transport and storage of food products. En Handbook

of Food Engineering 2nd ed. (D.R. Heldman, D.B. Lund eds.) New

York, CRC Press, pp. 353-396.