Agitacin y mezcla de fluidos

Introduccin

El xito de numerosos procesos industriales depende de la agitacin y mezcla de fluidos de forma eficiente.

Existen mezclas liquidas, slidas y gaseosas y para cada una de ellas se necesita un proceso de mezclado diferente, al igual que un mezclador adecuado para el proceso.

En la mezcla no vara la constitucin fsica de los constituyentes.

Mezclado

Operacin importante en casi todos los procesos industriales.

Considera la interposicin de dos o ms componentes separados para formar un producto ms o menos homogneo.

Puede ser entre materiales slidos, lquidos, gases, slidos con lquidos, etc.

Principios fundamentales de la mezcla

El objetivo de este proceso es lograr que cada una de las partculas de los distintos materiales se encuentre lo ms cerca posible de cada una de las partculas de los dems materiales.

Es importante la velocidad y direccin del movimiento, para obtener el grado de mezcla deseado.

Factores fsicos de la mezcla

Consistencia o viscosidad aparente. Entre mayor sea la viscosidad mayor ser la resistencia al flujo.

Densidad de la mezcla y las densidades relativas de cada fase. A mayor diferencia de densidades mayor tendencia a la sedimentacin.

Otras propiedades de los materiales antes de mezclarse:

Facilidad de mojarse.

Tamao de las partculas.

Proporcin relativa de los ingredientes y orden de su adicin a la mezcla.

AGITACION Y MEZCLA DE LQUIDOS

La agitacin se refiere a forzar un fluido por medios mecnicos para que adquiera un movimiento circulatorio en el interior de un recipiente

La mezcla es una distribucin al azar de dos o ms fases inicialmente separadas.

Un nico material, como el agua, puede se agitado en un tanque, pero no mezclado hasta que se incorpore un segundo material.

Agitacin y mezcla de lquidos

Depende de la creacin de corrientes de flujo que transportan el material no mezclado hasta la zona adyacente al agitador.

El producto obtenido es homogneo y generalmente en una fase lquida.

Una muestra del producto tomada al azar tiene la misma composicin.

Los objetivos de la agitacin pueden ser:

Mezcla de dos lquidos miscibles (alcohol y agua)

Disolucin de slidos en lquido (azcar y agua)

Mejorar la transferencia de calor (calentamiento o enfriamiento)

Dispersin de un gas en un lquido (oxgeno en caldo de fermentacin)

Dispersin de partculas finas en un lquido (suspensiones farmacuticas)

Dispersin de dos fases no miscibles (emulsiones alimenticias, farmacuticas, cosmticas, etc.)

Por ejemplo:

Componentes de un sistema de agitacin de lquidos

Un sistema de agitacin de lquidos consiste de tres partes principales:

El tanque de mezclado

Los agitadores

Los deflectores

Tanque de mezclado

Consiste en un recipiente cilndrico (cerrado o abierto), y un agitador mecnico, montado en un eje y accionado por un motor elctrico.

Las proporciones del tanque varan ampliamente, dependiendo de la naturaleza del problema de agitacin.

El fondo del tanque debe ser redondeado, con el fin de eliminar los bordes rectos o regiones en las cuales no penetraran las corrientes del fluido.

Tanque de mezcladoLa altura del lquido, es aproximadamente igual al dimetro del tanque.

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

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

Agitadores

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

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

Los agitadores se dividen en dos clases:

Tipos de agitadores

Hlices

Palas

Turbinas

Existen tres tipos principales de agitadores:

Tipos de agitadores

Agitadores de hlice

t Las corrientes de flujo que salen del rodete continuan a traves del lquido hasta chocar con el fondo o con las paredes del recipiente (flujo axial).

t Las hlices raramente superan los 45 cm de dimetro, independientemente del dimetro del tanque.

t Los agitadores de hlice son muy eficaces en tanques muy grandes.

t Giran entre 1500 a 1750 rpm para las hlices pequeas y entre 400 y 800 rpm para las hlices grandes.

t Adecuados para lquidos con viscosidades a 5,000 centipoises.

Consisten en una hoja plana sujeta a un eje rotatorio.

Las corrientes que genera se desplazan hacia afuera hasta la pared del tanque y despus hacia arriba o hacia abajo (flujo tangencial y radial).

Los agitadores industriales de palas 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 dimetro interior del tanque.

La anchura de la paleta es de un sexto a un dcimo de su longitud.

En algunos agitadores, las palas se adaptan a la forma de las paredes del tanque, para prevenir el depsito de slidos.

Agitadores de pala o paleta

A velocidades muy bajas, un agitador de paletas produce una agitacin suave, en un tanque sin placas deflectoras las cuales son necesarias para velocidades elevadas. De lo contrario el lquido se mueve como un remolino que gira alrededor del tanque, con velocidad elevada pero con poco efecto de mezcla.

Son tiles para operaciones de mezcla simples, como, por ejemplo, la mezcla de lquidos miscibles o la disolucin de productos slidos.

La mezcla suave que producen los agitadores de pala sencillos es con frecuencia conveniente para el trabajo con materiales cristalinos frgiles.

Agitadores de pala o paleta

Los agitadores de turbina son eficaces para un amplio intervalo de viscosidades; en lquidos poco viscosos, generan corrientes intensas, que se extienden por todo el tanque y destruyen las masas de lquido estancado.

Agitadores de turbina

Estn constituidos por un componente impulsor con ms de cuatro hojas, que giran a altas velocidades sobre un eje montado centralmente en el tanque.

Las corrientes principales son radiales y tangenciales. Las componentes tangenciales dan lugar a vrtices y torbellinos, que se deben evitar por medio de placas deflectoras o un anillo difusor, con el fin de que el rodete sea ms eficaz.

El dimetro del agitador es menor que en el caso de agitadores de paletas, siendo del orden del 30 al 50% del dimetro del tanque

Las placas pueden ser rectas o curvas, inclinadas o verticales.

El agitador de turbina semiabierto, conocido como agitador de disco con aletas, se emplea para dispersar o disolver un gas en un lquido. El gas entra por la parte inferior del eje del rodete; las aletas lanzan las burbujas grandes y las rompen en muchas pequeas, con lo cual se aumenta grandemente el rea interfacial entre el gas y el lquido.

Agitadores de turbina

Deflectores o baffles| Son placas planas verticales situadas a lo

largo de la pared del tanque.

| Tienen por objetivo destruir zonas muertas que se llegan a presentar cuando se aplican altos regmenes de turbulencia con la consiguiente mejora del proceso de mezcla.

| Tambin son empleados para evitar la formacin de remolinos y vrtices .

| Generalmente, cuatro deflectores suelen ser suficientes.

| La anchura habitual para estos dispositivos es de 1/10 a 1/12 el dimetro del tanque.

Patrones de Flujo en Tanques Agitados

El tipo de flujo que se produce en un tanque agitado, depende del tipo de rodete, de las caractersticas del fluido y del tamao 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.

La primera componente de velocidad es radial y acta en direccin perpendicular al eje del rodete. La segunda es longitudinal o axial y acta en direccin paralela al eje. La tercera es tangencial o rotacional, y acta en direccin tangencial a la trayectoria circular descrita por el rodete.

Para el caso corriente de un eje vertical, las componentes radial y tangencial estn en un plano horizontal y la componente axial o longitudinal es vertical. Las componentes radial y axial son tiles por cuanto dan lugar al flujo necesario para que se produzca la mezcla.

Patrones de Flujo de dos diseos de agitador

Patrn de flujo radial generado por un agitador de turbina de aspas planas

Patrn de flujo axial generado por un agitador de turbina de aspas inclinadas

Cuando el eje es vertical y esta dispuesto en el centro del tanque, la componente tangencial de velocidad es generalmente perjudicial para la mezcla.

El flujo tangencial sigue una trayectoria circular alrededor del eje y crea un vrtice en la superficie del lquido que, debido a la circulacin en flujo laminar, da lugar a una estratificacin permanente en diferentes niveles de sustancias sin mezclar, sin que exista flujo longitudinal de un nivel a otro.

En un tanque sin placas deflectoras, el flujo circulatorio es inducido por todos los tipos de rodete, tanto si el flujo es axial como radial.

Para velocidades de giro del rodete elevadas, la profundidad del vrtice puede ser tan grande que llegue al rodete mismo, dando lugar a que en el lquido se introduzca el gas que esta encima de l, lo cual normalmente debe evitarse.

Patrones de Flujo en Tanques Agitados

Prevencin del flujo circulatorio o tangencial

El flujo circulatorio y los remolinos pueden evitarse por uno de los tres siguientes mtodos:

Tanque con agitador no centrado

Tanque con agitador de entrada lateral

Tanque con placas deflectoras

Rango de viscosidades para agitadores

Mezcladores de flujo

En este tipo de mezcladores se introducen los materiales por unabomba y la mezcla se produce por interferencia de sus flujos o corrientes.

Solo se emplean en los sistemas continuos o circulantes para mezclar dos fases, cuando se desea una gran intimidad.

La palabra turbulencia no implica por necesidad una mezcla satisfactoria

Mezcladores a chorro Los mezcladores a chorro se basan en el choque de un chorro contra otro,

generalmente ambos a presin.

Se emplean para lquidos, pero su mayor aplicacin es en la mezcla de combustibles antes de inflamarlos.

Ejemplo de un mezclador a chorro

http://www.directindustry.es/prod/ytron-process-technology/mezcladores-de-chorro-batch-38635-305990.html

Videos de mezcladores a chorro

Mezcladores estticos

Los gases o los fluidos no viscosos pueden mezclarse hacindolos pasar juntos a travs de una determinada longitud de conduccin abierta o una tubera que contiene placas con orificios o placas deflectoras segmentadas.

Los trabajos ms difciles de mezclado se realizan con mezcladores sin movimiento, que son aparatos comerciales en los que elementos estacionarios dividen y recombinan sucesivamente partes de la corriente del fluido.

Los mezcladores estticos se usan para mezclado de lquidos, dispersin de gases y lquidos, reacciones qumicas y transmisin de calor. Son esencialmente eficaces para mezclar fluidos de baja viscosidad con pastas o lquidos viscosos.

Ejemplos de mezcladores estticos

Requieren de mucha energa.

El producto obtenido suele presentar dos o ms fases fcilmente identificables.

Una muestra tomada al azar difiere notablemente en su composicin.

MEZCLADO DE SLIDOS Y PASTAS

Mezcla ordenada

Mezcla aleatoria

Mezcladores de cubetas intercambiables

| Pueden mezclar lquidos o pastas ligeras como ocurre en el procesado de alimentos o fabricacin de pinturas.

| Poseen una cubeta intercambiable de 20 a 400 litros de capacidad, que contiene la carga a mezclar.

| Concludo el proceso de mezcla, se retira la cubeta y se reemplaza por otra con una nueva carga.

Mezcladora-amasadora

Tipos:

(a) EstacionariasLos elementos de la mezcla se mueven a lo largo de una trayectoria planetaria llegando, con ello a todas partes del recipiente de mezcla estacionario.

(b) Con Recipiente GiratorioEn este tipo el recipiente es giratorio, al igual que el accesorio mezclador.

Mezcladores de cubetas intercambiables

Amasadoras

El amasado es un mtodo de mezclado que se utiliza con slidos plsticos o deformables.

Aplastan la masa, la remueven sobre si misma y la aplastan nuevamente.

La mayor parte de las amasadoras tambin desgarran y cortan la masa por accin de una pala mvil y una superficie estacionaria.

La energa que se requiere es relativamente grande aun con materiales poco viscosos; cuando la masa se vuelve dura y elstica el consumo de energa se hace muy grande

Amasadora de dos brazos Este tipo de amasadoras est

especialmente indicado en los procesos de amasado y mezclado de las industrias qumicas, farmacuticas y plsticos.

La amasadora de dos brazos se utiliza para fabricar suspensiones, pastas y masas plsticas ligeras.

Los brazos amasadores doble Z estn construidos con una geometra que efectan un trabajo de "pala contra pala" muy intenso y eficaz produciendo un amasado homogneo en toda la mquina, sin permitir zonas muertas

Amasadora de dos brazosSus aplicaciones tpicas son la preparacin de bases de laca a partir de pigmentos, desmenuzamientos de algodn en cido actico y anhdrido actico para formar acetato de celulosa, panificacin, y amasado de cermica entre otras.

Dispersoras y masticadorasDispersores:

| Son aparatos de construccin ms robusta y de mayor consumo de potencia que una amasadora.

| Se emplean para incorporar aditivos y colorantes en materiales espesos.

Masticador o masticadora:

| Son mquinas an ms robustas y de an ms consumo de potencia.

| Tratan gomas y slidos plsticos, mastican caucho crudo, desvulcanizan trozos de caucho y preparan dispersiones acuosas y disoluciones de gomas

Palas de amasadoras y dispersores

Tanto amasadoras, dispersores y masticadoreas, utilizan dos palas sobre ejes horizontales, que giran en sentido contrario arrastrando la masa hacia abajo.

Pala en forma de sigma

Pala de doble arrastre

Pala de dispersor

Amasadoras continuas

Proceso en que constantemente y de manera regular se va proporcionando al aparato nuevas cantidades de preparacin, la que a su vez son reemplazadas exacta y contnuamente por otras porciones de los cuerpos que han de mezclarse.

Pueden operar con materiales ligeros o no muy duros.

http://cerclesbd.spaces.live.com/Blog/cns!CFBCC068F40F540D!2680.entry

Esquema de un mezclador-amasador continuo tipo Banbury

El mezclador consiste en dos cmaras unidas en las que dos rotores o cuchillas describen recorridos concntricos con la carcasa.

El material es deformado por rotacin de las cuchillas o rotores.

La capacidad de mezclado radica en dos hechos: 1) la cizalla sobre el material que hay entre la carcasa y la cuchilla que gira y, 2) la mezcla y el plegamiento con el material procedente de la otra cmara.

Mezcladoras de moletasS Moleteado es un accin de frotamiento

realizado por anchos y pesados volantes.

S El recipiente es estacionario y el eje vertical central es mvil, permitiendo que los volantes rueden circularmente sobre los slidos.

S En algunos modelos el eje de los volantes se mantiene estacionarios mientras que gira el recipiente.

S Las moleteadoras son buenos mezcladores para cargas de slidos duros y pastas; son especialmente eficaces para recubrir uniformemente las partculas de slidos granulares con una pequea cantidad de lquido

Mezcladores de moletas

Mezclador de moletas para arena de fundicin

Batidorasv El mezclado se realiza con palas o

cuchillas dispuestas sobre un eje horizontal.

v Los slidos son cortados, mezclados y desplazados hacia adelante para ser tratados por cada una de las sucesivas cuchillas.

v Mezclan y homogenizan arcillas, desmenuzan aglomerados de plsticos y mezclan lquidos con slidos para formar suspensiones espesas

Modelos de batidoras industriales

Mezcladores de cinta Es una cubeta horizontal provista de un

eje central y un agitador de cintas helicoidales que giran en sentido contrario.

El mezclado resulta como consecuencia de la turbulencia inducida por los agitadores de sentido contrario y del movimiento de los slidos a travs de la cubeta.

Resultan eficaces para pastas poco espesas o para polvos que no fluyen fcilmente

Pueden cargar hasta 30000 litros de material y su requerimiento energtico es moderado.

http://cerclesbd.wordpress.com/2007/07/29/iv-a-mezclado-del-caucho/

APLICACIONES DE LOS MEZCLADORES DE CINTA

Aplicaciones de los mezcladores de cinta

Mezcladores de tornillo interno

Consiste en un tornillo vertical giratorio situado en un recipiente cilndrico o cnico.

El tornillo puede estar fijo en el centro del depsito o puede girar o hacer rbitas alrededor del eje central, pasando cerca de las paredes del tanque.

Mezcla granos que fluyen libremente y otros slidos ligeros.

La mezcla es generalmente ms lenta que en los mezcladores de cintas pero el consumo de energa es algo menor

Vista exterior de un mezclador de tornillo interno

Mezcladores de volteo| Los materiales se mezclan voltendolos en un contenedor

parcialmente lleno que gira alrededor de un eje horizontal.| Para mejorar su efectividad se colocan contrapalas o placas de

retencin o sistemas giratorios internos.| Mezclan eficazmente suspensiones de slidos densos en lquidos y

polvos secos pesados.

Formas tpicas de mezcladoras de volteo

Mezclador de volteo de doble cono

t Es un aparato de uso comn para polvos que fluyen libremente.

t La carga se introduce en el cuerpo del aparato por la parte superior, hasta llenarlo en un 50% a 60%. Los extremos del contenedor se cierran y los slidos se voltean durante 5 a 20 minutos. Se detiene la maquina y el material se retira por el fondo del contenedor, pasando a un sistema de transporte o a un deposito.

Mezclador de tambores gemelos Esta formado por dos cilindros unidos en V y gira alrededor de un eje

horizontal. Puede contener pulverizadores internos para introducir pequeas

cantidades de lquido en el mezclador o, tambin, dispositivos accionados mecnicamente para desmenuzar los aglomerados slidos.

Potencia consumida por el agitador

Las variables que pueden ser controladas y que influyen son:

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

l Viscosidad () y densidad () del fluido.

l Velocidad de giro del agitador (N).

Clculo de Potencial El clculo de la potencia consumida se hace a travs de

nmeros adimensionales, relacionando por medio de grficos el nmero de Reynolds y el Nmero de Potencia. Estas grficas dependern de las caractersticas geomtricas del agitador y de si estn presentes o no, las placas deflectoras.

YFr

XP NNCN )()( Re=

NP= N PotenciaNRe = N ReynoldsNFr= N de Froude

Nmero de Reynolds = esfuerzo de inercia / esfuerzo cortante

mrNDN a

2

Re =

Nmero de Froude = esfuerzo de inercia / esfuerzo gravitacional

gDN

N a2

Fr =

Nmero de Potencia = esfuerzo de frotamiento / esfuerzo de inercia

r53 aP DN

PN =

Esquematizacin de una curva de potencia