Patrones de flujo en agitadores – Tipos de móviles

Es muy útil distinguir los móviles por el patrón de flujo que crean, porque nos da una visión rápida del comportamiento en las distintas aplicaciones. Como patrón de flujo definimos la componente principal de éste.

Si las dividimos en tres: axial, radial y tangencial, todos los móviles generan flujos con las tres componentes, pero si decimos que un móvil es de flujo axial estamos hablando de un móvil cuyo flujo predominante es de tipo axial.

  • Flujo axial: Flujo en la dirección del eje del agitador. Decimos impulsante cuando lanza el chorro de líquido en dirección axial y sentido contrario a la posición del motor. Aspirante sería en sentido contrario.
  • Flujo radial: Flujo en la dirección del radio del circulo barrido por el móvil.
  • Flujo tangencial: Flujo en la dirección tangencial al circulo barrido por el móvil.

 

Suspensión de sólidos

Para realizar la puesta en suspensión de partículas sólidas en un líquido, el móvil de agitación debe ejercer una acción enérgica sobre el fondo de la cuba para provocar el deslizamiento y el rodamiento de las partículas. Enseguida se precisa que la circulación del líquido sea suficiente para poder arrastrar las partículas en el seno de la fase líquida.

Ese valor característico utilizado para definir la puesta en suspensión de partículas sólidas en la fase líquida, es la velocidad de rotación mínima de todas las partículas sobre el fondo de la cuba.

A menudo, el objeto principal de la operación de mezcla es el mantenimiento en suspensión homogénea de las partículas sólidas en el líquido. En este caso es indispensable una circulación enérgica del líquido en todo el volumen de la mezcla. Los factores hidrodinámicos importantes serán por tanto el perfil de velocidades del fluido y el caudal de circulación. La configuración del sistema de agitación se orientará hacia aquella que conduzca a una eficacia de circulación óptima. Es recomendable utilizar móviles axiales de gran diametro lo que permite además limitar los fenómenos de abrasión.

Agitación en sistemas de varias fases

Dos líquidos miscibles, no componen más que una fase. Por el contrario, dos líquidos inmiscibles, un sólido en suspensión en un líquido, un gas en emulsión en un líquido, constituyen sistemas en dos fases.

En las operaciones de mezcla de un sistema de varias fases, la noción de interfase se hace muy importante. Las fuerzas de cohesión que existen en el interior de cada fase tienden a separarlas reduciendo al máximo el valor de las interfases correspondientes. Por su parte, la gravedad tiende a establecer una decantación gravimétrica.

agitación en sistemas de varias fases

En un sistema de una sola fase, la mezcla una vez realizada se conserva. En un sistema de varias fases, es preciso continuar disipando una cierta energía para evitar la separación, salvo si la gravedad o la tensión superficial tienen un efecto débil respecto al de la viscosidad.

 

Flujo laminar y turbulento

Los términos flujo laminar o puramente viscoso, se usan como sinónimos, para indicar un fluido que fluye en capas en oposición al flujo turbulento, en el cual los componentes de la velocidad tienen fluctuaciones turbulentas al azar.

Cuando se introduce un trazador en un flujo laminar por ejemplo un chorro de tinta, trazará una línea delgada, que esta compuesta siempre por las mismas partículas de fluido. En flujo turbulento, la línea de tinta se confunde rápidamente, mezclándose con las partículas de fluido a medida que este fluye.

Lo que determina que un flujo sea laminar o turbulento es la velocidad y el tamaño y configuración del conducto. A medida que la velocidad aumenta, el flujo cambiará de laminar a turbulento pasando por un régimen de transición.

Los efectos de viscosidad están siempre presentes en el flujo turbulento, pero son superados generalmente por los esfuerzos cortantes turbulentos.

Dispersión

En la realización de una dispersión de una fase líquida o gaseosa en otra fase continua, existen varios tipos de fuerzas que se ejercen sobre las gotitas de la fase dispersa. Así, las fuerzas debidas a las tensiones de cizallamiento creadas en la solución por el móvil tienden a provocar la rotura de las gotitas. Las fuerzas debidas a la tensión superficial y a la viscosidad de la fase dispersa, se oponen a la rotura de aquellas.

El fenómeno de la coalescencia (propiedad que tiende a unir las partículas) modifica a manudo estos resultados. La coalescencia de dos gotitas esta influenciada por las tensiones de cizallamiento debidas a las fluctuaciones de la velocidad. Existe localmente un valor del diámetro de las gotitas que por encima del cual la coalescencia es fuertemente reducida por la turbulencia. En una cuba agitada, la curva de distribución de los diámetros de las gotitas de la fase dispersa, esta consecuentemente determinada por los mecanismos antagonistas de ruptura y la coalescencia de las gotitas.

Para que ocurra la dispersión, es necesario que el sistema de agitación pueda realizar una dispersión completa de toda la fase dispersa, es decir, que sea capaz de realizar la aspiración en el móvil de toda gotita que podría tomarse y decantar en la cuba. La coalescencia aparece en las zonas donde las fuerzas de cizallamiento son débiles, es decir, en las zonas alejadas del móvil de agitación o detrás de los bafles u obstaculos. Por tanto, se debe realizar una recirculación rápida del fluido en la cuba y un valor característico importante será el tiempo de bombeo de la solución estando esto definido como el tiempo entre dos pasos consecutivos de una partícula por el mismo lugar.

Otro valor característico importante será igualmente la velocidad periférica del móvil de agitación a la cual está ligado el valor de la velocidad de cizallamiento máximo.

Destrucción de espuma

Durante la agitación de productos orgánicos e inorgánicos de diferentes viscosidades pueden producirse espumas en la superficie de los productos. Esto puede evitarse en los agitadores de velocidad lenta con un segundo móvil cerca de la superficie que produzca el movimiento superficial suficiente para destruir la espuma. En general, conviene que sea aspirante, es decir, que lance el flujo hacia la superficie, para evitar la introducción de aire.

Otro agitadores especiales para la rotura de espumas, giran muy lentamente con un móvil “barredor” de la espuma y lamiendo la superficie del líquido.

Intercambio termico

Se trata de identificar la transmisión térmica entre el líquido a agitar y la superficie de transmisión térmica.

La superficie de transmisión puede ser la pared del recipiente o un serpentín. En el caso de productos muy viscosos supone una tarea de agitación importante y difícil. Con los órganos de agitación se intenta romper o reducir la capa límite en la pared del recipiente y acercar el líquido a la superficie de intercambio.

Caudales

La potencia y el caudal están ligados por la relación:

P=d g Qb H

en la que H representa la altura del movil de agitación.

El número de bombeo Nq=Qb/Nd³ es función del tipo de móvil y de la configuración geométrica del sistema de agitación.

El caudal de bombeo Qb genera otro caudal inducido o de arrastre Qe. La suma de ambos es el caudal llamado de circulación Qc.

Los valores experimentales de los caudales Qc y Qb, muestran que en los moviles de flujo axial, la relación Qc/Qb, varía con la relación de diametros D/T como se muestra en la siguiente gráfica.

caudales

En regimen turbulento, el caudal de bombeo es proporcional a la velocidad N del móvil y al cubo de su diametro.

Qb= Nq N D³

Vortice

En el caso de productos de poca viscosidad (aproximadamente menor de 0.4Pas = 400 cP) se produce en los recipientes cilíndricos verticales y con una disposición del agitador vertical-céntrica, una rotación del material a agitar. Se forma una tromba fuerte, casi siempre céntrica, que puede llegar hasta el órgano de agitación. En principio esto significa la inclusión de aire en la mayoría de los casos indeseada. Si la tromba llega hasta el órgano de agitación, se derriba el transporte de repente y se forma una “tromba pulsante”. Esto significa que el líquido empieza a formar olas, con lo cual actúan fuerzas adicionales sobre la construcción del recipiente, sobre el árbol y sobre los cojinetes del agitador.

El vórtice se forma por la fuerza centrífuga que actúa sobre el líquido al girar éste. El giro del líquido esta producido por la componente tangencial del móvil. Como es lógico, los móviles que crean componentes tangenciales mayores son más capaces de generar vórtice. Cuanto mayor sea la velocidad de funcionamiento del agitador, mayor será la profundidad del vórtice y más peligrosos sus efectos.

vortice

La aparición de vórtice en un depósito agitado puede denotar una muy mala agitación aunque el efecto virtual en la superficie parezca lo contrario. Al girar el líquido, la velocidad relativa del móvil de agitación respecto al líquido disminuye y por tanto, también los efectos del bombeo del agitador. Con velocidades de liquido cercanos a las del agitador, tendremos una estratificación del líquido. No existirá intercambio de flujos en el plano vertical y los sólidos o fases de distintas densidades girarán en estratos sin conseguir homogeneización del conjunto.

El vórtice se disminuye o elimina, poniendo del líquido obstáculos a este movimiento circunferencial

Modelos de agitadores a escala para I+D+i. Impresora 3D.

En G&G Ingenieros disponemos de una impresora 3D capaz de crear maquetas volumétricas a partir de un diseño hecho por ordenador.

Esto nos sirve para fabricar distintos tipos de agitadores y hacer pruebas a pequeña escala, pudiendo después hacer un escalamiento al caso real. Nuestro banco de ensayos nos ofrece una información imprescindible para el posterior diseño de los agitadores sobretodo en aplicaciones poco comunes.

En las siguientes fotos se pueden ver distintos prototipos de agitadores.

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