Fluidos: Tipos y naturaleza en relación a la agitación

Los fluidos son elementos esenciales en muchos procesos industriales y químicos. Conocidos por su capacidad de fluir y adaptarse a la forma de sus recipientes, los fluidos desempeñan un papel crucial en la agitación de mezclas, la suspensión de partículas y la distribución de reactivos. En este artículo, exploraremos los diferentes tipos de fluidos y su comportamiento, así como también cómo se estudian y utilizan en el campo de la mecánica de fluidos. En particular, nos centraremos en las aplicaciones de la mecánica de fluidos en el proceso de agitación, donde examinaremos sus propósitos y técnicas. Esto nos ayudará a comprender mejor las características y naturaleza de los fluidos y cómo son fundamentales en diversas industrias.

Características generales

Los fluidos, que incluyen tanto líquidos como gases, son sustancias que fluyen y toman la forma de su recipiente. Se consideran una forma de materia que se deforma continuamente bajo un esfuerzo de corte (tangencial) aplicado, por pequeño que sea. Esto los diferencia de los sólidos, que pueden resistir una fuerza aplicada y mantener su forma. La viscosidad de los líquidos, es decir, su resistencia a la deformación, es una característica importante que los distingue de los gases. Los líquidos tienen un volumen definido pero toman la forma de su recipiente, mientras que los gases no tienen ni forma ni volumen definidos. El comportamiento de los fluidos está gobernado por los principios de la dinámica de fluidos y la mecánica de fluidos, que son importantes en una amplia gama de aplicaciones industriales y científicas.

En cuanto a la clasificación de los fluidos, se pueden categorizar en dos tipos principales: fluidos newtonianos y no newtonianos. Los fluidos newtonianos, como el agua y la mayoría de los gases, tienen una viscosidad constante, independientemente del esfuerzo aplicado sobre ellos. Por otro lado, los fluidos no newtonianos, que incluyen ejemplos comunes como la salsa de tomate y la pasta de dientes, presentan una viscosidad variable dependiendo del esfuerzo aplicado u otros factores como la tasa de corte, la deformación dependiente del tiempo u otras condiciones de flujo. Comprender el comportamiento de estos diferentes tipos de fluidos es crucial en varios procesos industriales e investigaciones científicas.

Clasificación

Los fluidos se clasifican comúnmente según su comportamiento de flujo y su respuesta al esfuerzo aplicado. Los fluidos newtonianos, nombrados en honor a Sir Isaac Newton, son aquellos que tienen una viscosidad constante, es decir, mantienen una velocidad de flujo constante bajo un esfuerzo de corte aplicado constante. Esto significa que la fuerza requerida para mantener una cierta velocidad de deformación es constante. El agua, el aire y la mayoría de los fluidos comunes se consideran newtonianos. Por otro lado, los fluidos no newtonianos no tienen una viscosidad constante y su comportamiento de flujo no puede describirse mediante un único valor constante de viscosidad. Estos fluidos incluyen una amplia gama de sustancias como suspensiones, emulsiones, polímeros y más. Comprender el comportamiento de estos diferentes tipos de fluidos es crucial en diversos procesos industriales e investigaciones científicas.

Fluidos newtonianos

La clasificación de los fluidos newtonianos se basa en su viscosidad constante, independientemente de la velocidad de corte o el esfuerzo. Esto significa que la fuerza requerida para mantener una velocidad de deformación constante es consistente. Ejemplos comunes de fluidos newtonianos incluyen agua, aceite mineral y la mayoría de los gases. En el contexto de la agitación y mezcla, comprender el comportamiento de los fluidos newtonianos es esencial para garantizar el movimiento y la distribución predecibles y consistentes del fluido durante el proceso de mezcla. La agitación de los fluidos newtonianos se ve influenciada por factores como la forma del recipiente, la velocidad y los patrones del mecanismo de agitación y las características específicas del fluido involucrado.

Fluidos no newtonianos

Los fluidos no newtonianos, en cambio, no tienen una viscosidad constante y su comportamiento de flujo no puede describirse mediante un único valor constante de viscosidad. En cambio, su viscosidad depende del esfuerzo aplicado u otros factores que afectan la velocidad de deformación. Esta categoría de fluidos incluye varios subtipos, como los fluidos pseudoplásticos, los fluidos dilatantes y los tixotrópicos, cada uno de los cuales exhibe un comportamiento único en respuesta a la agitación y la mezcla. Comprender la naturaleza específica de los fluidos no newtonianos es crucial para procesos de mezcla efectivos y controlados en diversas aplicaciones industriales, como el procesamiento de alimentos, la fabricación farmacéutica y la producción química.

Movimiento y comportamiento

El comportamiento de los fluidos, tanto en términos de su movimiento como de su respuesta a las fuerzas externas, es un aspecto fundamental de la mecánica de fluidos. Ya sea que el fluido esté en estado de reposo o en movimiento, está sujeto a los principios de la dinámica de fluidos, que rigen su comportamiento e interacciones. El estudio de la mecánica de fluidos es esencial para comprender cómo se mueven los fluidos, las fuerzas que actúan sobre ellos y las formas en que se pueden manipular, incluido el proceso de agitación y mezcla. El comportamiento de los fluidos, particularmente en el contexto de la agitación, está influenciado por una combinación de factores, incluida la naturaleza del fluido, las fuerzas aplicadas y las condiciones específicas en las que ocurre la agitación.

Mecánica de fluidos

La mecánica de fluidos es una rama de la física y la ingeniería que se adentra en el estudio de los fluidos y las fuerzas que actúan sobre ellos. Este campo abarca tanto la dinámica de fluidos, que examina el comportamiento de los fluidos en movimiento, como la estática de fluidos, que se centra en los fluidos en reposo. Dentro del ámbito de la mecánica de fluidos, el estudio de la agitación y la mezcla tiene una importancia significativa en diversas industrias, incluidos los sectores farmacéutico, químico y de alimentos y bebidas. La comprensión de cómo se comportan e interactúan los fluidos con las fuerzas externas es fundamental para optimizar los procesos industriales y garantizar la mezcla eficiente y consistente de sustancias para la producción de una amplia gama de productos.

Ecuaciones fundamentales

Dentro del dominio de la mecánica de fluidos, las ecuaciones fundamentales como las ecuaciones de Navier-Stokes desempeñan un papel fundamental en la descripción del comportamiento de los fluidos, incluida su respuesta a la agitación y el proceso de mezcla. Estas ecuaciones, que se derivan de los principios de la conservación de la masa y el momento, proporcionan un marco matemático para comprender el movimiento de los fluidos y las fuerzas que influyen en su comportamiento. En el contexto de la agitación, estas ecuaciones fundamentales son fundamentales para predecir y analizar el movimiento y la distribución de los fluidos, contribuyendo así al desarrollo de procesos de mezcla eficientes en entornos industriales.

Simulación de flujo

En la era moderna, la simulación de flujos de fluidos se ha convertido en una herramienta invaluable para comprender y optimizar el proceso de agitación y mezcla. Las técnicas de dinámica de fluidos computacional (CFD) permiten a ingenieros e investigadores simular el comportamiento de los fluidos bajo diversas condiciones, incluidos diferentes tipos de sistemas de agitación y mezcla. A través de simulaciones avanzadas, es posible visualizar y analizar los patrones de flujo, la turbulencia y la eficiencia de mezcla dentro de un sistema dado, lo que conduce al perfeccionamiento y mejora de los procesos de mezcla industriales. La aplicación de técnicas de simulación de flujo en el contexto de la agitación y la mezcla representa un avance significativo en el desarrollo y optimización de procesos industriales basados en fluidos. Al aprovechar estas herramientas de simulación, las industrias pueden mejorar la uniformidad y eficiencia de las operaciones de mezcla, lo que conduce a una mayor productividad y calidad del producto.

Agitación

La agitación, en el contexto de la dinámica de fluidos, se refiere al proceso de hacer que un fluido fluya o se vuelva turbulento. Esto se logra comúnmente mediante el uso de agitadores mecánicos, que transmiten energía cinética al fluido, lo que conduce a su movimiento y mezcla. Los propósitos de la agitación son diversos e incluyen actividades como la suspensión de partículas sólidas en un líquido, la mezcla de líquidos miscibles, la dispersión de gases en un líquido y la promoción de la transferencia de calor dentro del fluido. La agitación desempeña un papel crucial en diversos procesos industriales, incluidas aplicaciones químicas y biológicas, donde la distribución uniforme de los reactivos y la mezcla eficiente de sustancias son fundamentales para el proceso en general. La comprensión y el control de los procesos de agitación son fundamentales para lograr el nivel deseado de homogeneización y uniformidad en la mezcla de fluidos, lo que contribuye a la optimización de diversas operaciones industriales.

Propósitos de la agitación

El proceso de agitación sirve para varios propósitos importantes en el contexto industrial. Un objetivo clave es la suspensión de partículas sólidas en un líquido, lo cual es crucial en procesos como la creación de suspensiones, emulsiones y diversas reacciones químicas donde se requiere una dispersión uniforme de reactivos sólidos. Además, se emplea la agitación para mezclar líquidos miscibles, asegurando una mezcla completa y constante, así como para dispersar gases en líquidos, una práctica común en procesos como el tratamiento de agua y la fermentación. Además, se utiliza la agitación para promover una transferencia de calor efectiva dentro de los fluidos, lo que aumenta la eficiencia del proceso en aplicaciones como el procesamiento químico y la gestión térmica. La capacidad de controlar y optimizar la agitación de los fluidos es, por lo tanto, fundamental para el avance de diversos procesos industriales, lo que contribuye en última instancia a una mayor productividad y calidad del producto en varios sectores.

Conclusión

El estudio de los fluidos es parte esencial de los procesos químicos y biológicos, y es crucial para la distribución óptima de reactivos. Los fluidos tienen características y comportamientos únicos que pueden ser manipulados a través de la agitación, la cual tiene diferentes propósitos dependiendo de la etapa del proceso. Comprender los diferentes tipos de fluidos y sus comportamientos es un componente clave en la mecánica de fluidos, una rama importante de la mecánica de medios continuos. En la industria, se utilizan hélices para mezclar agua y partículas, lo que demuestra las aplicaciones prácticas de la mecánica de fluidos y la agitación. En general, el estudio de los fluidos y su movimiento es vital para una amplia gama de campos e industrias.

Como validar técnicamente la longitud del eje de un agitador

Muchas veces resulta complicado seleccionar el agitador más adecuado.
Es un proceso difícil ya que no hay ningún parámetro definitorio, es muy importante fijarse en determinados valores para el correcto funcionamiento del agitador. Uno de ellos es la posición de la hélice en el depósito.

En hélices de perfil delgado PD
El valor optimo sería: Hu/T=1
La altura de la hélice al fondo h debe estar entre 0.5D y D. Siendo D el diámetro de la hélice.
Esto es, la hélice debe estar a una altura entre un radio y un diámetro del fondo.
Con lo cual, la longitud del eje es  L=H+ha-h
siendo ha: la altura de los apoyos

¿Por qué es tan importante?
La correcta distancia al fondo va a permitir cerrar el lazo de flujo como se puede ver en el dibujo, es decir hace una deflexión del flujo para que retorne con una mínima perdida de carga por el “efecto pared” del fondo. 
Además, hace que se barra el fondo evitando sedimentaciones indeseadas.

 #gandgingenieros#agitadorestratamientoaguas

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