Escalamiento 1

En este artículo se repasan los conceptos básicos de semejanza y se plantea y desarrolla un procedimiento para trasladar un proceso de agitación desde la planta piloto a la industrial.

Los efectos de mezclado conseguidos en planta piloto es preciso adaptarlos a planta industrial mediante unos ciertos criterios de escalamiento. En agitación intervienen diversos parámetros y en función de la aplicación, tienen más importancia unos u otros. No es posible un escalamiento manteniendo todas las relaciones entre parámetros de planta piloto y planta industrial, por lo que cada tipo de proceso tiene un único procedimiento de escalamiento. 

Para ello se utilizan las semejanzas entre parámetros de una y otra panta. Existen tres tipos de semejanzas: geométrica, cinemática y dinámica.

En la semejanza geométrica, todas las dimensiones son semejantes con una relación constante. En la semejanza cinemática, todas las velocidades en ambas escalas deben tener una relación constante mientras que en la semejanza dinámica, son las fuerzas o energías las que  tienen la relación constante.

 Las fuerzas más importantes que entran en juego en agitación son:

  • La de la energía introducida por el mezclador también llamada “fuerza de inerciaEsta fuerza está determinada por la elección  del diámetro del móvil y su velocidad.
  • Las fuerzas de viscosidad, de gravedad y de tensión superficial que se oponen a las de inercia.

La semejanza dinámica requiere que la relación entre estas cuatro fuerzas sea constante. Con el mismo fluido (misma densidad y viscosidad), sólo pueden mantener relación constante dos fuerzas.

Los conceptos de semejanza geométrica y dinámica sugieren el uso de grupos adimensionales.

Re (nº de Reynolds)=Fuerzas de inercia/ Fuerzas viscosas

Fr (nº de Froude)= Fuerzas de inercia / Fuerzas de gravedad

We (nº de Weber)= Fuerzas de inercia/ Fuerzas de tensión superficial.

Fondos de los depositos con agitadores

Un factor importante en la agitación son los fondos del depósito ya que tienen la misión de desdoblar y redirigir los flujos de líquido que salen del móvil.

El fondo del depósito es tanto más óptimo cuanto más auto limpiante sea, es decir, para un propulsor axial el mejor fondo será el que siga las líneas de flujo generadas por el impulsor (1) dos toros como en la figura.

Los fondos curvos (semiesférico  Y toriesférico) son los siguientes en cuanto a adecuación a la agitación. Le siguen los planos (3) y los peores son los troncocónicos (4) o troncopiramidales. Estos fondos rompen las líneas de flujo generadas por el impulsor, creándose torbellinos y turbulencias localizadas y disminuyendo la energía de desplazamiento que contribuye a la agitación del líquido de la parte alta del depósito. En estos casos y dependiendo del objetivo de la agitación suele ser conveniente un impulsor aspirante que sitúe la zona de baja presión en el fondo o la inclusión de un pequeño impulsor en la parte cónica.

Deflectores para depósitos con agitador

Todos los móviles en un agitador generan una mayor o menor componente tangencial que hace que el líquido gire.Girará tanto más cuanto más baja sea la viscosidad del líquido (μ< 400 cP).

La velocidad del flujo producido por el móvil depende directamente de la velocidad relativa del móvil respecto del líquido por lo que cuanto más gire la masa de líquido menor agitación se observará. Los bafles o interruptores de flujo tienen la misión de evitar o reducir este giro. 

La colocación de dichos deflectores (A y B) dependerá del diámetro (ØD)  del depósito como se muestra en la siguiente figura.

Formas de depósitos agitados

Las formas y dimensiones del depósito contenedor del volumen de líquido a agitar son importantes para el rendimiento y optimización de la agitación.

La relación óptima en dimensiones es Hu/T=1

Cuanto más se aleje esta relación de la unidad, más se alejará la agitación del óptimo tanto a nivel técnico como económico. La excepción a este punto son las agitaciones muy suaves exigidas por el proceso (por ejemplo floculación) en los que las velocidades de flujo producidas son pequeñas y la relación Hu/T<1.

Las formas del depósito también tienen gran importancia cara a la optimización de la agitación.

Los mejores depósitos verticales son los cilíndricos, seguidos de los de sección cuadrada y por último los de sección rectangular.

En los depósitos horizontales el mejor tratamiento es con agitadores horizontales.

En los depósitos verticales cilíndricos con agitador vertical es necesario instalar deflectores o interruptores de flujo con unas dimensiones como se reflejan en la siguiente figura.

Esfuerzos generados en un agitador

 

Cuando un agitador se pone en marcha y comienza a girar, ejerce un empuje sobre el fluido y como consecuencia se genera un esfuerzo axial que siempre tiene sentido contrario al flujo del fluido y la dirección del árbol de rotación.

¿Cómo afecta este esfuerzo al agitador?

El esfuerzo axial debe ser absorbido por compresión o tracción por el árbol y el reductor y los amarres deben ser capaces de soportar dicho esfuerzo.

Además del esfuerzo axial, la hélice al girar genera un esfuerzo perpendicular a la pala o alabe denominado radial. Los esfuerzos sobre cada pala varían debido al desequilibrio generado. La resultante de estos esfuerzos es el esfuerzo radial.

Esta fuerza radial genera un momento sobre el árbol, que en el apoyo toma el valor:

M= Fr x l siendo Fr la fuerza radial y l la longitud sobre el árbol.

 

¿Que es un agitador?

Un agitador es una maquina diseñada para la agitación y/o mezcla de distintos fluidos.
En general un agitador está formado por los siguientes elementos: el motor, el reductor (en algunos casos no tiene: ver Agitadores Rápidos), el árbol y el/los móviles.
  • Motor: es el encargado de imprimir la potencia necesaria para mover las hélices y generar movimiento en el fluido.
  • El reductor transmite el par al motor y reduce la velocidad.
  • El árbol va acoplado al reductor y se encarga de transmitir la rotación y la potencia.
  • El móvil es el que produce el movimiento en el fluido para agitarlo.

Viscosidad y tipos de fluidos

La viscosidad es una propiedad distintiva de los fluidos y se define como la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales.

Pinchando aquí se puede ver de forma muy gráfica esta propiedad: la sustancia verde tiene viscosidad más alta que el líquido claro de la derecha.

Newton definió la viscosidad como la relación entre la tensión de cizalladura y el gradiente de velocidad.

Cuando la viscosidad es constante para una cierta temperatura, se dice que el fluido es Newtoniano. Algunos fluidos no cumplen esta ley de proporcionalidad y se les denomina «No Newtonianos». Sigue leyendo

Agitación y mezcla

La operación de agitación y mezcla interviene prácticamente en todos los procesos industriales. Sectores industriales como el químico, tratamiento de aguas, petroquímico, farmacia, alimentación, tratamientos de minerales… necesitan agitadores para solucionar sus problemas de mezcla.
Conseguir los niveles de mezcla requeridos, depende de las características fisico-químicas de los componentes y su compatibilidad así como de los volúmenes a mezclar.
Para mezclar diversos componentes es preciso que haya interprenetación de las partículas que ocupan las diversas zonas de los volúmenes a mezclar. Las diferencias de proporciones en distintas muestras tomadas con un cierto criterio, dan una característica de la homogeneidad de la mezcla.
Los agitadores son necesarios para generar contactos entre partículas que puedan originar una combinación química o un cambio de estado.
Los criterios necesarios para la buena consecución de la reacción química fijarán las necesidades a cubrir por la agitación. Estos criterios son tan amplios y diferentes como los son los propios procesos químicos.

Mecanismos de mezcla

El fenómeno hidrodinámico que da lugar a una interpenetración de las partículas líquidas es la turbulencia.
Se dice que hay turbulencia cuando a la velocidad media de una partícula líquida se añaden velocidades transversales y longitudinales variables con el tiempo, en dirección y en magnitud.
Se asume que estas velocidades transversales y longitudinales aseguran una mezcla eficaz, puesto que transportan las partículas líquidas de una zona hacia las zonas próximas.
Grado de mezclado
La mezcla es óptima si se puede constatar la interpenetración de las partículas líquidas, cualesquiera que sean las dimensiones de las muestras consideradas.
Los flujos medios (caudales de bombeo) favorecen a los movimientos de convección (transporte) de los productos mientras que las variaciones de velocidad (gradientes) favorescen los fenómenos de difusión (micro-mezcla).
Los móviles de los agitadores se elegirán, según sus características para satisfacer la proporción de estos dos movimientos que exija la aplicación tratada.