operaciones unitarias I

1. Operaciones Unitarias IOperaciones Unitarias I
Año 2010
Unidad temática VII
Equipos para el Transporte, Agitación y
Mezcla de Fluidos

2. Operaciones Unitarias IOperaciones Unitarias I
Agitación y Mezcla
Equipos para la Agitación y
Mezcla de Fluidos

3. Agitación y MezcladoAgitación y Mezclado
En la mayoría de los procesos, muchas
operaciones dependen en alto grado de la
agitación y el mezclado eficaz de los
fluidos.

4. AgitaciónAgitación
Agitación:
se refiere a forzar un fluido por medios
mecánicos para que adquiera un
movimiento circulatorio en el interior de un
recipiente. Generalmente con un patrón de
flujo definido.

5. MezcladoMezclado
Mezclado:
implica partir de dos fases individuales,
tales como un fluido y un sólido
pulverizado o dos fluidos, y lograr que
ambas fases se distribuyan al azar entre sí.

6. o Mezcla de dos líquidos miscibles, (alcohol
etílico y agua).
o Disolución de sólidos en líquidos, (sal en agua).
o Dispersión de un gas en un líquido en forma de
burbujas pequeñas, (el caso del oxígeno del aire
en una suspensión de microorganismos para la
fermentación, o para el proceso de activación de
lodos en el tratamiento de aguas residuales).
Objetos de la agitaciónObjetos de la agitación

7. o Suspensión de partículas sólidas finas en un
líquido (en la hidrogenación catalítica de un
líquido, donde las partículas del catalizador
sólido y las burbujas de hidrógeno se dispersan
en un líquido.
o Agitación de un fluido para aumentar la
transferencia de calor entre dicho fluido y un
serpentín o una camisa en las paredes del
recipiente.
Objetos de la agitaciónObjetos de la agitación

8. EquiposEquipos
Equipo para agitación
Generalmente los líquidos se agitan en un
recipiente cilíndrico que puede estar cerrado o
abierto.
La altura del líquido debe equivaler en forma
aproximada al diámetro del tanque. Un motor
eléctrico impulsa al propulsor agitador, que
está montado en un eje.

9. EquiposEquipos

10. EquiposEquipos
Existen varios tipos de agitadores de uso
común:
Agitador propulsor de tres aspas
Agitadores de paletas.
Agitadores de turbina.
Agitadores de banda helicoidal

11. Agitador propulsor de tres aspasAgitador propulsor de tres aspas
El agitador de tres aspas de tipo marino es uno
de los más conocidos, similar a la hélice de un
motor fuera de borda para lanchas.
El agitador puede ser móvil para introducirlo
lateralmente en el tanque o estar montado en la
pared de un tanque abierto, en posición
desplazada del centro.
Estos agitadores giran a velocidades de 400 a
1750 rpm y son propios para líquidos de baja
viscosidad.

12. Agitador propulsor de tres aspasAgitador propulsor de tres aspas
Tiene un patrón de flujo que se llama flujo
axial, ya que el fluido fluye axialmente hacia
abajo en el eje central o eje de la hélice y hacia
arriba a los lados del tanque

13. Agitador propulsor de tres aspasAgitador propulsor de tres aspas
Tanque con deflectores y agitador de turbina
de patetas planas con patrón de flujo axial:
a) vista lateral, b) vista del fondo.

14. Agitador de paletasAgitador de paletas
Para velocidades de 20 a 200 rpm se emplean
diversos tipos de agitadores de paletas.
Se tienen sistemas de dos a cuatro paletas
planas.
A bajas velocidades se consigue una agitación
suave en un recipiente sin deflectores.
A velocidades más altas se usan deflectores
porque, sin ellos, el líquido simplemente hace
remolinos y en realidad casi no se mezcla.

15. Agitador de paletasAgitador de paletas
Varios tipos de agitadores:
a) Paleta de cuatro aspas, b) paleta de compuerta o ancla
c) abierta de seis aspas, d) turbina de aspas inclinadas (45º).

16. Agitador de paletasAgitador de paletas
La longitud total del
propulsor de paletas
mide del 60 al 80 %
del diámetro del
tanque y la anchura
de la paleta es de
1/6 a 1/10 de su
longitud.

17. Agitador de paletasAgitador de paletas
El agitador de paletas no es efectivo para sólidos
en suspensión porque, aunque hay un buen flujo
radial, hay poco flujo axial o vertical.
Se suele usar una paleta de ancla o compuerta, la
cual barre o raspa las paredes del tanque y a
veces su fondo.
Se emplea con líquidos viscosos que pueden
generar depósitos en las paredes y para mejorar
la transferencia de calor hacia las mismas, pero
no es buen mezclador. Se suele usar para
procesar pastas de almidón, pinturas, adhesivos
y cosméticos.

18. Agitador de turbinaAgitador de turbina
Cuando se procesan líquidos con amplia
diversidad de viscosidad se usan turbinas
semejantes a un agitador de paletas múltiples
con aspas más cortas.
El diámetro de una turbina suele medir del 30
al 50 % del diámetro del tanque.
Normalmente las turbinas tienen cuatro o seis
aspas.

19. Agitador de turbinaAgitador de turbina
Las turbinas con aspas planas producen un flujo
radial.
Para dispersar un gas en un líquido, el gas puede
hacerse penetrar justo por debajo del propulsor
de la turbina en su eje; de esa manera las paletas
dispersan el gas en muchas burbujas finas.

20. Agitador de turbinaAgitador de turbina
Con la turbina de hojas inclinadas con las aspas
a 45°, se imparte cierto flujo axial, de modo que
hay una combinación de flujos radial y axial.
Este tipo es útil para sólidos en suspensión, ya
que las corrientes fluyen hacia abajo y luego
levantan los sólidos depositados.

21. Agitador de turbinaAgitador de turbina
Tanque con deflectores con agitador de turbina de
seis aspas con disco, que muestra patrones de flujo
a) Vista lateral, b) vista superior,

22. Selección del agitadorSelección del agitador
La viscosidad del fluido es uno de los diferentes
factores que influyen en la selección del tipo de
agitador.
Los propulsores se usan para viscosidades del
fluido inferiores a 3 Pa s (3000 cp);
Las turbinas pueden usarse por debajo de unos
100 Pa s (100000 cp);

23. Selección del agitadorSelección del agitador
Las paletas modificadas como los agitadores
tipo ancla se pueden usar desde más de 50 Pa s
hasta unos 500 Pa s (500000 cp);
Los agitadores helicoidales y de tipo banda se
suelen usar desde arriba de este intervalo hasta
cerca de 1000 Pa s y se han utilizado hasta para
más de 25000 Pa s. Para viscosidades mayores
de unos 2,5 a 5 Pa s (5000 cp) o más, los
deflectores no se necesitan porque hay poca
turbulencia.

24. Trayectoria del flujoTrayectoria del flujo
La trayectoria del flujo en un tanque de
agitación depende:
de las propiedades del fluido,
de la geometría del tanque,
del tipo de deflectores
del propio agitador.

25. Trayectoria del flujoTrayectoria del flujo
Si el propulsor u otro agitador va montado
verticalmente en el centro del tanque sin
deflectores, casi siempre se desarrolla una
trayectoria de flujo tipo remolino.
Esto suele ser indeseable debido a que se atrapa
aire, se desarrolla vortice considerable y ocurren
oleadas y otros efectos perjudiciales, en especial
cuando se opera a velocidades altas.

26. Trayectoria del flujoTrayectoria del flujo
Para evitar el remolino puede usarse una
posición angular desplazada del centro cuando
se trata de propulsores de baja potencia. Sin
embargo, para agitación vigorosa a potencias
altas, las fuerzas no equilibradas pueden ser
severas y limitar el uso de esas potencias.

27. Trayectoria del flujoTrayectoria del flujo
Para lograr una agitación vigorosa con
agitadores verticales, se acostumbra el empleo
de deflectores para reducir el tamaño del
remolino y obtener así un buen mezclado.
Casi siempre basta con cuatro deflectores, que
tengan anchura de cerca de 1/12 del diámetro
del tanque para turbinas y propulsores.

28. Trayectoria del flujoTrayectoria del flujo
El impulsor de la turbina fuerza al líquido en
dirección radial hasta las paredes donde se
divide, en una porción que fluye hacia arriba,
hasta tocar la superficie para regresar hacia el
propulsor, mientras la otra porción fluye hacia
abajo.

29. Trayectoria del flujoTrayectoria del flujo
Algunas veces, cuando se trata de tanques con
grandes profundidades de líquido en
comparación con el diámetro del tanque, se
montan dos o tres propulsores en el mismo eje, y
cada uno actúa como un mezclador individual.
El propulsor inferior está cerca de 1,0 diámetro
del propulsor por arriba del fondo del tanque.

30. Trayectoria del flujoTrayectoria del flujo
En un sistema de agitación, el gasto volumétrico
del fluido que mueve el impulsor (esto es, la
velocidad de circulación), es un factor muy
importante para asegurarse de agitar la totalidad
del volumen del mezclador en tiempo razonable.

31. Trayectoria del flujoTrayectoria del flujo
Además, la turbulencia en la corriente de
agitación es decisiva para el mezclado, puesto
que arrastra al material hacia la corriente.
Algunos sistemas de agitación requieren una alta
turbulencia con velocidades de circulación
bajas; otros se basan en turbulencias bajas con
altas velocidades de circulación. Esto casi
siempre depende de los tipos de fluidos que se
mezclan y del grado de mezclado que se solicite.

32. DiseñoDiseño
Diseño típico de una turbina
El agitador de turbina de seis aspas con disco es
el más usado en las industrias de proceso.
Las proporciones geométricas del sistema de
agitación que se considera como el diseño típico
son:
5,0a3,0
D
D
t
a
=
1
D
H
t
=
3
1
D
C
t
=
5
1
D
W
a
=
3
2
D
D
a
d
=
4
1
D
L
a
=
12
1
D
J
t
=

33. DiseñoDiseño
Estas proporciones relativas son la base de las
correlaciones principales del desempeño de los
agitadores en muchas publicaciones.
En algunos casos, para las correlaciones del
agitador, W/Da = 1/8. El número de deflectores
en la mayoría de los usos es 4. El claro o brecha
entre los deflectores y la pared suele ser de 0,10
a 0,15 J para asegurar que el líquido no forme
bolsas estancadas cerca de esa zona. En pocas
correlaciones la relación entre el deflector y el
diámetro del tanque es J/Dt = 1/10 en lugar de
1/12.

34. Potencia ConsumidaPotencia Consumida
Potencia consumida en los recipientes de
agitación
Un factor trascendental en el diseño de un
recipiente de agitación es la potencia necesaria
para mover el impulsor.
Puesto que la potencia requerida para un sistema
dado no puede predecirse teóricamente, se
tienen correlaciones empíricas para estimar los
requerimientos de potencia.

35. Potencia ConsumidaPotencia Consumida
La presencia o ausencia de turbulencia puede
correlacionarse con el número de Reynolds del
impulsor N’Re, que se define como:
El flujo es laminar en el tanque cuando N’Re < 10, turbulento
cuando N’Re > 10000 y para un intervalo de 10 a 10000, el flujo
es de transición, mostrándose turbulento en el impulsor y laminar
en la partes más recónditas del recipiente.
µ
ρ
=
ND
N
2
a'
Re

36. Potencia ConsumidaPotencia Consumida
El consumo de potencia se relaciona con la
densidad del fluido ρ, su viscosidad μ, la
velocidad de rotación N y el diámetro del
impulsor Da, por medio de gráficas de número
de potencia Np en función del de N’Re. El
número de potencia es:
5
a
3P
DN
P
N
ρ
=

37. Potencia ConsumidaPotencia Consumida
Las diversas relaciones geométricas que difieren
del diseño "normal" pueden tener diferentes
efectos en el número de potencia Np en la región
turbulenta de los distintos agitadores de turbina.
1. Para la turbina abierta de seis aspas planas,
Np proporcional a (W/Da).
2. Para la turbina abierta de seis aspas planas, si
se hace varias Da/Dt, de 0,25 a 0,50

38. Potencia ConsumidaPotencia Consumida
3. Para dos turbinas abiertas de seis aspas
instaladas en el mismo eje, y si el espaciamiento
entre los dos impulsores (la distancia vertical
entre los bordes inferiores de las dos turbinas) es
a igual a Da, la potencia total es 1,9 veces la de
un impulsor de una aspa plana. Para dos turbinas
de seis aspas inclinadas (45°), la potencia
también es de cerca de 1,9 veces la de un
impulsor de aspa inclinada.

39. Potencia ConsumidaPotencia Consumida
4. Un tanque cuadrado vertical con deflectores y
un tanque cilíndrico horizontal tienen el mismo
número de potencia que un tanque cilíndrico
vertical, pero en ellos se producen patrones de
flujo marcadamente diferentes.

40. Potencia ConsumidaPotencia Consumida
4. Un tanque cuadrado vertical con deflectores y
un tanque cilíndrico horizontal tienen el mismo
número de potencia que un tanque cilíndrico
vertical, pero en ellos se producen patrones de
flujo marcadamente diferentes.

41. Fin de PresentaciónFin de Presentación
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