OPTIMIZACIÓN

Agitación y Mezclado de Líquidos

Introducción

Industrialmente se presentan problemas difíciles de solucionar con modelos ideales que se basan en suposiciones que en realidad no son validas, la homogenización y la agitación de los fluidos son unos de ellos, aunque con frecuencia tienden a confundirse, agitación y mezcla no se refieren al mismo fenómeno. La agitación se refiere al movimiento inducido de un fluido en una forma específica, generalmente de manera rotatoria en un contenedor o tanque. La mezcla es una distribución al azar de dos o más fases inicialmente separadas, con el fin de generar una sola fase lo más homogénea posible.

El término mezcla, o mezclado, se aplica a una gran variedad de operaciones que difieren ampliamente en el grado de homogeneidad del material mezclado. En este trabajo se trata la agitación de líquidos de baja o moderada viscosidad, de la mezcla de líquidos, dispersiones líquido-gas y suspensiones líquido-sólido en una perspectiva practica.

Tanques Agitados

Generalmente, los líquidos se agitan en tanques o recipientes de forma cilíndrica con los bordes redondeados para evitar los sitios muertos (sitios donde se reduce la transferencia de masa y cantidad de movimiento) y dispuestos verticalmente. La parte superior del recipiente puede estar abierta al ambiente o cerrada, la mayoría de las veces cerrada. Las proporciones del tanque varían bastante dependiendo de la naturaleza del problema de agitación pero un 95% de estos problemas se resuelve usando el siguiente diseño estándar.

El nivel del líquido no debe superar al diámetro del tanque. El Impulsor va instalado sobre un eje soportado en la parte superior o inferior. El agitador provoca que el líquido circule a través del tanque y regrese al mismo punto en un ciclo. Los deflectores se incluyen para reducir el movimiento tangencial e incrementar la transferencia de masa

Impulsores

La elección de un agitador mecánico apropiado para el funcionamiento adecuado del sistema de agitación o mezcla es fundamental. Se debe tener en cuenta el tipo de sustancia que se maneja y todas sus propiedades reológicas. El agitador es generalmente accionado mediante un motor eléctrico directa o indirectamente, el cual controla la velocidad de agitación y la dirección en la que gira el agitador.

Los agitadores se dividen en:

Impulsores de Flujo axial, generan corrientes paralelas al eje del impulsor Impulsores de flujo radial, generan corrientes en dirección radial tangencial

Figura 1. a) Impulsor de Flujo axial, b) Impulsor de Flujo radial.

Existen diferentes tipos de agitadores según su geometría y el tipo de mezcla a tratar, entre los principales están: paletas, turbinas y hélices. A escala de laboratorio es común la utilización de agitadores magnéticos por su simplicidad y economía. En algunos casos también son útiles agitadores especiales, pero con los cuatro tipos mencionados se resuelven aproximadamente el 95% de los problemas de agitación de líquidos.

Agitadores de paleta o pala.

Figura 2. Agitador de Pala.

Es un agitador de flujo radial eficaz formado por una o más paletas planas soportadas en un eje vertical, estas giran a velocidades bajas o moderadas (entre 20 y 150 rpm) en el centro del tanque, impulsando al líquido radial y tangencialmente, sin que exista movimiento vertical respecto del agitador, a menos que las paletas estén inclinadas. Las corrientes de líquido que se originan se dirigen hacia la pared del tanque y después siguen hacia arriba o hacia abajo.

En un agitador de ancla las paletas están adaptadas a la forma del fondo del tanque, de tal manera que en su movimiento pasan sobre ella con un espaciamiento muy pequeño, estos agitadores son útiles cuando se desea evitar el depósito de sólidos sobre una superficie de transmisión de calor, como ocurre en un tanque enchaquetado, pero no son buenos mezcladores. Generalmente trabajan conjuntamente con un agitador de paletas de otro tipo, que se mueve con velocidad elevada y que gira normalmente en sentido opuesto.

La longitud del rodete de un agitador de paletas es del orden de 50 al 80% del diámetro interior del tanque, la anchura de la paleta es de un sexto a un décimo de su longitud. A velocidades muy bajas, un agitador de paletas produce una agitación suave, en un tanque sin placas deflectoras o cortacorrientes, las cuales son necesarias para velocidades elevadas. De lo contrario el líquido se mueve como un remolino que gira alrededor del tanque, con velocidad elevada pero con poco efecto de mezcla.

Agitadores de Hélice.

Figura 3. Agitador de Hélice.

Es un agitador de flujo axial, que opera con velocidad elevada y se emplea para líquidos poco viscosos. Los agitadores de hélice más pequeños, giran a toda la velocidad del motor, unas 1.150 ó 1.750 rpm; los mayores giran de 400 a 800 rpm. Las corrientes de flujo, que parten del agitador, se mueven a través del líquido en una dirección determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque. La columna de remolinos de líquido de elevada turbulencia parte del agitador, arrastra en su movimiento al líquido estancado, generando una gran turbulencia en el seno del fluido. Las palas de la hélice cizallan o cortan vigorosamente el líquido.

Debido a la persistencia de las corrientes de flujo, los agitadores de hélice son eficaces para tanques de gran tamaño. Para tanques extraordinariamente grandes, del orden de 1500 m^3 se han utilizado agitadores múltiples, con entradas laterales al tanque. El diámetro de los agitadores de hélice, raramente es mayor de 45 cm, independientemente del tamaño del tanque. En tanques de gran altura, pueden disponerse dos o más hélices sobre el mismo eje, moviendo el líquido generalmente en la misma dirección. A veces dos agitadores operan en sentido opuesto creando una zona de elevada turbulencia en el espacio comprendido entre ellos.

Agitadores de Turbina.

Figura 4. Turbina de palas.

Son agitadores de flujo radial y tangencial, la mayor parte de ellos se asemejan a agitadores de múltiples y cortas paletas, que giran con velocidades elevadas sobre un eje que va montado centralmente dentro del tanque. Las paletas pueden ser rectas o curvas, inclinadas o verticales. El rotor puede ser abierto, semi-cerrado o cerrado. El diámetro del rotor es menor que en el caso de agitadores de paletas, siendo del orden del 30 al 50% del diámetro del tanque. Los agitadores de turbina son eficaces para un amplio intervalo de viscosidades; en líquidos poco viscosos, producen corrientes intensas, que se extienden por todo el tanque y destruyen las masas de líquido estancado. En las proximidades del rodete existe una zona de corrientes rápidas, de alta turbulencia e intensos esfuerzos cortantes. Las corrientes principales son radiales y tangenciales. Las componentes tangenciales dan lugar a vórtices y torbellinos, que se deben evitar por medio de placas deflectoras o un anillo difusor, con el fin de que el rodete sea más eficaz. El agitador de turbina semi-abierto, conocido como agitador de disco con aletas, se emplea para dispersar o disolver un gas en un líquido. El gas entra por la parte inferior del eje del rodete; las aletas lanzan las burbujas grandes y las rompen en muchas pequeñas, con lo cual se aumenta grandemente el área interfacial entre el gas y el líquido.

Agitadores magnéticos

Figura 5. Un agitador magnético.

Es un agitador de flujo radial, este patrón es provocado mediante el movimiento circular de una barra de material magnético, la cual esta normalmente recubierta por una capa de material químicamente inerte, el movimiento ocurre por la acción de un solenoide o una serie de solenoides los cuales crean un campo magnético rotatorio que hace girar la barra, el solenoide es soportado en una placa y puede estar dispuesto con una serie de resistencias eléctricas las cuales suministran un flujo de calor que calienta la solución con el fin de aumentar la temperatura y así la solubilidad de las sustancias involucradas si el problema asi lo requiere.

Impulsores de alta eficiencia.

Figura 6. Impulsor de hojas inclinadas

Son variaciones de las turbinas de aspas inclinadas, que proporcionan un flujo axial más uniforme y mejor mezclado. Además su forma aerodinámica reduce la potencia requerida para un flujo determinado, son ampliamente usados para mezclar líquidos de baja o moderada viscosidad y no se recomiendan para líquidos muy viscosos o para dispersar gases.

Agitadores para líquidos altamente viscosos.

Figura 7. a) Agitador de cinta de doble hélice helicoidal; b) Agitador de Ancla

Para una viscosidad superior a 20 Pa.s se recomienda un agitador de cinta de doble hélice, el diámetro de la hélice es muy cercano al diámetro interior del tanque, lo cual garantiza el movimiento del líquido en todas las direcciones a la pared del tanque, aun con materiales muy viscosos.

Los agitadores de ancla son recomendados para la agitación cerca del fondo; promueven una buena transferencia de calor desde o hacia la pared del tanque. Pero son menos efectivos que el de cinta helicoidal, ya que no crea movimiento vertical.

Tipo de agitador según la viscosidad de la sustancia.

Cada problema de agitación puede tener uno o más agitadores óptimos en su solución,

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