Equipo: Tanque de mezcla Nomencatura En la siguiente figura se presenta esquemáticamente la nomenclatura empleada en las ecuaciones anteriormente presentadas.
Figura 2. Factores de forma para el diseño de tanques agitados [Adaptado de 3, Pág. 251]
H: altura del fluido dentro del tanque Dt: Diámetro del tanque Da: Diámetro del agitador E: altura desde el fondo del tanque hasta el centro del agitador J: Ancho de los deflectores en el tanque W: Ancho de las paletas en el agitador de turbina L: Largo de las paletas en el agitador de turbina La nomenclatura usada para el cálculo del número adimensional de potencia, es la siguiente: P*: Número adimensional de potencia P: Potencia suministrada r: Densidad del fluido N: Revoluciones del eje
Equipo: Tanque de mezcla Ecuaciones de Diseño En el diseño de un tanque agitado es de gran importancia la correcta elección de diferentes variables como lo son, el tipo de agitador a emplear, su localización, la geometría y proporciones del tanque, el número y dimensiones de las placas deflectoras así como la velocidad apropiada del agitador. Estas decisiones tienen influencia en la velocidad de circulación del líquido, los modelos de velocidad y el consumo de potencia. Existen relaciones para la geometría óptima de tipos de agitador y del tanque. A continuación se muestran algunas proporciones típicas expuestas por MacCabe (1993), para el diseño de un tanque con agitador de turbina.
[Ecuación
1]
[Ecuación
2]
[Ecuación
3]
[Ecuación
4]
[Ecuación
5]
[Ecuación
6]
Un número muy importante para caracterizar los tanques de agitación es el número adimensional de potencia [2],
[Ecuación donde
r
es
la
densidad
del
7] fluido,
N
son
las
revoluciones
del
eje
y
P
la
potencia
suministrada.
Por otra parte, el número de placas deflectoras es generalmente 4 y el de palas del agitador varía entre 4 y 16, pero generalmente es de 6 u 8. En la práctica, el diseño de la agitación debe tener en cuenta adicionalmente dos factores: el grado de homogeneidad y el tiempo de mezcla. Dado que el resultado de la mezcla nunca es perfecto, el grado de homogeneidad obedece a la calidad deseada en el producto final. Finalmente, la potencia requerida en la agitación depende de estos dos factores, así como del rendimiento [2].
Usos Los tanques agitados son utilizados en: Suspensión de partículas sólidas Mezcla de líquidos miscibles Dispersión de un gas a través de un líquido Dispersión de líquidos inmiscibles para formación de emulsiones Promover la transferencia de calor entre un líquido y un serpentín o una chaqueta Permitir el contacto entre el sustrato y el agente biológico en las fermentaciones
Una vez el fluido a agitar es alimentado al tanque, se activa el mecanismo de agitación y se mantiene en operación hasta que se cumplan los requerimientos del proceso. La actividad del tanque agitado consiste en generar flujos que permitan la mezcla, dispersión, solubilización, o suspensión de diferentes fluidos. El tipo de flujo que se produce en el tanque agitado, depende del tipo de agitador, de las características del fluido, y del tamaño y proporciones del tanque, placas deflectoras y agitador. La velocidad del fluido en un punto del tanque tiene tres componentes. La primera componente de velocidad es radial y actúa en dirección perpendicular al eje del agitador. La segunda es longitudinal y actúa en dirección paralela al eje. La tercera es tangencial o rotacional, y actúa en dirección tangencial a la trayectoria circular descrita por el agitador. Las componentes radial y longitudinal proporcionan el flujo necesario para que se produzca la mezcla; por su parte el flujo tangencial sigue una trayectoria circular alrededor del eje y crea un vórtice en la superficie del líquido [3, Págs. 242-293].
Partes Internas El tanque agitado esta provisto de un agitador o varios agitadores, especialmente diseñados para mezclar, dispersar, solubilizar o suspender; montados sobre un eje vertical que lo soporta desde arriba y está conectado a un motor eléctrico o a un motoreductor que acciona el eje. De igual manera se puede emplear más de un eje para un mismo tanque. De acuerdo con lo expresado por McCabe (1993), los agitadores se dividen en dos clases. Los que generan corrientes paralelas al eje del impulsor que se denominan impulsores de flujo axial; y los que generan corrientes en dirección radial tangencial que se llaman impulsores de flujo radial. Los tres tipos principales de agitadores son, de hélice, de paletas, y de turbina (ver figura 1): * Hélices: Una hélice es un agitador de flujo axial, que opera con velocidad elevada y se emplea para líquidos de baja viscosidad. 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, que parte del agitador, arrastra en su movimiento al líquido estancado. Son eficaces en tanques muy grandes, generalmente posee tres aspas y se usa para homogeneizar, suspender y favorecer el intercambio de calor.
Figura 1. Principales tipos de agitadores. [Rosero] * Palas o paletas: Se utiliza para los casos más sencillos de agitación o mezcla. Consta de una o varias palas planas (frecuentemente de dos a cuatro palas), que giran sobre un eje vertical a bajas o moderadas velocidades en el centro del tanque, impulsando el líquido radial y tangencialmente, sin que exista movimiento vertical respecto del agitador, a menos que las paletas estén inclinadas. La anchura de la pala es de un sexto a un décimo de su longitud, la cual generalmente comprende entre el 50 y el 80% del diámetro del tanque. Se utiliza para homogeneizar, favorecer el intercambio de calor, inyección de un gas en un fluido y emulsionar. * Turbinas: La mayor parte de ellas se asemejan a agitadores de múltiples y cortas paletas, que giran a altas velocidades sobre un eje montado centralmente en el tanque, generando corrientes principalmente radiales y tangenciales. Las paletas pueden ser rectas o curvas, inclinadas o verticales y su diámetro varía entre 30 y el 50% del diámetro del tanque. Las turbinas son eficaces para un amplio intervalo de viscosidades. Los tanques de agitación suelen estar dotados de placas deflectoras o cortacorrientes verticales, instalados en la pared del tanque, para proporcionar una mayor agitación y evitar que el movimiento del agitador arrastre todo el líquido en masa sin que se mezcle [1, Págs. 528- 535], como un remolino que gira alrededor del tanque con velocidad elevada pero con poco efecto de mezcla. En tanques pequeños son suficientes 4 placas deflectoras, para evitar remolinos y formación de vórtice. Si el eje del agitador está desplazado del centro o inclinado, no se necesitan placas deflectoras. Adicionalmente pueden incluir varios accesorios como líneas de tuberías de entrada y salida, puertos de medición y muestreo, serpentines, chaquetas y manholes.
