Agitacion

 

 

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Unidad 2

INSTITUTO TECNOLOGICO DE ORIZABA

Unidad II AGITADORES Y MEZCLADORES 

ADRIANA SARAY VAZQUEZ ACOSTA ANGELICA MEDEL TEPALE MARTHA ELOISA FONSECA HERNANDEZ LUIS ALBERTO OLIVERA ZEPEDA 

M.C. ALFONSO MAÑON ALARCÓN AGOSTO - DICCIEMBRE 2012 

14 DE NOVIEMBRE DE 2 12

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UNIDAD II AGITADORES Y MEZCLADORES MEZCLADORES  El éxito de muchas operaciones industriales depende de la eficaz agitación y mezcla de fluidos. Aunque con frecuencia tienden a confundirse, agitación y mezcla no son sinónimos. La agitación  se refiere al movimiento inducido de un material en una forma específica, generalmente con un modelo circulatorio dentro de algún tipo de contenedor. La mezcla es una distribución al azar de dos o más fases inicialmente separadas. Un único material homogéneo, tal como un tanque con agua fría, puede ser agitado pero, en cambio, no puede mezclarse mientras no se le adicione otro material, tal como una cierta cantidad de agua caliente o algún sólido pulverulento. El término mezcla, o mezclado, se aplica a una gran variedad de operaciones que difieren ampliamente en el grado de homogeneidad del material «mezclado». Consideremos, en un caso, dos gases que han de mezclarse totalmente, y un segundo caso en el que arena, grava, cemento y agua que se voltean en un tambor rotatorio durante un largo período de tiempo. En ambos casos se dice que el producto final está mezclado. Es evidente que los productos no son igualmente homogéneos. Las muestras de gases mezclados -aun cuando las muestras sean muy pequeñas- todas tienen la misma composición. Por otra parte, pequeñas muestras de hormigón mezclado difieren mucho de la composición.

2.1 Agitadores y mezcladores Agitación En las industrias i ndustrias químicas de procesos y en otras semejantes, muchas operacione operacioness dependen en alto grado de la agitación y mezclado eficaz de los fluidos, Por lo general, la agitación se refiere a forzar un fluido por medios mecánicos para que adquiera un movimiento circulatorio en el interior de un recipiente. El 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. Existen varios objetivos en la agitación de fluidos y algunos de ellos son: 1.  Mezclado de dos líquidos miscibles, tales como alcohol etílico y agua. 2.  Disolución de sólidos en líquidos, tales como sal en agua. 3.  Dispersión de un gas en un líquido en forma de burbujas pequeñas, como en el caso del oxígeno del aire en una suspensión de microrganismos para la fermentación, o para el proceso de activación de lodos en el tratamiento de aguas de desperdicio. 4.  Suspensión de partículas sólidas finas en un líquido, tal como en la hidrogenación catalítica catalítica de un líquido, donde las partículas del catalizador sólido y las burbujas de hidrógeno se dispersan en un líquido.

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5.  Agitación de un fluido para aumentar la transferencia de calor entre dicho fluido y un serpentín una camisa en las paredes del recipiente.

Equipo para la agitación Generalmente, los líquidos se agitan en un recipiente cilíndrico que puede estar cerrado o abierto. Las proporciones del tanque varían bastante dependiendo de la naturaleza delestandarizado. problema de agitación. Sin embargo, muchas situaciones se utiliza un diseño El fondo del tanque es en redondeado y no plano, con el fin de eliminar los rincones escarpados o regiones en las que no penetrarían las corrientes de fluido. La altura del líquido es aproximadamente igual al diámetro del tanque. El rodete va instalado sobre un eje suspendido, es decir, un eje soportado en la parte superior. El eje está accionado por un motor, a veces directamente conectado al eje, pero más frecuentemente acoplado al eje a través de una caja reductora de velocidad. Generalmente lleva incorporados también accesorios tales como tubuladuras de entrada y salida, serpentines, encamisados y vainas para termómetros u otros instrumentoss de medida de la instrumento l a temperatura. El rodete crea del un modelo flujo en el sistema, lugar a que el líquido circule a través tanque yde eventualmente retornedando al rodete.

Figura 2.1 Tanque típico de proceso de agitación EQUIPO2

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Agitador propulsor de tres aspas. Existen varios tipos de agitadores de uso común. Uno de los más conocidos es el agitador de tres aspas de tipo marino, similar a la hélice de un motor fuera de borda para lanchas. El agitador puede ser móvil para introducirlo lateralmente 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 (revoluciones por minuto) y son propios para líquidos de baja viscosidad. En la figura 2.2 se muestra el patrón de flujo en un tanque con deflectores y con un propulsor colocado el centro tanque. hacia Este tipo de patrón de flujo se llama flujo axial, ya que en el fluido fluyedel axialmente abajo en el eje central o eje de la hélice y hacia arriba a los lados del tanque, como se muestra en la citada figura.

Figura 2.2 Tanque con deflectores y agitador de turbina de paletas planas con patrón de flujo axial. a)Vista lateral b)Vista del fondo

Agitadores 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. La longitud total del propulsor de paletas mide del 60 al 80% del diámetro del tanque yse la consigue anchura de la paleta es de 1/6 aen 1/10 su longitud. A bajas velocidades una agitación suave un de 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. 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, ilustrada en la figura 2.2, 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. 

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Figura 2.3. Varios tipos de agitadores. a) Paletas de cuatro aspas, b) Paleta de compuerta o ancla, c) Turbina abierta de seis aspas, d)turbina de aspas inclinadas (45°)

Agitadores de turbina. Cuando se procesan líquidos con amplia diversidad de viscosidades 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. En la figura 2.3. se muestra un agitador de turbina de seis aspas, con disco y una turbina plana abierta de seis aspas. Las turbinas con aspas planas producen un flujo radial, como se muestra en la figura 2.3. 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 tinas. 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 l uego levantan los sólidos depositados.

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Figura 2.4. Tanque con deflectores con un agitador de turbina de seis aspas con disco, que muestra patrones de flujo: a) vista lateral, b) vista superior, c) dimensiones de la turbina y el tanque

Agitadores de banda helicoidal.  Este tipo de agitadores se usa para soluciones sumamente viscosas y opera a pocas rpm, en la región laminar. La banda se forma en una trayectoria helicoidal y está unida a un eje central. El líquido se mueve en una trayectoria de flujo tortuosa hacia abajo en el centro y hacia arriba a los lados, con movimiento de giro, Otros tipos semejantes son el de banda helicoidal doble y el de banda helicoidal con tornillo. Selección de agitadores La viscosidad del fluido es uno de los diferentes factores que influyen en la selección del tipo de agitador. En seguida se dan algunas indicaciones de los intervalos dedel viscosidad de esos agitadores. Los se usan viscosidades fluido inferiores a 3 Pa*s (3000 cp); las propulsores turbinas pueden usarsepara por debajo de unos 100 Pa*s (100000 cp); 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.

Mezclado La operación de mezcla es mucho más difícil de estudiar y describir que la agitación. Los tipos de flujo de la velocidad de un líquido en un tanque agitado, aunque son bastante reproducibles. potencia complejos, se mide fácilmente. Los definidos resultadosy de los estudios Eldeconsumo mezcla, de sin EQUIPO2

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embargo, son difíciles de reproducir y dependen en gran medida de cómo se defina la «mezcla» por el experimentador experimentador.. Con frecuencia el criterio de mezcla es visual, como ocurre en la utilización de fenómenos de interferencia para seguir la mezcla de gases en una conducción o en el cambio de color de un indicador ácido-base, para la determinación del grado de mezcla de líquidos. Otros criterios que han sido utilizados son, la velocidad de caída de las fluctuaciones de concentración que tienen lugar cuando un fluido contaminante se inyecta en la corriente del fluido; la l a variación de composición de pequeñas muestras tomadas al azar, en distintos puntos de la mezcla; la velocidad de transferencia de un soluto de una fase líquida a otra; y en mezclas sólido-líquido, la uniformidad que se observa visualmente en la suspensión

Equipo para mezclado Mezcla de líquidos miscibles. La mezcla de líquidos miscibles en un tanque es un proceso rápido si el régimen de flujo es turbulento. El rodete produce una corriente de alta velocidad y el fluido probablemente se mezcla con rapidez en la región próxima al rodete debido a la intensa turbulencia. A medida que la corriente se modera, arrastrando algo de líquido y fluyendo a lo largo de la pared, hay algo de mezcla radial debido a que los grandes remolinos se rompen en pequeños, peroun probablemente hay poca mezclaa en la dirección de otros flujo. más El líquido completa lazo de circulación y retorna la entrada del rodete, donde ocurre de nuevo una vigorosa mezcla. Los cálculos basados en este modelo ponen de manifiesto que debería alcanzarse una mezcla esencialmente completa (99%) si el contenido del tanque circulase alrededor de 5 minutos. El tiempo de mezcla puede, por tanto, predecirse a partir de las correlaciones correlacion es para el flujo total producido por distintos rodetes.

Mezcla en chorros. En grandes tanques de almacenamiento, la mezcla se realiza a veces utilizando un chorro de líquido que entra lateralmente. La corriente mantiene su identidad durante una distancia considerable, que muestra el comportamiento de un chorro circular de líquido que sale de una boquilla y fluye a alta velocidad dentro de una masa estancada del mismo líquido. La velocidad en el chorro la salida de sección la boquilla es uniforme y constante. formando unanúcleo cuya disminuye con la distancia aPermanece la boquilla.así El núcleo está rodeado por un chorro turbulento que se expande, en el cual la velocidad radial disminuye con la distancia a la línea central del chorro. El núcleo que se va estrechando desaparece a una distancia de la boquilla de , donde   es el diámetro de la boquilla. El chorro turbulento mantiene su integridad bastante más allá del punto en el que desaparece el núcleo, pero su velocidad va disminuyendo paulatinamente. El crecimiento radial de la velocidad va acompañado de un aumento de la presión de acuerdo con la ecuación de Bernoulli. El fluido circula hacia el interior del chorro y es absorbido, acelerado y mezclado dentro del chorro aumentado. Este proceso recibe el nombre de : arrastre. Una Una ecuación aplicable para distan distancias cias superiores a es

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Donde:

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Figura 2.5 Flujo de un chorro circular sumergido

Además de arrastre, en el líquido entre el chorro y el líquido que lo rodea, existen intensos esfuerzos cortantes. Estos esfuerzos cortantes arrancan remolinos en los bordes y generan una considerable turbulencia que también contribuye a la acción de mezcla. Con solamente un gran flujo de líquido no se consigue una mezcla satisfactoria, sino que es preciso dar suficiente espacio y tiempo a la corriente para que se mezcle con la masa de fluido por la acción del mecanismo de arrastre. Se dispone de correlaciones para el tiempo de mezcla con un chorro que entra lateralmente.

Mezcladores sin movimiento.  Los gases o los fluidos no viscosos pueden con frecuencia mezclarse satisfactoriamente, haciéndolos circular juntos a través de una determinada longitud de conducción abierta o de una tubería que contiene placas con orificios o placas deflectoras segmentadas. En condiciones adecuadas la longitud de tubería puede ser tan corta como 5 a 10 diámetros de tubería, pero se recomiendan de 50 a 100 diámetros de tubería. Los trabajos más difíciles de mezclado se llevan a cabo mediante mezcladore mezcladoress sin movimiento, que son aparatos comerciales en los que elementos estacionarios dividen y recombinan sucesivamente sucesivamente partes de la corriente del fluido.

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En el mezclador que se presenta en la Figura 2.6, cada uno de los elementos helicoidales cortos divide la corriente en dos, la hace girar un ángulo de 180”, y la descarga en el

elemento siguiente que está colocado formando un ángulo de 90” con el borde trasero del primer

elemento. El segundo elemento divide nuevamente la corriente ya dividida y la gira 180” en sentido

contrario. Por tanto, para n  elementos hay 2 divisiones y recombinaciones, o sea, más de 1 millón en un mezclador de 20 elementos. La caída de presión típica es de unas cuatro veces mayor que en la misma longitud de tubería vacía. La mezcla, aun para materiales altamente viscosos, es excelente después de 6 a 20 elementos. Los mezcladores Figura 2.6. Mezclador sin movimiento estáticos se utilizan para el mezclado de líquidos, dispersión de gases y líquidos, reacciones químicas y transmisión de calor. Son especialmente eficaces para el mezclado de fluidos de baja viscosidad, con pastas o líquidos viscosos.

Mezcladoras por cargas Mezcladoras de recipientes intercambiables. Estas mezcladoras son verticales y para operaciones por cargas, y el recipiente es una unidad remplazable que se coloca o retira con facilidad de la máquina. Existen en capacidades entre 4 a 1500 L. El más común es la mezcladora de guías. Los recipientes separados permiten que las cargas se midan o pesen antes de introducirse a la mezcladora. Los recipientes cambiables son relativamente poco costosos. Un buen suministro de esos recipientes permite que se realice la limpieza en una sección separada, dispuesta para efectuarla de modo eficiente.

Figura 2.7. Mezcladora de recipiente intercambiable

En la mayor parte de las mezcladoras de recipiente cambiable, los elementos mezcladores se retiran del recipiente mediante un elevador vertical una cabez cabeza a basculan basculante; te; en otros, el recipiente asciende, EQUIPO2

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alejándose de los elementos fijos de la mezcladora. Después de la separación, los elementos mezcladores mezcladores se drenan al interior del recipiente y se pueden limpiar las palas. Una vez retirado el recipiente, resulta simple la limpieza completa de las palas y sus soportes. La mezcla íntima se realiza en mezcladores de recipientes cambiables en dos formas distintas. Uno de los métodos consiste en hacer girar el montaje de la unidad mezcladora con un movimiento orbital, de tal modo que los rotores barran toda la circunferencia del recipiente. El otro consiste en montar el recipiente sobre un recipiente giratorio, de modo que todas las zonas de la pared del recipiente pasen cercanas a unos brazos fijos que permiten el raspado de la pared del recipiente o bien que las palas agiten en un punto donde exista una concentración concentrac ión de material.

Mezcladoras de aspas helicoidales. El elemento de mezclado puede ser una hélice cónica o cilíndrica, o bien un tornillo sinfín ajustado al eje principal y sobre el que, además, emergen una serie de radios conectados, que tienen una superficie continua helicoidal, helicoidal, desde el eje hasta la periferia de la hélice. Una mezcladora de eje vertical helicoidal puede combinarse con un tornillo axial de menor diámetro. Estos mezcladores se utilizan en reacciones de polimerización, en las que es necesario un mezclado uniforme pero no se requiere una dispersión con una elevada tensión de corte. La inclusión i nclusión de un desviador interno contribuye un poco mas al movimiento en el mezclado de los fluidos newtonianos, pero reduce, de forma significativa, el tiempo de mezclado en los sistemas no newtonianos con una cantidad adicional casi despreciable de potencia en el impulsor.

Mezcladoras-amasadoras de doble brazo.  El equipo clásico de mezclado y amasado consiste en dos brazos (palas) con rotación contraria, alojadas en una cámara rectangular de fondo curvo, que forman dos semicilindros longitudinales y una sección de apoyo. Las palas se impulsan mediante engranajes situados en cualquiera de los extremos o en ambos. El tipo más antiguo de este dispositivo se vacía a través de una compuerta, o válvula, situada en el fondo y es utilizado, todavía, cuando se produce la descarga total o cuando no es esencial una limpieza exhaustiva entre dos cargas. No obstante, y comúnmente, estos equipos se inclinan para facilitar su descarga y el mecanismo basculante puede ser manual, mecánico o

Figura 2.8. mezcladoraamasadora de doble brazo

hidráulico. EQUIPO2

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Existe una gran variedad de forma de palas. La acción de mezclado es una combinación del movimiento de la masa, empapado-untado, estiramiento, plegado, división y recombinación, conforme se impulsa y retira el material de las palas, apoyos y paredes laterales. Las palas se inclinan para lograr una circulación de extremo a extremo. Por lo general, la rotación es tal que obliga al material a descender hasta la zona de apoyo. Los espaciados suelen ser muy pequeño y cercanos a 1mm. Las palas pueden ser tangenciales o con superposición. Las tangenciales funcionan con diferentes velocidades, con las ventajas de mezclado más rápido a consecuencia del cambio constante de la posición relativa, una mayor área despejado para la transferencia de calor por unidad de volumen y una menor acumulación de materiales sobre las palas. Las superpuestas se pueden diseñar para prevenir o evitar la acumulación de materiales pegajosos sobre sobre ellas. El tipo de agitador que más se utiliza es el de pala tipo sigma, que puede funcionar con líquidos o sólidos o con una combinación de ambos. Las palas sigma tienen buena acción de mezclado, descargan con facilidad los materiales que no se pegan a los brazos y son relativamente fáciles de limpiar cuando se procesan materiales materiales pegajosos. Las de tipo de dispersión se desarrollaron, sobre todo, para proporcionar un corte de compresión más elevado que el que se alcanza con la sigma estándar. La cara de los brazos comprime los materiales entre ella misma y la artesa, en lugar de raspar esta última, y son particularmente apropiadas para la Figura 2.8. Palas de agitación para amasadoras de brazo doble. (a)Sigma; (b) Dispersión; (c) Múltiples superpuestas limpiables; (d) Curvas sencillas; (e) Rótula doble

dispersión de partículas finas en un material viscoso. Los materiales elásticos tienen tendencia a aglutinarse sobre las palas y se utiliza con frecuencia u ariete para mantener el material en la zona de mezclado.

Las palas múltiples superpuestas con autolimpiado (MWOL) se emplean con mezclas que se inician con cierta dificultad y con características elásticas, hasta que las palas logran trocear el material en pedazos pequeños antes de plastificarlo. EQUIPO2

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Se han desarrollado muchos otros diseños de palas para aplicaciones específicas. Las de rótula doble son buenas para mezclas que se pegan, o sea, que forman una masa que cubre las palas de tipo sigma.

Mezcladoras de descarga de tornillo por cargas. Existe en la actualidad una variante de la mezcladora de brazos del tipo sigma, con un tornillo de descarga por extrusión situado en la sección del cojinete. Durante el ciclo de mezclado, el tornillo desplaza el material hasta el alcance de las palas mezcladoras, acelerando el proceso. En el momento de la descarga, se invierte la dirección de rotación del tornillo y se extruye el material mezclado a través de aberturas apropiadas en el lateral de la máquina. El tornillo sinfín de descarga se impulsa independientemente independienteme nte de los brazos o palas de la mezclador mezcladora a mediante un sistema de transmisión separado. Las capacidades de trabajo oscilan entre los 4 y los 3800 L (1 a 1000 gal), con potencias hasta de 300 kW (400 hp). Este tipo de amasadora la ofrecen la mayoría de los fabricantes de amasadoras de brazos dobles. Resulta particularmente adecuada cuando se pueda dejar un resto de la carga anterior sin detrimento para las siguientes.

Mezcladoras intensivas Mezclador Banbury.  En el campo de las mezcladoras de lata intensidad, con un consumo de potencia de hasta 6000 kW/m3  (30 hp/gal), predomina la mezcladora Banbury. Se utiliza principalmente en las industrias del caucho y de los materiales plásticos. La parte superior de la carga se sella mediante una cubierta en forma de pistón impulsada por aire, que se monta de modo que se pueda desplazar hacia abajo, sobre la carga. El espaciado entre los rotores y las paredes es extremadamente pequeño y es allí donde tiene lugar la acción de mezclado. El espaciado entre los rotores de una Banbury a diferentes velocidades permite que el primer rotor impulse al material contra la parte posterior del otro, contribuyendo al arrastre de materiales de esa zona. El consumo de potencia es extremadamente alto y funcionan con velocidades de 40 rpm o inferiores, lo que exige unos ejes para los rotores de diámetros grandes. La combinación de ejes muy pesados, brazos de Figura 2.9. Mezcladora mezcla cortos, espaciados pequeños y cargas Banbury aisladas, limitan la capacidad de la Banbury a pequeñas cargas. La capacidad de producción puede aumentar en tanto sea posible la instalación de propulsores más potentes, y aumentando la velocidad de rotación de las EQUIPO2

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palas hasta la máxima que pueda soportar el material procesado. La fricción producida es muy grande, y cuando se manejan materiales sensibles al calor, el enfriamiento puede constituir un factor limitante.

Mezcladoras de alta intensidad.   Estas mezcladoras combinan una zona de alta tensión de corte con una zona con un flujo en forma de vórtice. Las palas están situadas en el fondo del recipiente, permitiendo arrastrar los materiales en dirección ascendente con unas velocidades periféricas cercanas a los 40 m/s (130 ft/s). La más importante tensión de corte (hasta 20,000 s-1) y el impacto de las palas reducen fácilmente los aglomerados y contribuyen a que se produzca una dispersión íntima. Puesto que el consumo energético es elevado [200 kW/m3  (8 hp/ft3)] hasta los materiales pulverulentos se calientan con rapidez. Existen mezcladores de este tipo en tamaños entre los 4 y los 2000 L (1 a 500 gal) que consumen entre entre 1.5 y 375 kW (2 a 500 hp).

Figura 2.10. Mezclador de alta intensidad. (a) Rascador de fondo; (b) sistema para fluidizar; (c) detector de flujo; (d) sistema de nivelación y descarga.

Estos mezcladores son particularmente apropiados para la mezcla rápida de polvos y materiales granulados con líquidos, para disolver resinas o para eliminar los volátiles de las pastas a vacío. v acío.

Molinos de rodillos. Los molinos de rodillos pueden proporcionar un esfuerzo cortante muy localizado y extraordinariamente alto, conservando una superficie extendida para el control de la temperatura. Otras mezcladoras por cargas  EQUIPO2

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Mezcladoras volumétricas. Muchas de las mezcladoras utilizadas para mezclar sólidos son igualmente apropiadamente algunos sistemas líquido-sólido. Las mezcladoras de cinta pueden utilizarse para el humedecimiento o el recubrimiento de un polvo. Cuando el producto final, en forma de pasta, no es demasiados fluido, se utilizan otros equipos de manejo de sólidos. Mezcladoras de tipo guillotina.  Estos mezcladores se pueden utilizar en sistemas por cargas o en continuo. Los dispositivos en forma de guillotina colocados sobre el eje horizontal giran con velocidades altas y arrojan el material al espacio libre del recipiente. Se produce una mezcla mayor a medida que los agitadores mezclan el lecho de sólidos. Se pueden instalar unidades cortadoras especiales de alta velocidad (3600 rpm) para romper loa agregados y contribuir a la incorporación incorpora ción del líquido. Los cortadores dispersan, también, las partículas finas en el seno de los materiales viscosos proporcionando una suspensión uniforme. Existen equipos con tamaños tamaños entre 40 L y 40 m3 (10 a 10000 gal) de capacidad de trabajo. Mezcladoras de cono y tornillo sinfín.  La mezcladora utiliza la acción orbital de un tornillo helicoidal que gira sobre su propio eje para arrastrar materiales hacia la zona superior mientras gira, igualmente, en torno al eje central de la carcasa cónica, cerca de la pared, creando una circulación desde la zona superior hasta el fondo del recipiente. La inversión del sentido de giro del tornillo contribuye a facilitar la descarga de los materiales pastosos. Estas mezcladoras tipo Nauta procesan las cargas parciales en forma tan eficiente como las cargas completas. Estas mezcladoras, que existen en tamaños entre 40 L y 40 m3  (10 a 10000 gal) logran excelentes mezclas con un bajo consumo energético, y generan cierto esfuerzo que permite alguna dispersión hidráulica. A velocidad constante, constante, tanto el tiempo de mezclado como la potencia aumentan  con la raíz cuadrada del volumen.

Figura 2.11. Mezcladora Nauta

Mezcladora Pan Muller. Estas mezcladoras se pueden usar cuando la pasta no es demasiado fluida o pegajosa. La principal aplicación de las mezcladoras de martillos es el la industria de la fundición, en la mezcla de pequeñas cantidades de humedad y materiales aglutinantes con partículas de arena, para nucleación y el moldeo de arena. En el procesamiento de pastas, las mezcladoras de bandeja y guillotina se utilizan primordialmente para mezclar pastas arcillosas, mientras que las mezcladoras de martillos manejan materiales como arcilla, pasta para almacenamiento de baterías, recubrimientos de electrodos para soldar y recubrimientos recubrimient os de chocolate.

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En las mezcladoras de martillos, la rotación del recipiente circular o de las guillotinas permite transportar el material, de una forma progresiva, a la zona donde se localizan los martillos donde se produce una acción más intensa.

Figura 2.11. Mezcladora de martillos y guillotinas. (a) Vista en planta. (b) Sección frontal

Las mezcladoras estándar de martillos varían en capacidad desde una fracción de ft cúbico hasta más de 1.8 m 3 (60 ft3) con consumos entre 0.2 a 56 kW (1/3 a 75 hp). Un posible diseño de equipo, para un trabajo en régimen continuo con martillos trituradores, utiliza dos recipientes acoplados y comunicados, y cada uno de ellos tiene sus propias guillotinas y martillos. En el punto de intersección de los dos recipientes, unas rejas exteriores proporcionan un intercambio, aproximadamente igual, de material de un recipiente al otro, acumulándose material en la primera unidad hasta que la velocidad de alimentación y de descarga por la compuerta del segundo sean iguales. El tiempo de residencia se regula ajustando la compuerta de salida.

Mezcladoras continuas Algunos de los sistemas por cargas descritos anteriormente pueden adaptarse para trabajar en continuo. La uniformidad del producto acabado resulta algo deficiente por la amplia distribución de tiempos de residencia. Si los diferentes ingredientes pueden medirse de forma segura, si que existen algunos equipos continuos para este propósito. Los sistemas continuos, en general, constan de un sistema de agitación, muy ajustado, con rotación alojado en un recipiente estacionario. Extrusores de tornillo simple. Como consecuencia del crecimiento producido en la industria de los plásticos, plásticos, el uso de extrusor extrusoras as ha aumentado c como omo dispositivo mezclador. La calidad y utilidad del producto terminado dependen, considerablemente, la uniformidad de los distintos o aglomerantes, etc., de que se han incorporado. La aditivos, extrusoraestabilizantes combina las EQUIPO2

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operaciones de fusión de la resina base, el mezclado con los aditivos y el desarrollo de presión para dar la forma, pastillas, láminas o conformados, al producto final. Los ingredientes secos, en algunas ocasiones pre-mezclados con anterioridad, se alimentan mediante una tolva en la zona de alimentación. A medida que el diámetro del eje del tornillo aumenta, el plástico se funde por la acción del rozamiento y del calentamiento con el cilindro. Los esfuerzos cortantes cortantes pueden ser muy intensos, especialmente en la zona de fusión, y el mezclado es principalmente una acción de laminación.

Figura 2.12. Extrusora de un solo tornillo

Las extrusoras con un único eje se construyen con una relación longitud  –   diámetro tal que permita una secuencia de procesos tales como la adición en etapas de varios ingredientes. La capacidad la determina el diámetro, la longitud y la potencia. Aunque la mayoría de las extrusoras se encuentran con diámetros comprendidos entre los 25 y 200 mm, unidades de mayor envergadura han sido construidas para aplicaciones más específicas como la homogeneización de polietileno. Mejoras en estos equipos se han logrado mediante la utilización de diversos ejes que permiten un estiramiento y circulación con mayor acción de rozamiento que desembocan en una mejor mezcla tanto desde el punto de vista de la dispersión como de la distribución. La potencia máxima aplicada (PKW) al equipo de un solo eje varía en función del diámetro del mismo (D, mm) de la forma que

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La potencia requerida en la mayoría de los equipos dedicados al mezclado de polímeros varía entre los 0.15 a 0.3 kW h/kg.

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Figura 2.13. Diferentes tornillos para mejora del mezclado para un equipo de extrusión de un solo eje: a) Maddock (recto); b) Maddock (cónico); c) piña; d) engranaje; e) cabeza de alfiler.

Extrusadora Rietz.  Este extrusor tienen placas perforadas y desviadores (deflectores) a lo largo del recipiente. El rotor presente múltiples palas, espaciadas e inclinadas hacia adelante, que generan una carga para efectuar la extrusión a través de la placa perforada, además de golpear el material para romper los aglomerados que se forman entre los deflectores. Entre sus aplicaciones usuales se incluye la granulación en húmedo de productos farmacéuticos, la mezcla de color en jabón en barra y la mezcla en extrusión de materiales de base celulósica. El extrusor Rietz se encuentra con diámetro de rotor hasta de 600 mm (24 in) y en una gama de potencias que varían de los 5 hasta los l os 112 kW (7 a 150 hp).

Figura 2.14. Extrusora tipo Rietz.

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Extrusoras continuas de doble tornillo. La inclusión de dos tornillos o ejes en el cilindro de la máquina permite la interacción del material entre los dos ejes y entre cada eje con la pared de la misma. Son usadas para el tratamiento en continuo para fusión, mezclado y homogeneización de diferentes polímeros con distintos aditivos o para mezclas íntimas y reacciones en las que uno de los componentes tenga alta viscosidad. Las mezcladoras continuas de tornillos paralelos o dobles pueden ser tangenciales (corro (corrotativos) tativos) o entrelazadas, en este último caso con movimientos de co-rotación o contra-rotación. Los diseños tangenciales permiten variabilidad en la profundidad del canal y mayor longitud. Las que montan ejes o tornillos entrelazados y con movimiento de contra  –   rotación proporcionan una acción de dispersión más intensa en la zona comprendida entre los tornillos y se comportan como los equipos de desplazamiento positivo que le permite generar una presión, para la extrusión, de manera más eficiente que cualquier otro tipo de extrusora.

Figura 2.15. Extrusora de doble tornillo con ejes entrelazados y co-rotativos: a motor; b) engranajes; c) sección de alimentación; d) cilindro; e) montaje de rotores; f) abertura; g) válvula de cilindro; h) palas de mezcla; i) tornillo de transporte; j) vástagos estriados; k) anillos de ajuste.

El tipo más común de extrusora de dos tornillos es la que equipa ejes entrelazados y co-rotativo co-rotativos. s. Están equipadas con tornillos que se componen indivi individualmente dualmente de diferentes elementos amasadores, separadores y de transporte montados sobre los ejes. La forma y la disposición de estos elementos es variable y se consigue una gran variedad de efectos de mezcla. La sección cilíndrica (cámara de mezclado) en la que se alojan los ejes está igualmente compartimentada para permitir el posicionado óptimo de los puntos de alimentación, aberturas, EQUIPO2

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válvulas, etc. La cámara cilíndrica central puede calentarse eléctricamente o con aceite o vapor y enfriada con aire o agua. Cada par de palas provoca un efecto alternado de compresión y expansión de los ingredientes, con lo que se logra el efecto combinado de rozamiento y elongación del material. Los equipos o extrusoras con co-rotación de los ejes se encuentran en unos tamaños que oscilan entre los 15 a 300 mm, con una razón longitud-diámetro de hasta 50 y una capacidad global de hasta 25000 kg/h. la velocidad de rotación puede ser alta (hasta 500r/min para extrusoras de pequeña producción) y tiempos de residencia de, aproximadamente, por debajo de los 2 min.

Mezcladora continua Farrel. Esta mezcladora consiste en rotores similares en sección transversal a la mezcladora por cargas del tipo Banbury. La primera sección del rotor actúa como transportador de tornillo, impulsando los ingredientes de alimentación hacia la sección de mezclado. La acción de mezclado es una combinación del intenso esfuerzo de cizalla generado entre el rotor y la pared de la cámara, el amasado entre rotores y de una acción de laminado del material. La cantidad y la calidad del mezclado se controlan mediante el ajuste de la velocidad, v elocidad, la velocidad de alimentación y la abertura de los orificios de descarga. Hay unidades de cinco tamaños con volúmenes de cámara de mezclado que van hasta 0.12 m 3 (4.2 ft3). A 200 rpm, la gama de potencia va de 5 a 2200 kW (7 a 3000 hp).

Figura 2.16. Extrusora continúa tipo Farrel

Otras mezcladoras continuas Mezcladoras de tipo artesa (hemisféricas) y tornillo. Estas mezcladoras están constituidas, por lo general, en un rotor simple o dos gemelos, que hacen girar continuamente el material de alimentación conforme avanza hacia el extremo de descarga. Se han diseñado algunas de estas máquinas con un gran área disponible para la transferencia de calor. La mezcladora continua tipo Holo-Flite EQUIPO2

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Processor se usa preferentemente para la transferencia de calor, y que con los ejes huecos aumenta notablemente la superficie para el contacto térmico sin una contribución excesiva del rozamiento. Pueden usarse dos o cuatro ejes. La mezcladora Porcupine Porcupine Processor permite también la transferen transferencia cia de calor por los orificios que atraviesan las alas del rotor, pero las palas del agitador se cortan para proporcionar una acción de repliegue en la masa que se procesa. Para mejorar la agitación, se montan habitualmente unas barras en forma de U y dirigidas hacia el eje central que abrazan al ala y raspan la superficie. Otro tipo de equipos incluidos en esta categoría que permite operar con un mayor volumen es la AP Conti. Es un equipo autolimpiable apropiado para cuando el producto manejado pasa por alguna etapa pegajosa que puede adherirse y obturar el mezclador o cubrir las zonas para la transferen transferencia cia de calor.

Figura 2.17. Equipo Holo  – Flite Processor

Malaxadoras. Una malaxadora a amasadora contiene uno o dos ejes equipados con paletas cortas y pesadas, montadas en un cilindro o artesa que contienen el material que se procesa. En las amasadoras de dos ejes, éstos son paralelos y pueden ser horizontales o verticales; las paletas pueden estar entrelazadas o no. Los espaciados son amplios, por lo cual se produce un mezclado considerable de la masa. Los ingredientes no mezclados o combinado combinadoss parcialmente se ali alimentan mentan a un extremo de la máqu máquina, ina, que por lo gener general al se encuen encuentra tra totalmen totalmente te cerrada. Las paletas impulsan el material hacia adelante, al tiempo que lo cortan, y llevan la carga hacia el extremo de descarga, mientras se mezcla. El producto se puede descargar a través de uno o dos orificios abiertos o por una o más toberas de extrusión, que presentan bandas continuas de formas toscas. Se pueden utilizar cuchillas automáticas para formar bloques desde las bandas. Las malaxadoras se utilizan, sobre todo, para mezclar productos minerales y arcillosos. EQUIPO2

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Kneadermaster. Esta mezcladora es una adaptación de una mezcladora de brazo del tipo sigma para operación en continuo. Cada dos pares de aspas establecen una zona de mezclado, en donde el primer para empuja los materiales hacia el extremo de descarga de la artesa y el segundo hacia atrás. El paso a la zona siguiente se hace mediante el desplazamiento con más material de alimentación. El control del grado de mezclado se hace mediante la variación de la velocidad del rotor. Las palas macizas suplementan el área para la transmisión de calor de la artesa encamisada. Equipos para la mezcla de sólidos Hay varios tipos de máquinas para realizar el mezclado de sólidos. En algunas, el contenedor es el que se mueve, mientras que en otras un dispositivo rota dentro de un contenedor que permanece estacionario. En algunos casos hay una combinación de dispositivo rotatorio con un contenedor en movimiento. En algunos casos el mezclador dispone de deflectores o palas. Ambos tipos son bastante efectivos para material en polvo de flujo libre, teniendo en cuenta que así la segregación puede verse favorecida. El polvo altamente cohesivo generalmente requiere gran cizalladura (gradiente de velocidad) para p ara conseguir clasifican los equipos para mezcla de sólidos mediante las características como volteador, volteador con rompedor interno de aglomerados, carcasa o artesa estacionaria, rotación rotación del casco y del dispositivo interno y mezcla por impacto.

Volteador Adecuado para un mezclado suave, capaz de manejar grandes volúmenes, se limpia con facilidad; apropiado para polvos densos y materiales abrasivos, pero no para romper aglomerados.

Figura 2.18. De cono doble. El dispositivo de rotura de aglomerados se muestra en línea discontinua y la tobera de aspersión con línea

Figura 2.19. Carcasa doble en V. El dispositivo de rotura de aglomerados y de alimentación de agua se muestra en línea discontinua. Si no es necesaria la adición de líquido, se emplea un dispositivo

punteada.

rompedor de aglomerados de tipo de peine.

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Figura 2.20. De tambor horizontal (con deflectores).

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Figura 2.21. Do cono doble, con giro alrededor del eje mayor.

Volteadores con rompedor de aglomerados Existen diferentes tipos de volteadores con dispositivos rompedores de aglomerados accionados de forma independiente. El volteador puede emplearse por separado para un mezclado suave si no se requiere romper el aglomerado.

Carcasa o artesa estacionaria Hay ciertos tipos de mezcladores en los cuales el contenedor está inmóvil y el desplazamiento del material se realiza mediante dispositivos internos de rotación, uno o varios.

Mezclador de cuchillas en cinta.  Dentro de este subgrupo se encuentran varios equipos diferentes. La sección transversal de la cinta y su inclinación, el espaciados entre la cinta y la carcasa y el número de espirales que traza la cinta son algunas de las características que pueden variarse para ajustarse a los diversos materiales, desde materiales de baja densidad finamente divididos que se airean con rapidez, hasta los fibrosos y pegajosos, que requieren ayuda positiva para la descarga. Otras variables para la construcción son el punto de descarga (central o en un extremo) y la cantidad de aspas o cuchillas del eje central. Puede emplearse una cinta ancha para elevar y transportar el material, mientras que una cinta estrecha cortará el material a la vez que lo transporta. El mezclador de cinta puede adaptarse tanto a operaciones discontinuas como en continuo.

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Figura 2.22. De cuchillas en cinta.

Mezclador de husillo vertical. Este subgrupo también presenta múltiples variaciones. En este tipo, el tornillo rota sobre su propio eje, a la vez que orbita alrededor del eje central del tanque cónico que contiene el producto. En otra variación, el tornillo no orbita, sino que se mantiene en el centro del tanque pero inclinado, de tal modo que el área de barrido se incrementa con la altura. En otro tipo, el tornillo central está contenido en un alojamiento interno de forma cilíndrica. Este tipo de mezclador es adecuado especialmente para sólidos secos que fluyen libremente. Figura 2.23. De husillo vertical.

Molino mezclador. El molino de cesta inmóvil con la l a torreta móvil (rotando) es una de las muchas versiones de este mezclador. Otras clases son el tipo contracorriente, en los que la cesta y la torre del molino rotan en direcciones opuestas, y el tipo de cesta rotatoria, en la cual la torre del molino permanece estacionaria. El rodillo, pesado y ancho, se desliza sobre el material. Hay deslizamiento donde los rodillos entran en contacto con la masa de material, lo que produce un esfuerzo de corte local que se suma a un mezclado a escala gruesa, a lo que contribuyen rejas y rascadores. Este molino es útil para problemas de mezclado que requieran algún tipo de rotura de aglomerados, anclaje por fricción de unas partículas con otras y densificación de la mezcla final. Los materiales excesivamente fluidos o pegajosos deben evitarse. El molino mezclador generalmente se emplea para operaciones por cargas.

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Figura 2.24. Molino mezclador por lotes.

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Figura 2.25. De arqueta estacionaria.

De rotor doble. Consiste en dos ejes con palas o husillos encastrados en una carcasa cilíndrica. Se presenta en varias conforma conformaciones, ciones, con velocidades del eje desde muy bajas hasta relativamente altas. El mezclador de rotor doble es útil para mezcla continua de sólidos que no fluyen libremente; puede añadirse líquido, el desgaste del producto es menor y los materiales pueden agregarse más allá de la entrada. Es fácilmente adaptable a calentamiento o enfriamiento. Algunos equipos están específicamente diseñados para transferir calor durante el mezclado. El pug mill es uno de los tipos de mezclador de rotor doble.

Figura 2.26. De rotor doble: adaptado a la transferencia de calor mediante encamisados y por los husillos huecos.

De rotor simple. Consiste en un único eje con paletas encastrado en una carcasa cilíndrica. Este tipo puede trabajar a velocidades relativamente altas aunque en algunos casos se empleen velocidades menores. Un único rotor simple proporciona el máximo impacto corto de un molino triturador. Se usa para dispersión y desintegración intensa. Este tipo puede encontrarse compartimentado y es válido para enfriamiento y calentamiento, así como EQUIPO2

Figura 2.27. Rotor simple.

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para la adición de pequeñas porciones de líquido.

Mezclador de turbina. Es una artesa circula con un eje en el centro alrededor del cual gira un spider o una serie de brazos provistos de rejas o moldboard. Éstas giran alrededor de la artesa. Este mezclador es útil para materiales secos que fluyen libremente, o para materiales humedecidos que no fluyen bien, e igualmente adaptable al mezclado de sólidos y líquidos y prob problemas lemas de recubrimiento.

Figura 2.28. Turbina.

Carcasa y el dispositivo interno giran El molino en contracorriente en esta categoría se denomina “molino mezclador”.

Este equipo tiene una artesa mezcladora que gira en el sentido de las agujas del reloj junto con una herramienta mezcladora que gira en sentido antihorario, y excéntrico a la artesa, como si fuera el movimiento de un planeta. Si el mezclado de sólidos, de flujo libre, no requiere la acción de compresión y cizalladura del molino, las rejas pueden usarse solas. Cuando se usa con moledoras, las rejas desvían la materia hacia ellas. También se encuentran instrumentos especiales para el mezclado.

Cambio de escala. Dos aspectos para el cambio de escala se presentan habitualmente. Uno es la construcción de un modelo basado en los estudios realizados en una planta piloto y que permite analizar las variables que influyen en el proceso para el establecimiento de una instalación comercial. Y otro es el análisis de nuevos procesos y su estudio en planta piloto que permitan el establecimiento del escalado de las variables que influyen en el proceso y que desemboquen en una instalación. Existen unos principios para el escalado que permiten el establecimiento de la forma de proceder para cada caso. Usando la semejanza geométrica, las variables a nivel de macroescala son las siguientes: Los tiempos de mezclado y circulación en los recipientes de menor tamaño. EQUIPO2

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La zona del impulsor de máxima velocidad de cizallamiento será mayor en los recipientes de mayor tamaño, pero la zona de valor medio será menor; de esta manera, existirá una mayor variación en las velocidades de cizallamiento en un tanque industrial que en un recipiente de una unidad piloto. Los números de Reynolds en los tanques de mayor tamaño son superiores, normalmente del orden de 5 a 25 veces, que en los recipientes de menor tamaño. En los tanques de mayor tamaño se desarrolla un flujo de recirculación desde el impulsor a través del tanque y de vuelta al impulsor. Comportamiento que resulta similar al de un conjunto de tanques en serie. El resultado neto es que el tiempo medio de circulación aumenta con respecto al que se podría predecir a partir de la capacidad de bombeo del impulsor, aumentando igualmente la desviación estándar de los tiempos de circulación alrededor de la media. La transferencia térmica normalmente es más necesaria en unidades de gran escala. La introducción de serpentines, tubos verticales o cualquier otro equipo para la transferencia de calor, provoca un aumento de las zonas donde existe una baja recirculación. En los sistemas gas-líquido, la tendencia para un aumento de la velocidad superficial de gas tras el escalado puede incrementar aún más el tiempo de circulación global. Para un determinado proceso, se tiene que considerar el posible papel de la fuerza (tensión) de rozamiento del fluido.

2.2. Selección de equipos de mezclado No existe necesariamente una relación directa entre la potencia consumida y el grado de mezcla. Cuando un líquido de baja viscosidad gira alrededor de un tanque sin placas deflectoras, los distintos elementos del líquido pueden seguir caminos circulares paralelos de una forma casi indefinida sin apenas mezclarse. Poca de la energía suministrada se utiliza para mezclar. Si se colocan placas deflectoras la mezcla se produce rápidamente, utilizándose la mayor parte de la energía para el mezclado y relativamente poca para circulación. Cuando el tiempo de mezclado es crítico, el mejor mezclador es el que produce la mezcla en el tiempo requerido con el menor consumo de potencia. En muchos casos es deseable, pero no esencial, un corto tiempo de mezcla, y el tiempo de mezcla es un compromiso entre el coste de la energía necesaria y el coste de adquisición del mezclador. Para mezclar reactivos en un tanque de alimentación o productos de diferentes cargas en un tanque de almacenamiento, puede utilizarse un mezclador de tamaño relativamente pequeño, aunque se necesiten varios minutos para alcanzar una mezcla completa. Antes de proceder a la selección de equipo para la mezcla de sólidos se debe realizar un estudio estudio cuid cuidadoso adoso de a algunas lgunas de las características de operación operación,, como son: EQUIPO2

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1.  Uniformidad de la muestra.  El tipo apropiado de mezclador debe escogerse para asegurar una adecuada homogeneidad para el lote, y eso no puede verse comprometido por otras convenienc conveniencias. ias. Debe ponerse especial cuidado en evitar un mezclado excesivamente largo, puesto que a veces resulta una mezcla de peor calidad. Debe realizarse un gráfico que relacione el grado de mezcla con el tiempo de operación para seleccionar éste adecuadamen adecuadamente. te.  2.  Tiempo de mezclado.  El tiempo de mezclado de un lote usualmente es inferior a quince minutos, si se ha elegido correctamente el tipo de equipo y su capacidad de trabajo. En algunos casos se toleran tiempos mayores para evitar el coste de adquirir equipos más eficientes. Sin embargo, si una máquina puede homogeneizar apropiadamente apropiadamente cualquier tipo de mezcla en menos de quince minutos, es algo que merece pagar su precio. De hecho, basta un diseño correcto para producir en muchos casos la mezcla deseada en unos pocos minutos. No obstante, además del tiempo de mezclado, se necesita optimizar el tiempo para el ciclo completo de operación.  3.  Carga y descarga.  Para obtener las condiciones óptimas de carga y descarga debe tomarse en cuenta todo el sistema de manejo. Esto incluye el uso eficiente de las balanzas y silos de almacenamiento, premezclado de los ingredientes minoritarios, localización de las compuertas de descarga y otras.  4.  Potencia.  En general, los requerimientos de potencia no son una consideración importante en la elección de un mezclador de sólidos, cuando existen generalmente otros requerimientos más importantes. Sin embargo, debe aplicarse suficiente potencia para soportar los momentos de máximo requerimiento, como pueden ser los cambios durante las operaciones de mezclado. Igualmente, cuando se requieren mezclas diferentes, la potencia debe ser suficiente para los materiales más densos. Si el mezclador, carga cargado, do, debe arrancar desde cero, debe tener suficiente potencia para hacerlo. Si se requiere que la velocidad pueda controlarse, debe tenerse en cuenta al calcular el requerimiento de potencia.  5.  Limpieza. La facilidad, frecuencia e intensidad de la limpieza pueden ser cruciales cuando se mezclan lotes de productos incompatibles entre sí en la misma máquina pero en momentos diferentes de la jornada. Los recipientes simples son fáciles de limpiar siempre que tengan las aberturas adecuadas. Las áreas que puedan presentar problemas son los sellos, las grietas en los soportes de los deflectores. Cualquier rincón y los dispositivos de descarga. Si la limpieza entre los lotes l otes es muy larga debe considerarse la compra de varios mezcladores pequeños. Generalmente, y por un montaje extra, puede realizarse una construcc construcción ión más higiénica.   6.  Rotura y desgaste de los aglomerados.   Los dos métodos para producir la rotura y el desgaste de los aglomerados son: 1) el impacto. impacto. El factor más importante es la velocidad lineal del dispositivo rotatorio interno. 2) esfuerzos de compresión y cizalladura.  cizalladura.   Para mazas, depende de la distancia entre la maza y la cesta y el peso y la carga del resorte, respectivamente. Cuando se requiere un dispositivo de fricción para romper agregados, pero que puede producir a la vez demasiada EQUIPO2

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7. 

8. 

9. 

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reducción de tamaño en otros componentes del lote, debe determinarse mediante ensayos el valor límite para el desgaste.  Formación de polvo.  Las pérdidas de polvo pueden afectar de forma importante la composición de un lote, especialmente cuando la pérdida corresponde a componentes minoritarios. Los métodos para minimizar la formación de polvos son: 1) utilizar ingredientes igualmente satisfactorios por lote, pero menos purulentos. A veces se encuentra un material muy purulento en forma de pellets. 2) Ventilación suficiente para permitir la filtración de aire, en vez de perder una indeterminada cantidad de aire polvoriento. 3) Carga y descarga del mezclador por dispositivos herméticos. 4) Si es posible, adición de líquidos. El agua no sólo es efectiva para la minimización de polvo en la descarga del mezclador, sino que si se emplea correctamente puede hacer que el lote sea menos polvoriento en las siguientes operaciones. La adición de pequeñas cantidades de un tensoactivo mejorará la penetración del agua a través del lote y permitirá incluso mojar materiales como el polvo de carbón. Debe ponerse especial cuidado en evitar una succión excesiva o un caudal de aire elevado en el mezclador i en el dispositivo de pesada en la alimentación de los componentess de la mezcla. Si esta succión de recogida de p componente polvo olvo en el mezclador es demasiado intensa, pueden resultar eliminados componentes vitales. Si esta succión intensiva se produce en los dispositivos de control del peso, pueden ocasionarse importantes errores en las pesadas.  Carga electrostática.  Algunos componentes del lote, como ciertos plásticos, tienen tendencia acumular carga fácilmente. El trabajo de introducción afectará a la carga del lote. Ocasionalmente, y debido a esta carga, se pueden recubrir el interior del mezclador o el exterior de los elementos rotatorios, lo que puede originar problemas en su limpieza. Posibles maneras de minimizar estos problemas son: 1) Adición de sólidos especiales con elevado coeficiente entre área superficial y peso. 2) Adición de líquidos. 3) Elección cuidadosa del material de construcc construcción ión del equipo mezclador. mezclador. 4) Control de la hum humedad. edad. 5) Preparación de los componentess del llote componente ote para minimizar la acumulación de carga.  Desgaste del equipo.  Los equipos del tipo volteador simple son los que presentan el menor desgaste. Los dispositivos de fricción pueden sufrir serios problemas de abrasión con algunos sólidos, como la arena y los granos abrasivos con algunos molinos. Recubrimientos resistentes a la abrasión, como es el caso del caucho, aleaciones especiales o electrodeposición deben considerarse para estos casos. Un agitador interno puede presentar desgaste incluso si su velocidad es baja. Particularmente, en el caso en que deban mezclarse materiales muy abrasivos, deben considerarse los beneficios de un rompedor de aglomerados frente a los costes de mantenimiento y reposición. 

2.3. Índice de mezclado Los índices de mezclado se utilizan por tres razones específicas:   Cuantifican la homogeneidad de la mezcla   Miden el tiempo óptimo de mezclado   Miden la eficacia del mezclador 





EQUIPO2

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El índice o grado de mezclado depende de diversos factores: 1. El tamaño relativo de las partículas, forma y la densidad del componente. 2. La eficacia de un determinado mezcla mezclador dor para estos componentes. 3. La tendencia a la agregación de los productos. 4. El contenido del agua, la tensión superficial y la fluidez de cada componente. 5. La geometría del equipo, la viscosidad de la mezcla, las propiedades dinámicas de la mezcla. Una mezcla perfecta perfecta de partícu partículas las de igual tamaño y d distinto istinto color indica que independientemente independi entemente de la región donde tomemos una muestra, encontraremos la misma proporción de partículas negras y blancas. La mezcla perfecta, a menos que se haga la selección manual, no es posible obtenerla en una 10.4 mezcla real. Lo que se pretende lograr es una mezcla al azar y evitar tener mezclas segregadas:

FIGURA 2.31 TIPOS DE MEZCLAS Para cuantificar el grado de mezclado de un sistema debemos recurrir a ciertos parámetross estadísticos parámetro estadísticos,, basados en el valor med medio io y la desviación están estándar dar de una distribución, dados por las siguientes ecuaciones:

̅  ∑∑  

y 

 ∑          ∑    

De acuerdo con lo planteado en el mezclado de partículas, Lacy basándose en un sistema sistema binario donde la única difer diferencia encia entre las poblaciones que se mezclan es el color, desarrolló algunas fórmulas que permiten estimar dichas diferencias (desviaciones) (desviaciones) de composición en mezclas, la desviación estánda estándarr de la mezcla al azar la definió como:

DESVIACIÓN MÍNIMA 

    

 

Donde:  número de partículas en la muestra  fracción en número de los dos componentes en la mezcla (p + q= 0)

 

Si la mezcla se encuentra al azar, la desviación será la mínima posible. Pero por el contrario si la mezcla se encuentra totalmente segregada, la desviación máxima dada por Lacy es: EQUIPO2

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   

 

Las ecuaciones anteriores nos indican los límites de mezclado, sin embargo es muy poco probable que todas las mezclas se vean representadas por estos dos casos límites. Por esta razón se definen índices de mezclado los cuales están basados en las desviaciones de las l as mezclas: 1.  INDICE DE MEZCLADO DE LACEY

                            

 2.  INDICE DE MEZCLADO DE POOLE

 

3.  INDICE DE MAZCLADO DE ASTON Y VALENTIN

 4.  EFICACIA DE LA MEZCLA

 

 

Donde:  es desviación estándar



Existen muchos índices de mezclado diferentes, se sabe que existen más de 30 índices de mezclado reportados. La existencia de tantos índices se debe a que los sólidos son sistemas complejos, que no pueden ser caracterizados de igual manera para todas las aplicaciones. Por último cabe agregar que el tiempo de mezclado de la mayoría de los sólidos no debe exceder los 15 min, en caso contrario las mezclas pueden segre segregarse. garse. Esto indica la complejidad que se adquiere cuando se trabaja con una mezcla.

EJEMPLO Una compañía de golosinas tiene en el mercado un producto que consiste en un tubo lleno de 100 confites con igual proporción de confites rojos y azules. Los confites sólo se diferencian en el color. Los confites son mezclados en un mezclador rotator rotatorio io antes de llenar los tubos. D Determine etermine las ca características racterísticas de dell producto si está mezclado a all azar EQUIPO2

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Datos Datos p= 0.5 q= 0.5

 

 

SOLUCIÓN DESVIACIÓN MÍNIMA

     √ 

 

Asumiendo que el número promedio de confites azules y rojos es igual a 0.5, debido al siguiente cálculo:

̅ ̅    

 

Si se asume asume una distr distribución ibución norm normal, al, el 95 % de la p población oblación deb debe e caer ent entre re x. El número de confites rojos o azules que podemos encontrar en los = x ± 1.96 σ tubos dentro de un intervalo de confianza del 95% es:

MEJOR DE LOS CASOS 

 x = x ± 1.96 σ = 0.5 ± (1.96) (1.96) (0.05) = 0.5 0.5 ± 0.098 

RESULTADOS Si los confites se logran mezclar al azar en los tubos encontraremos 50 confites rojos ±9.8, redondeando 50±10, es decir 60 o 40. De 100 tubos que tengamos a la venta, 95 de ellos tendrían un número de confites rojos entre 60 y 40. 2.5 tubos tendrían menos q que ue 40 y 2.5 tubos contendrían más de 60 confites rrojos. ojos. Aunque la mezcla esté bien logr lograda ada no podr podremos emos tener el 100% de los tubo tuboss con 50 confites rojos. La única m manera anera d de e logr lograrlo arlo ser sería ía median mediante te un mezclado estructurado, estructura do, que consiste en contar llos os confites durante el llenado. 2.4 Potencia de agitación. Consumo de Potencia importante tante en el diseño de lo loss tanque nquess agitado agitadoss es la potencia Una consideración impor que se requiere para mover el sistema eje-impuls eje-impulsor . La potencia con la cual trabaja este sistema no puede ser calculada teóricamente, sino que es necesario determinar expresiones empíricas basadas en un análisis dimensional. Cuando el flujo de fluido que se localiza en el tanque es turbulento, turbulento , la potenci potencia a  que se requiere se calcula a par  par tir tir del produ producto del flujo   generado por el impulssor y la ene impul energía cinética  , , por unidad de volumen de fluido. fluido. Por medio de:



EQUIPO2



    

 

 Página 31

 

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          

 





En donde   representa la velocidad del impulsor en rpm,   es el diámetro del impulsor,  es número de flujo adimensional,  densidad del fluido a agitar, y   representa la velocidad total del líquido. La velocidad  es ligeramente menor que la velocidad en la punta . Si la relación de   se representa por ,  y la potencia necesaria es

  



                                                   



 

Donde  es la potencia en J/s o W. La anterior ecuación representada en su forma adimensional se expresa como:  

En donde el miembro de la izquierda de la ecuación recibe el nombre de número de potencia , definido como:

 

Correlaciones de Potencia Para poder calcular la potencia necesaria para hacer girar un impulsor dado con una velocidad determinada, es necesario disponer de correlacione correlacioness empíricas de la potencia (o del número de potencia) en función de otras variables del sistema. La forma de tales correlaciones se encuentra por análisis dimensional, en función de las medidas importantes del tanque y del impulsor, la distancia del impulsor desde el fondo del tanque, la profundidad del líquido, así como las dimensiones de las placas deflectoras cuando se utilizan. El número y disposición de las placas deflectoras y el número de palas del impulsor deben ser fijados. Las variables que intervienen en el análisis son las medidas importantes del tanque y del impulsor, la viscosidad   y la densidad   del líquido y la velocidad . También debe de considerarse la fuerza de gravedad debido a que durante la agitación se forma







un vórtice en la superficie del líquido, esto es que algo del líquido se eleva por arriba del nivel medio o nivel sin agitación de la superficie del líquido, dicha elevación debe de vencer la fuerza de gravedad. Es posible convertir todas las distintas medidas lineales en relaciones adimensionales conocidas como factores de forma, estos factores se obtienen dividiendo cada uno de los l os términos por uno de ellos que se toma arbitrariamente como base; el diámetro del impulsor   y el del tanque   son elecciones adecuadas para esta medida base, y los factores de forma se calculan dividiendo cada una de las mediciones restantes entre el valor de   o . Los factores de forma se representan por . El diámetro del impulsor   se toma como una medida del tamaño de equipo equipo y se utiliza como una una variable en el análisis, debido a que dos mezcladores que tienen las mismas proporciones geométricas pero diferentes tamaños, tendrán idénticos factores de forma, pero

    

diferirán en la magnitud de EQUIPO2





  

. Página 32

 

 

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Cuando se ignoran temporalmente los factores de forma y se supone que el líquido es newtoniano, la potencia  es una función de las variables restantes, o

        

 

Aplicando el método de análisis dimensional obtenemos

                                        

Considerando los factores ¿de forma descritos anteriormente la anterior ecuación se escribe como:  

El primer grupo adimensional de la ecuación,  es el número de potencia . El segundo   es el numero de Reynolds Re; el tercero, , es el número de Froude Fr. Por la tanto la ecuación (9) queda como:





       paraestetema   se representa   de manera distinta El número adimensional Re debido a que la velocidad de la punta del impulso    es igual a  , por lo tanto:        







Este grupo es proporcional al número de Reynolds calculado a partir del diámetro y de la velocidad v elocidad periférica del impulsor. El número de potencia , es análogo al factor de fricción o al coeficiente de arrastre. Es proporcional a la relación entre la fuerza de arrastre que actúa sobre



una unidad de área del impulsor y la fuerza inercia!. La fuerza inercial, a su vez, está asociada con el flujo de cantidad de movimiento correspondiente al movimiento global del fluido. El número de Froude  es una medida de la relación entre la fuerza inercial y la fuerza gravitacional por unidad de área que actúa sobre el fluido. No es importante cuando se usan deflectores o cuando Re < 300. Los tanques sin deflectores rara vez se utilizan con bajos números de Reynolds, y entonces el número de Froude no se incluye en las siguientes correlaciones. correlaciones.



Las siguientes ecuaciones muestran factores de forma basados en la figura 2.4, estos factores se emplean para caracterizar al impulsor.

                       

EQUIPO2

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     

             

Efecto de la geometría del sis si stema. Los efectos de los fa factores de forma   sobre  , en la ecuación (10) son algunas veces veces pequeños y otras muy grandes. A  A   vece vecess, dos o más factores están relacionados entre sí; es decir, el efecto de variar   puede depender de la magnitud de   o   . Con una turbina de palas planas que opera a  a   elevados números de Reynolds en un tanque con deflectores, los lo s efectos de modifica modificar la la   geometría del sistema se resumen como sigue:

  ⁄ 

   

 

1.  Al disminuir ,  la relación entre el diámetro del impulsor y el diámetro del tanque ,   aumenta cuando las placas deflectoras son pocas y estrechas,, mientras que   disminuye cua estrechas cuando las placas placas son muchas y anchas. Por lo tanto, tanto, los factores factores de de   forma   y   están interrelacionad interrelacionado os. Con cuatro placas deflectoras y   igual a 1/12, como ocurre frecuentemente en la práctica industrial industria l, una modificación de   casi no



    

  



tiene efecto sobre . 2.  El efecto de modificar ,  la holgura, depende del diseño de la turbina. turbina . Al aumentar    aumenta  ; ; para una turbina de disco. disco . En una turbina de palas inclinadas, al aumentar  disminuye considerab considerablemente lemente  , , como se muestra en la tabla inferior  mientras que para una turbina abierta de palas rectas  disminuye ligeramente. 3.  Con una turbina abierta de palas rectas, rectas , el efecto que produce la variación de  , , la relación entre la anchu anch ura de las palas y el diámetro del impu imp ulsor, depende del número de pal pa las. Para una turbina de seis palas,   es directamente proporciona proporcional a   mientras que para una turbina de cuatro palas, palas,   aumenta con .  Para turbinas de palas inclinadas, inclinadas, el efecto de la anchura de la pala sobre el consumo de pote potencia es mucho

 



  





 

menor turbinas de palas rectas como se observa en la siguiente tabla: que para turbinas

Efecto de la anchura y la holgura sobre el consumo de potencia en turbinas de seis palas de 45°   =   Holgura (espacio libre entre las palas) 0.3 0.33 2.0 0.2 0.33 1.63 0.2 0.25 1.74 0.2 0.17 1.91

 



4.  Dos turbinas de palas rectas instaladas sobre el mismo eje consumen del orden de dos 1.9 veces l a potencia la una sola siempre el espacio entre los impulsores sea al de menos igualturbina, al diámetro delque impulsor. Dos EQUIPO2

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turbinas poco separadas entre sí pueden consumir hasta 2. 2.4 veces la potencia de una sola turbina.



5.  La forma del tanque tiene relativamente poca influencia sobre . La potencia consumida en un tanque cilíndrico horizontal, con placas deflectoras, o no, o en un tanque vertical de sección transversal cuadrada provisto de placas deflectoras es la misma que en un tanque cilíndrico vertical.. En un tanque de sección cuadrada sin placas deflectoras, el vertical número de potencia es aproximadamente 0.75 veces el de un tanque cilíndrico con placas deflectoras. Los patrones de circulación están, por supuesto, afectados por la forma del tanque, pero no por el consumo de potencia.Correlaciones de potencia para impulsores específicos  La siguiente es una correlación de impulsores de uso común con líquidos newtonianos contenidos contenidos en recipientes cilíndricos con deflectores. Estas curvas se pueden utilizar para las operaciones con impulsores similares y en tanques sin deflectores, cuando el número de Reynolds sea de 300 o menor. Cuando   es mayor de 300, el consumo de potencia es mas bajo en un recipiente sin deflectores que el que se uno con deflectores.



Figura 2.29 Correlaciones de potencia para diversos impulsores y deflectores

Para la anterior figura cada curva representa lo siguiente:



Curva 1. Turbina de seis aspas planas  ; cuatro deflectores cada uno con . Curva 2. Turbina abierta de seis aspas planas);  ; ; cuatro deflectores con . Curva 3.  Turbina abierta de seis aspas a 45°;  ; ; cuatro deflectores con . Curva 4. Propulsor; inclinación=  , , cuatro deflectores con  ; ; también es valida para el mismo propulsor en posición angular y desplazado del centro sin deflectores.

        

EQUIPO2



 

  

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     



 ; ; también es Curva 5. Propulsor; inclinación =   ,, cuatro dejlectores con valida para un propulsor en posición angular desplazada del centro sin deflectores. Curva 6. Propulsor de alta eficiencia; cuatro deflectores con  

potencia   Cálculo de potencia Como se había mencionado el consumo de potencia se relaciona con la densidad del fluido  , su viscosidad , la velocidad de rotación  y el diámetro del impulsor , por medio de gráficas de número de potencia   en función de . A partir de la ecuación (5) podemos obten obtener er la siguiente expresión

 



    



 





Donde es la potencia en J/s o W, en sistema inglés como pie * lbf/s;   el número de potencia calculado a partir de la figura 2.29,   la velocidad del agitador en rps,  el diámetro di ámetro del agitador en m y  densidad en kg/m3.







El cálculo de la potencia puede realizarse directamente con la ecuación 12 o puede modificarse basados en el tipo de flujo. Para número de Reynolds bajos, las líneas de  contra  coinciden para un tanque con o sin placas deflectoras, y la pendiente de la línea en coordenad coordenadas as logarítmicas es -1. Por lo tanto





      

 

Sustituyendo la anterior expresión en la ecuación (12) obtenemos:

   

 



Donde   representa un contante para flujo laminar dependiente del tipo de impulsor. Para esta Las ecuación el flujo(13) es ylaminar intervalo, y eslamenor densidad no es más un factor. ecuaciones (14) se en utili este utilizan zan cuando de 10. En tanques con placas deflectoras, para números de Reynolds superiores a aproximadamente 10 000, el número de potencia es independiente del número de Reynolds y la viscosidad ya no influye. En este intervalo, el flujo es totalmente turbulento y la ecuación (13) se transforma en:



           

De la cual Donde



 representa una constante para el tipo de impulsor en flujo turbulento.

En siguienteytabla se dan los valores de las contantes de la impulsores tanques. EQUIPO2

   y  para varios tipos Página 36

 

 

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

Tipo de Impulsor Impulsor hélice, tres palas Paso 1.0  Paso 1.5 Turbina Disco de seis palas Seis palas inclinadas 45° Cuatro palas inclinadas 45°( Paleta plana, dos palas Impulsor HE-3 Cinta helicoidal Ancla

          

 

 

 



 

 

41 48

0.32 0.87

65 --44.5

5.75 1.63 1.27

36.5 43 52 300

1.70 0.28 --0.35

EJEMPLOS DE APLICACIÓN 1. En un tanque se instala un agitador agitador de turbina de aspas aspas planas con disco que tiene seis aspas. El diámetro del tanque  mide 1.83 m, el diámetro de la turbina es de 0.61 m,   y el ancho   igual a 0.122m. El tanque tiene cuatro deflectores, todos ellos con un ancho . La turbina opera a 90 rpm y el liquido del tanque tiene una viscosidad de 10 cp y densidad de 929 Kg/m3. a)  Calcúlese los kilowatts requeridos para el mezclador. b)  Con las mismas condiciones (excepto que la solución tiene ahora una viscosidad de 100 000 cp), calcúlese la potencia requerida en kW. Solución



   

  

  (  )  

Datos = 0.61m = 0.122 m = 1.83 m  0.15 m =90 rpm =929 kg/m3 

  

 

                  

 

 

Basados en la figura 2.29. para un impulsor de turbina de seis aspas planas  y . Se grafica con un Reynolds de 5.185x104 obteniendo un   5.

   

 

Sustituyendo en la ecuación (12) obtenemos

  







                

EQUIPO2

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b)

                                             

 

 

Esta es la región de flujo laminar. Con base en la figura 2.29 el

=14

 

Por lo tanto un aumento de 10 000 veces en la viscosidad solo incrementa el consumo de potencia de 1.324 a 3.71 kW. Los anteriores cálculos se pudieron haber realizado utilizando las ecuaciones (14) y (16) utilizando valores de

  y  de 5.75 y 65 respectivamente.

2. Una turbina de disco con seis palas planas se instala centralmente en un tanque vertical con deflectores con un diámetro de 2 m. La turbina tiene 0.67 m de diámetro y está situada a 0.67 m por encima del fondo del tanque. Las palas de la turbina tienen 134 mm de ancho. El tanque está lleno hasta una altura de 2 m de solución acuosa de NaOH al 50% a 65°C, que tiene una viscosidad de 12 cp y una densidad de 1 500 kg/m'. La turbina del agitador gira a 90 rpm. ¿Qué potencia requerirá? Datos = 0.67m = 0.67 m  134 mm =2m 2m =90 rpm =1 500 kg/m3 = 12 cp

    

 

     (     )  )                                            

 

Por lo tanto se trata de un flujo turbulento y debemos de utilizar = 5.75 correspondiente correspond iente a la turbina de seis palas. Sustituyendo los valores en la ecuación de potencia obtenemos lo siguiente:

    EQUIPO2

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          3. El sistema de agi ag itac taciión del ejemplo anterior se utiliza para mezc mez clar un compuesto de látex de ca caucho que tiene una viscosidad de 120 Pa*s y una 3 densidad de 1 120 kg/m . ¿Cuál será la pote potencia requerida? Datos = 0.67m = 0.67 m  134 mm =2m

  

  

2m =90 rpm =1 120 kg/m3 = 120 Pa * s

  (  )                       

 

 

Este numero de Reynolds nos indica que el flujo es de tipo laminar por lo tanto es necesario utilizar el valor de = 65. Sustituyendo en la ecuación de potencia para flujo laminar.



           Este requerimiento de potencia (energía) es independiente de que el tanque tenga placas deflectoras o no. No existe razón para colocar placas deflectoras en un tanque operado a tan bajo número de Reynolds, toda vez que en estas condiciones no se forme un vórtice. v órtice. Observe que el aumento de unas 10 000 veces en la viscosidad, aumenta la potencia sólo 33% sobre lo que requiere para el tanque con placas deflectoras que opera con el líquido de baja viscosidad.

Bibliografía. Holdich, R.G., Fundamentals of Particle Technology, Midland Information Technology and Publishing, United Kingdom, 2002. Walas, S.M., Chemical Process Equipment, Butterworth-Heinemann Series in Chemical Engineering, USA, 1990. Warren L. McCabe, Julian C. Smith & Peter Harriot. “Operaciones unitarias en Ingeniería Química”. 4ta edición. Editorial McGraw Hill.  C. J. Geankoplis. “Procesos de transporte y operaciones unitarias ”. 3era. Edición. Editorial CECSA. 1998 Robert H. Perry & Don W. Green “Manual del Ingeniero Químico” 7ma. Edición. Editorial McGraw Hill. Volumen I y II.

EQUIPO2

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