AGITACIÓN YMEZCLADO ADRIANA CELESTE SÁNCHEZ RODRÍGUEZ PA O L A VA L E R I A C I TA L G Ó M E Z E S T E B A N G I O VA N N I Z A M O R A D E L A R I VA MA RIANA ULLOA SORIA B R E N DA RA Z O G I O VA N N A S E R R A N O M O N D R A G Ó N S A N D R A B E R E N I C E A R É VA L O M O L I N A 5.1 IMPORTANCIA DE LA AGITACIÓN Y MEZCLADO La agitación y mezclado es una operación unitaria, proceso en el cual se produce transferencia y cambio de energía y masa principalmente por medios físicos y fisicoquímicos. Se lleva a cabo en la mayoría de los procesos industriales y puede involucrar sistemas de una o varias fases. A pesar de que agitación y mezclado se utilicen como términos similares, tienen significados diferentes. La agitación se refiere al movimiento inducido de un material en una manera específica, normalmente en un patrón circulatorio dentro de algún tipo de contenedor. La mezcla en cambio, es una distribución aleatoria, dentro y a través una de otra, de 2 o más fases inicialmente separadas. Las aplicaciones que se le dan más comúnmente en la industria son: Homogeneización de un fluido Suspensión de un sólido en un líquido Emulsión de 2 fluidos insolubles Dispersión de un gas en un líquido Intercambio de calor . EJEMPLOS Algunos ejemplos de productos donde se utiliza la operación de agitación y mezclado son: . 5.2 CLASIFICACIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE EQUIPOS DE MEZCLADO . Clasificación y características de equipos de mezclado Liquidos Solidos Pastas . Mezcladora para líquidos de viscosidad pequeña o moderada: . Las corrientes de líquido que se originan se dirigen hacia la pared del tanque y después siguen hacia arriba o hacia abajo. .Agitadores de paleta: Consiste en una hoja plana sujeta a un eje rotatorio las cuales giran a una velocidad comprendida entre 20 y 150 rpm (industrialmente). inclinadas o verticales. .Agitadores de turbina: Están constituidos por un componente impulsor con más de 4 hojas montadas sobre el mismo elemento y fijas a un eje rotatorio. otros de sus funciones es ser utilizadas para dispersar gases en líquidos. Las paletas pueden ser rectas o curvas. . . bacterias y algunos hongos. .Una de las turbinas que destacan al momento de hablar sobre ellas es la turbina Rushton que es ideal para la fermentación de líneas celulares que requieren altas tasas de oxígeno tales como la levadura. girando a con una velocidad elevada (500 rpm).Agitadores de hélice: Se tratan de elementos impulsores de hojas cortas. producen corrientes longitudinales y rotatorias muy intensas. dado esto. Las corrientes de flujo. por lo cual. se mueven a través del líquido en una dirección determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque. que parten del agitador. son muy efectivos en tanques . . 2º. La progresión del material se produce como consecuencia del movimiento de rotación del recipiente que lo contiene. Convección 2. . Difusión 3. Cizalla Estas mezcladoras presentan 2 formas básicas y distintas de trabajar: 1º.Mezcladoras para productos sólidos secos: En la mezcla de sólidos intervienen 1 o más de los 3 mecanismos básicos siguientes: 1. El material es impulsado por la acción de un transportador helicoidal. harinas. .Mezcladora de cubeta horizontal Son recipientes horizontales cilíndricos con uno o más elementos giratorios (transportadores de tornillo o mezcladoras de cintas). etc. incorporar aditivos. Se emplean para la mezcla de granos antes de la molienda. en el interior de un recipiente cilíndrico o cónico. .Mezcladora de tornillos vertical: Consiste en un tornillo vertical que gira sobre su eje longitudinal. Puede estar fijo en el centro o girar alrededor del eje central evitando la formación de capas estacionarias. 5.2.3 PASTAS . machacadas o pulverizadas y sustancias líquidas.DEFINICIÓN: Masa consistente y maleable compuesta de una mezcla de sustancias sólidas. . AMASADO Amasado del producto contra la pared del recipiente o contra la masa de otro material adyacente. . Se utilizan sistemas de vacío. La temperatura de la masa ha de ser constante. Normalmente esta presión se consigue con un tornillo sin fin en el que pasa la masa. Aquí es donde se utilizan los moldes. por eso lleva una camisa de refrigeración en la prensa extrusora.EXTRUSIÓN Se debe forzar el paso de la masa en estado plástico a través de un molde apropiado y con presión relativamente alta. . SECADO Se realiza con una o varias corrientes de aire caliente. Se realiza a 70 °C. . algunas veces se realiza un pre-secado normal moviendo el producto para evitar que la pasta se pegue. la duración del proceso se calcula por el contenido de lisina. ENFRIAMIENTO Esta operación es previa al empaque. el enfriamiento se realiza hasta llegar a temperatura ambiente ENVASADO Y EMPAQUETADO Se empaca en producto en bolsas de celofán o de plástico. se pesan y sellan. . . .TIPOS DE MEZCLADORES El equipo de mezclado para pasta. caucho y masas plásticas se utiliza cuando el material es demasiado viscoso o plástico para fluir fácilmente hasta la zona de succión de un agitador y no se puede crear corrientes de flujo. se levanta el cabezal del agitador retirando así las placas fuera del a cubeta Se limpia entonces la placa y se sustituye la cubeta por otra que contiene una nueva carga . que a su vez está sujeta a un soporte que gira en dirección contraria al del agitador Cuando la mezcla ha terminado. El agitador va montado excéntricamente con respecto al eje de la cubeta. Las placas están ligeramente alabeadas. o dedos.Mezcladores de cubetas intercambiables El agitador consta de varias placas verticales. solidarias con un cabezal rotatorio y situado cerca de la pared de la cubeta. 5.4 Criterios para la selección de equipos de agitación y mezclado Mezcladores móviles Mezcladores estáticos con agitación Mezcladores estáticos .2. Mezcladores móviles: Facilidad para cargar. Materiales friables (que se desmenuza fácilmente). descargar y limpiar. Versátiles. No para materiales cohesivos ( mec. . difusión suave). No para materiales friables.5x el diámetro de la tubería con mezclador .MEZCLADORES ESTÁTICOS CON AGITACIÓN NTERNA: Pueden realizar malaxado (granulación húmeda). Mec. convectivo (+difusión) TUBERÍA LISA CON FLUIDOS NO VISCOSOS: 5 a 10x el diámetro de la tubería Recomendable 50 a 100x MEZCLADORES ESTÁTICOS PARA FLUIDOS VISCOSOS: 1 a 1. Carga máxima 50-65% del volumen total. que segregan con facilidad. Mec. . Tiempo de mezcla: 3 a 10 minutos.MEZCLADORES ESTÁTICOS Materiales pocos cohesivos. conectivo. 5.3 TIEMPO DE MEZCLADO . Es el tiempo en el cual una mezcla alcanza un cierto grado de homogeneidad. .La eficiencia del proceso de mezclado depende tiempo de mezclado. el tipo de datos. .La elección de técnicas para la medición de tiempos de mezclado depende de: la exactitud. y el tiempo de procesamiento. conveniencia. velocidad de muestreo. reproducibilidad. coste. y solo depende de la temperatura.Tipos de fluidos Newtonianos Aquel cuya viscosidad puede considerarse constante en el tiempo. . pueden ser dependientes del tiempo o independientes del mismo. Los fluidos no newtonianos se clasifican con respecto a su comportamiento en el tiempo. . es decir.No newtonianos Son fluidos en los cuales el esfuerzo de corte no es directamente proporcional a la relación de deformación. . la geometría del tanque y el régimen del flujo. El tiempo de mezclado puede ser expresado de forma adimensional: Donde es el tiempo de mezclado en s. . es la velocidad del impulsor en y es una constante dependiente del tamaño. D es el diámetro del impulsor en m y μ es la viscosidad dinámica del fluido en Pa·s. En el caso de fluidos no Newtonianos. dicho número se define por: Donde k y n son el índice de consistencia y el índice de comportamiento del fluido . El numero de Reynolds se determina: Donde es la densidad del fluido en kg·m-3. Suponiendo que todo el ácido se añade al tanque de una vez ¿cuánto tiempo se requiere para que la neutralización sea completa? . situada a un diámetro del impulsor por encima del fondo del tanque y que gira a 80rpm. Un tanque agitado de 6ft de diámetro contiene una tubería de 6 palas rectas de dos pies de diámetro. Se ha propuesto este tanque para neutralizar una solución acuosa diluida en NaOH a 70° F con una cantidad estequiométricamente equivalente de ácido nítrico concentrado (HNO3).Ejemplo. La altura final del líquido en el tanque ha de ser de 6ft. Se utiliza la figura 9. . Por lo tanto. Densidad del líquido: Viscosidad del líquido: Da= 2ft E= 2ft.16. (apéndice 6) (apéndice 6) El número de Reynolds es A partir de la figura 9. Las cantidades requeridas son Dt = 6ft. Solución. para Re= 503 000. .16. . . mezclas ácido-base.Medición del tiempo de mezclado Las técnicas comúnmente utilizadas para la medición del tiempo de mezclado se basa en la inyección de varios trazadores. Existen varios tipos de trazadores como sales. fluido caliente. . compuestos radioactivos y colorantes. No invasiva Colorimetría Tomografía Invasiva Conductometría y pH (sondas) de resistencia eléctrica Láser Planar inducido fluorescencia Termografía por . Técnicas experimentales Colorimetría La técnica consiste básicamente en la inyección de un trazador de líquido y la observación de cómo se dispersa en el fluido contenido en recipientes de agitación. . . Consiste básicamente en un conjunto de electrodos. un sistema de adquisición de datos y una interfaz de usuario.Tomografía de resistencia eléctrica Muestra la distribución de la conductividad eléctrica de los flujos de gas-líquido. . . Láser Planar inducido por fluorescencia Es una técnica no invasiva adecuado para la medición instantánea de mapas de concentración en los flujos de líquidos. La siguiente figura muestra un ejemplo de los campos de concentración observados después de 90 s . Debido a su estructura molecular se comporta como un cristal entre estas dos fases. Cuando una luz incidente es dispersada selectivamente los cristales líquidos son la base de las mediciones de temperatura. .Termografía El cristal líquido es un material orgánico en forma de sólido amorfo a una cierta temperatura y líquido puro más allá del límite superior. Para ello. La figura muestra los contornos de matiz de la mitad del campo de flujo en el recipiente de agitación: . los cristales líquidos termocrómicos encapsulados como gelatina-shell micro-esferas con un diámetro medio de 20 micras fueron inyectados en la superficie superior. .Conductometría y pH (sondas) Las mediciones físicas de conductividad y el pH se realizan utilizando sondas colocadas en diferentes puntos en el recipiente de agitación. 4 Consumo de potencia en agitación y mezclado .5. n Aceleración de la gravedad (g) .Variables involucradas en el consumo de potencia Correlaciones empíricas Medidas del tanque y del impulsor Distancia del impulsor desde el fondo del tanque Profundidad del líquido Dimensiones de placas deflectoras Viscosidad (µ) y densidad (ρ) del liquido Velocidad de rotación o giro. . S2. Sn .Factores de forma Medidas lineales Relaciones adimensionales Factores de forma S1.. S3.…. Factores de forma S2 = holgura o espacio libre entre palas . Factores de forma Dos mezcladores que tienen las mismas proporciones geométricas pero diferentes tamaños tendrán idénticos factores de forma pero diferirán en la magnitud de Da Geométricamente semejantes . Variables involucradas en el consumo de potencia Número de potencia NP NRe < 10 NRe > 104 Número de Reynolds NRe Número de Froude NFr Flujo laminar o viscoso Flujo NRe = turbulento Fuerzas inerciales Fuerzas viscosas . Número de potencia NP α NFr = Fuerzas de arrastre Fuerzas inerciales Fuerzas inerciales Fuerzas gravitacionales Inercia: propiedad que tienen los cuerpos de permanecer en su estado de reposo o movimiento Es despreciable cuando se usan deflectores o cuando NRe < 300 . Número de potencia NP en función del Número de Reynolds NRe para turbinas e impulsores de alta eficiencia . Número de potencia . las líneas de NP contra NRe coinciden para un tanque con o sin placas deflectoras. y la pendiente de la línea en coordenadas logarítmicas es -1. la densidad no es un factor significativo . Por lo tanto: Para NRe < 10 Esto conduce a: Flujo laminar en este intervalo.Cálculo del consumo de potencia Para números de Reynolds bajos. Cálculo del consumo de potencia En tanques con placas deflectoras, para NRe > 10,000, el NP es independiente del NRe y la viscosidad ya no influye: De la cual: Flujo totalmente turbulento L T deflectores en la pared del tanque, cuya anchura es igual a 10 % del diámetro del tanque Tipo de impulsor KL KT Impulsor hélice, tres palas Paso 1.0 41 0.32 Paso 1.5 48 0.87 Disco de seis palas (S3=0.25, S4=0.2) 65 5.75 Seis palas inclinadas (45°, S4=0.2) ---- 1.63 Cuatro palas inclinadas (45°, S4=0.2) 44.5 1.27 Paleta plana, dos palas (S4=0.2) 36.5 1.70 Impulsor HE-3 43 0.28 Cinta helicoidal 52 ---- Ancla 300 0.35 Turbina Ejercicio 1 Una turbina de disco con seis palas planas se instala centralmente en un tanque vertical con reflectores con un diámetro de 2m. La turbina tiene 0.67m de diámetro y esta situada a 0.67m por encima del fondo del tanque. Las palas de la turbina tienen 134mm de ancho. El tanque esta lleno hasta una altura de 2mde solución acuosa de NaOH al 50% a 65°C, que tiene una viscosidad de 12cP y una densidad de 1500Kg/La turbina de la agitador gira a 90 RPM. ¿Qué potencia requerirá ? Solución Datos: Numero de Reynolds . Ya que Re> de la tabla anterior se tiene que = 5. .8. EJERCICIO 2 El sistema de agitación del ejemplo anterior se utiliza para mezclar un compuesto de látex de caucho que tiene una viscosidad de 120 Pa·s y una densidad de 1120 Kg/m3. ¿Cuál será la potencia requerida? . Al comparar con la tabla anterior . El número de Reynolds es: Esta dentro del intervalo del flujo laminar. es decir. un fluido no-newtoniano no tiene un valor de viscosidad definido y constante. carece de forma propia y adopta la forma del recipiente que lo contiene. a diferencia de un fluido newtoniano. En otras palabras.Consumo de potencia con líquidos no newtonianos Fluido no Newtoniano(su consistencia cambia con la velocidad de agitación) Un fluido newtoniano es una sustancia homogénea que se deforma continuamente en el tiempo ante la aplicación de una solicitación o tensión. Un fluido no newtoniano es aquél cuya viscosidad (resistencia a fluir) varía con el gradiente de tensión que se le aplica. Como resultado. independientemente de la magnitud de ésta. se deforma en la dirección de la fuerza aplicada. es una sustancia que debido a su poca cohesión intermolecular. . ya que la viscosidad aparente del fluido varía con la velocidad de corte (gradiente de velocidad). El no. De Reynolds no se define fácilmente. y ésta varía de un punto a otro en el tanque. número de potencia se define de la misma forma que para fluidos El newtonianos. Sin embargo se obtiene la siguiente correlación: . por la ecuación: Al sustituir en la ecuación se obtiene . Para un fluido newtoniano que sigue la ley de potencia. la viscosidad media aparente está relacionada con el gradiente promedio de la velocidad de corte. Para líquidos seudoplásticos. se ha demostrado que la deformación efectiva promedio en el interior de un recipiente está directamente relacionada con la velocidad del impulsor. Para muchos líquidos seudoplásticos. la relación que satisface esto es: ( Donde es una constante para el tipo específico de impulsor. . pero el valor del consumo de potencia depende fundamentalmente de las deformaciones en la región del impulsor. deformación volumétrica promedio en el vaso es probablemente mucho La menor que . Al combinar y ( Se obtiene . Valores de ks para diferentes impulsores . En la siguiente figura se representa la correlación de número de potencia con el número de Reynolds. para un impulsor de turbina de seis palas con fluidos seudoplásticos: . el conocimiento de estas operaciones permiten crear nuevas ideas de optimización en procesos ya existentes. Bioquímico. no sólo los que ya son obvios. y justamente de manera inversa.Conclusiones Como conclusión podemos decir que los procesos de agitación y mezclado son de las operaciones unitarias más simples pero más indispensables debido a que sin éstas (aunque parece imposible imaginarlo) no existirían por completo productos que conocemos ahora y que son tan importantes en la vida cotidiana. ya que como fue mencionado. RPM promedio. Inclusive en cosas tan simples como hacer un “chocomilk” se utilizan los fenómenos involucrados en el proceso de mezclado. Ya hablando en específico. al igual que como un Ingeniero. es casi redundante mencionar que los cálculos involucrados en los procesos de mezclado y agitación son de gran importancia para un Ing. Bioquímico son muy extensas. propiedades reológicas. etc. se modifican las propiedades de la sustancia a vender. la importancia del conocimiento de estas operaciones unitarias para un Ing. en un medio conocido. . para que tenga la capacidad de ser mezclada con la fuerza. Como último. ambas operaciones unitarias pueden estar incluidas en una gran cantidad de procesos. ya que de nada sirve saber el concepto si no se sabe el fundamento matemático detrás de la capacidad de un ingeniero para discernir entre los distintos tipos de agitación y mezclado.