Seleccion MEZCLADOR ESTATICO

UNIVERSIDAD DEL BIO- BIOFACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA CÁLCULO COMPUTACIONAL DE LA DINÁMICA DE FLUIDOS DE UN MEZCLADOR A TRAVÉS DEL SOFTWARE “FLUENT”. Autor: ORELLANA GAJARDO, ELÍAS GERARDO PROFESOR GUÍA: Salinas Lira, Carlos Hernán. CONCEPCIÓN – CHILE 2006 Dedicatoria Quiero dedicar este presente Seminario de Titulación a mis padres y hermanos, que me apoyaron de forma incondicional en el transcurso de mis estudios. Agradecimientos En primer lugar quiero dar un agradecimiento especial a mis padres y a mis hermanos, por todo el apoyo que he recibido durante el desarrollo de este seminario de Titulación y sobretodo durante mis años universitarios. A Dios por guiar mi camino y por levantar mi espíritu cuando comenzaba a desfallecer. A todos los profesores de la carrera que me entregaron su sabiduría y su profesionalismo para hacer de mi un gran profesional y una gran persona. En especial a Dr. Salinas. quien me entregó su apoyo incondicional para el desarrollo de este proyecto. A mis compañeros y amigos incondicionales con los cuales compartí mis años de estudio y estuvieron cerca de mi en los buenos y malos momentos. RESUMEN El presente seminario de titulación tiene relación con la simulación computacional de la dinámica de fluidos de un mezclador estático del tipo Kenics KMS. En particular, se describen en forma previa los conceptos básicos, que permiten caracterizar su funcionamiento, así como su diseño, selección y aplicaciones industriales. Detalles del mezclador Kenics son discutidos ampliamente. Para la simulación propiamente tal es usado el software FLUENT 6.2, cuyo procedimiento de análisis es detallado en base a distribuciones de velocidades, presiones y flujo de corriente. Algunos parámetros de diseño son comparados con resultados documentados en la literatura. Objetivos 2 OBJETIVOS Objetivo principal. • Simular un mezclador tipo Kenics KMS a través del software FLUENT. Objetivos secundarios. • Analizar las características de los mezcladores: Tipos, aplicaciones y funcionamiento. • Desarrollar los criterios de diseño y selección de mezcladores. INTRODUCCION la transferencia de calor. en parte debido a que casi ningún programa curricular de ingeniería aborda estos aspectos. Mejorando la eficiencia de las operaciones de mezclado en una industria puede conducir a mejoras substanciales en la productividad y/o calidad del producto final. lo que en ocasiones impide tener un panorama crítico y general del tema. Las operaciones de mezclado se usan con una gran variedad de propósitos. y cuando éste es el caso. representan recursos que una empresa se podría ahorrar o emplear más eficientemente. la dispersión de gases en líquidos. La "Tecnología de Mezclado" es frecuentemente adquirida de los fabricantes de equipos. Sin embargo. Ejemplos de ellas son las industrias de polímeros. el proceso de mezclado también tiene lugar en las cañerías que conectan estos procesos a los tanques. Tiene la ventaja que no tiene ninguna parte móvil y extrae la energía . etc.Introducción 4 INTRODUCCIÓN El mezclado es una operación prácticamente universal en la industria. Es frecuente que las condiciones de operación de un determinado proceso de mezclado puedan ser mejoradas sin grandes cambios y aunque los sobre diseños no se detectan. un mezclador estático es un obstáculo estacionario puesto en un conducto para originar un mezclado y puede verse como el equivalente del agitador mecánico en un tanque de mezcla. Entre las industrias que emplean ampliamente el mezclado destacan aquellas que manejan materiales viscosos y de reología compleja. farmacéutica y de cosméticos. las mismas tuberías sirven como tanques de proceso. de fermentación. La mayoría de los procesos de mezclado industriales tienen lugar en tanques o vasos. el manejo que de ellas se hace es altamente empírico. de alimentos. A pesar de que diversas operaciones de mezclado son usadas rutinariamente en la industria. están generalizados en las industrias de proceso. Entre ellos se encuentra la homogeneización de materiales. Básicamente. entre las más importantes. los mezcladores estáticos requieren menos espacio.Introducción 5 requerida para mezclar del flujo. Por estos. el costo de mantenimiento y de operación de los mezcladores estáticos es más bajo que los agitadores convencionales (mecánico) y también. . Se encuentra enfocado al estudio. usando la diferencia de presión o la energía cinética y/o potencial de los materiales tratados. También se aborda la descripción más importante de los mezcladores y las aplicaciones generales en las industrias. En el presente seminario de Titulación se muestra las características de los mezcladores y los tipos que se encuentra actualmente en el mercado. en particular. análisis y selección de mezcladores estáticos. se muestra la simulación de la dinámica de fluidos en un mezclador Kenics KMS a través del uso del software comercial FLUENT. CAPITULO I : DESCRIPCION GENERAL . proporcionen toda la energía requerida. es cuantificable. El rendimiento es predecible. líquidos y materiales viscosos sin el uso de piezas mecánicas móviles. la temperatura y velocidad se igualan encima de la sección transversal del flujo. • • • Son compactos y requieren un pequeño espacio. Las diferencias en la concentración. expresada como una desviación de la media. Tales procesos aprovechan la habilidad de no sólo proporcionar un . entre otras: • Los mezcladores estáticos no requieren un suministro de energía separado. también en proceso de calentamiento y operaciones de transferencia de masa o complicadas reacciones químicas. En su forma más simple. El mezclador generalmente está ubicado en la cañería y tiene una forma que permite una instalación fácil en la cañería como parte de un proceso continuo. • • Requieren un costo de inversión y operacional muy bajo. La homogeneidad.Descripción General 1-7 Descripción general Los mezcladores estáticos proporcionan los medios para conseguir la homogeneización de gases. • • La caída de presión es pequeña de modo que el consumo de energía sea bajo. bombas o sopladores. Ellos ya no sólo se usan para mezclar. No tienen ninguna parte móvil. así que requieren poco mantenimiento y el tiempo improductivo es minimizado. ofrece muchas ventajas. mientras los materiales a ser mezclados. los materiales pasan a través de una estructura geométrica fija que repetidamente divide el flujo de material en numerosas partes. uniforme y consistente. Un mezclador estático simple. Se eliminan los problemas de sellado. Desde 1970 los mezcladores estáticos básicos han sufrido un gran desarrollo que ha llevado a un amplio rango de aplicaciones. sino también mejoran la transferencia de calor y tiempo de residencia uniforme Las formas especiales de los mezcladores estáticos son usadas en muchos sectores industriales: el petróleo. los petroquímicos. químicos. los cosméticos y detergentes. . comidas. la producción de polímeros y plásticos. la energía y protección del ambiente. Un ejemplo es la disolución de cloro en el agua.Descripción General 1-8 buen mezclado. el agua y tratamiento del agua residual. Se usan los mezcladores estáticos para la absorción de gases en los líquidos y para las reacciones químicas de gas/líquido. pulpa y papel. La reacción se produce más rápidamente. gas natural y refinerías. donde se da un funcionamiento más seguro y reducen el inventario de material. sobre todo cuando la energía de presión adecuada está disponible o puede hacerse disponible en el flujo aditivo. El siguiente plan detallado se usa para seleccionar el opciones. la transferencia de calor. y la reacción. su pequeño tamaño. polifásicos y unifasicos. Los mezcladores estáticos son la elección de diseño dominante para mezcla en cañerías. mezcladores de chorro (jet mixer). Se establecen bien en procesos turbulentos. y eficiencia de energía. . El flujo inestable en la cañería puede generar la turbulencia suficiente para lograr una mezcla simple y procesos de dispersión.Descripción General 1-9 1. Estos dispositivos de inyección de aditivo son usados en combinación con los mezcladores estáticos para optimizar el diseño y rendimiento. En resumen: • dispositivo óptimo en varias La energía es requerida para conseguir el resultado deseado. la presión disponible tanto en el flujo principal como en el flujo aditivo es importante en los criterios de selección. debido a su sencillez. y boquillas de rocío (para el líquido en el gas) también son usados a menudo.1 Visión general de opciones de dispositivo en tubería Hay una amplia variedad de métodos y alternativas de dispositivo para el procesamiento continuo de fluidos en las tuberías para lograr los objetivos de mezcla. Esta alternativa es usada a menudo con éxito en flujo muy turbulento donde la longitud de mezclado y el tiempo no son importantes. Son esenciales en el régimen de flujo laminar. Adicionalmente. la dispersión. El régimen de flujo es un determinante principal para la selección del equipo. La tabla 1-1 provee un método preliminar para seleccionar entre las varias opciones de equipos en tuberías. Las “tee” mezcladoras. 1-10 En flujo turbulento. la cañería simple usa la energía mínima y es a menudo la mejor elección para aplicaciones de mezcla. Tabla 1-1: Opción de dispositivos en línea “tee” mezclador Mezclador de chorro Mezclador estático Régimen de flujo Régimen laminar Mezcla Dispersión Traslado de calor Reacción Flujo del tapón Régimen turbulento Mezcla Dispersión Transferencia calor Reacción de Cañería Boquilla ----- ----- ----- ----- ----x x x x x ----x x x ----x x ----x x ----x x x ----x x x x x x . si no hay tiempo o restricción de longitud.Descripción General • • Los mezcladores estáticos son generalmente requeridos en flujo laminar. la energía para mezclar debe ser proporcionada por el flujo principal o el flujo del equipo. Si hay limitaciones de energía. Para la dispersión es una pérdida o tamaño de la partícula. Considere una sección transversal de una cañería al que se ha añadido una pequeña cantidad de material. un tanque agitador. logrando un mezclado radial mientras minimiza la retromezcla (backmixing). Inicialmente. Los mejores diseños crean un grado alto de flujo de tapón. y este concepto se acepta ampliamente.2 Mezclado Radial en el Flujo de una Tubería La mezcla en una tubería puede ser radial o axial. laminar o turbulento. muestra la mezcla de dos fluidos en flujo laminar en . algo que debe ser considerado en el diseño del sistema global. ocurre a menudo al punto de inyección aditivo. puede ser una mejor opción de diseño. Si se requiere un grado alto de retromezcla (por ejemplo. por lo que merece alguna definición. Ésta es una característica importante de los mezcladores estáticos.1 Definición del Resultado en el Proceso Deseado. 1. el tiempo de mezcla es lograr un cierto grado de homogeneidad. 1. La retromezcla. uno para cada fluido. propusieron usar el concepto de coeficiente de variación. La cantidad de mezcla que puede ser obtenida en cualquier mezclador de la tubería y el gasto de energía son fuertemente dependientes del régimen de flujo. El resultado en el proceso de transferencia de calor es un coeficiente de transferencia de calor. debido a que es el único en las industrias del procesamiento al flujo de la tubería. El equivalente para mezclar en el flujo de la tubería no es tan claro. Para mezclas en tanques. Alloca y Streiff (1980).1 Coeficiente de Variación como una Medida de Homogeneidad. por lo que los investigadores. esta separado en dos zonas.Descripción General 1-11 1.2. La figura 1-1.1.2. sin embargo. igualar las fluctuaciones de tiempo en el alimento). las áreas se entremezclan. A menudo. Con los datos obtenidos y con la ayuda de la estadística se puede conseguir una medida de uniformidad o de mezcla. Esto se puede hacer extrayendo las muestras individuales en los puntos situados en la sección representativa. la concentración media total permanecerá igual. obteniendo la función denominada coeficiente de variación (CoV = desviación normal de concentración). Por supuesto. se puede muestrear en muchos puntos en la sección representativa a lo largo del mezclador y utilizar estos valores como medida de segregación. También se puede llamar intensidad de mezcla o grado de segregación.Descripción General 1-12 un mezclador estático (del tipo SMX). En un estudio realizado. un aditivo se puede considerar un buen mezclado con un CoV del 5%. en un proceso de mezcla industrial típico. Esto es un concepto útil. La desviación normal se normaliza dividiéndolo por el promedio. podemos describir el proceso estimando la concentración de cada color en los cuadrados individuales. ¿Cómo pueden ser descritas las diferencias en este sistema de fotografías? Si sobreponemos una rejilla de cuadrados sobre la sección transversal. se obtuvieron 10 datos en el cual se cálculo el promedio y la desviación estándar. se mezcló aire con CO2. el proceso indicará cual es un coeficiente de variación aceptable. el . Figura 1-1 Alternativamente. mientras que en un uso más crítico tal como la adición del color. pues el coeficiente de variación (generalizada a menudo como porcentaje) es fácilmente asimilable. Por ejemplo. la muestra no debe interferir en el proceso de la mezcla. Descripción General 1-13 producto puede requerir 0. 1. Cv: CoVO = 1 − Cv Cv Ec.2 Se define la tarea de mezclado como. 1.1 Es de interés el estado inicial de la mezcla por lo cual se propuso el coeficiente inicial de variación para una muestra (CoVo). Cuando dos fluidos son mezclados en una cañería. El CoV final es normalmente independiente de la cantidad de la mezcla. que es dado por la teoría estadística.5% CoV. La longitud del mezclador requerida para alcanzar un CoV determinado depende de la cantidad mezclada debido al estado inicial de desmezclado. que se basa en la razón del flujo volumétrico del material agregado con respecto al flujo volumétrico total. . la reducción de un coeficiente inicial de variación (CoV0) a un CoV final independientes CoV0. la calidad de la mezcla puede describirse estadísticamente por el coeficiente de variación CoV definido de la siguiente manera: ∑ ( xi − x ) CoV = N 2 σ x i =1 = N −1 x Ec. 10.1.Descripción General 1-14 Figura1-2 Homogeneidad expresada como coeficientes de variación versus el largo para el mezclador estático KVM (L/D=5) en flujo turbulento. . se puede apreciar la variación del Coeficiente de Variación con respecto a las dimensiones del mezclador para un flujo turbulento para los mezcladores SMX y SMXL para diferentes flujos. El coeficiente de variación versus la longitud del mezclador para dos diseños de mezclador (SMX y SMXL) operando en flujo laminar en proporción de 0. 1. La reducción de CoV como una función de longitud es una medida de calidad de mezclado como se muestra en la Figura 1-2. y 50 % del aditivo son indicado en la Figura 1-3. y 50% de aditivo se puede ver en la figura 1-4. 10. al comparar con la Figura 1-3. 1.Descripción General 1-15 Figura 1-3 Homogeneidad expresada como coeficientes de variación versus el largo para el mezclador SMX y SMXL operando en flujo laminar El desempeño del mezclador de SMV en proporción de 0. . Observe.1. la homogeneidad del flujo turbulento se logra más rápido que en el flujo laminar. Descripción General 1-16 Figura1-4 Homogeneidad expresada como coeficientes de variación versus el largo para el mezclador SMV operando en flujo turbulento. . . La comparación muestra la consecuencia de la difusión numérica. una malla mas fina es necesaria para un cálculo cuantitativo exacto del grado de mezcla de especies químicas múltiples. el coeficiente pronosticado de la variación aumenta más rápido de lo esperado sobre la base de la correlación experimental.Descripción General 1-17 La Figura 1-5 indica una comparación entre el coeficiente de la variación calculado del modelo de nodo de 350k y la correlación experimental suministrada por Myers et [9]. aunque el campo de flujo es calculado correctamente en esta densidad de malla. Esto indica. Figura1-5 Comparación del coeficiente pronosticado de la variación con una correlación experimental. 1-18 Se han desarrollado diversas medidas para mezcladores estáticos. la caída de presión es directamente proporcional a la densidad. En dichos estudios se ha demostrado que los cálculos teóricos del CoV y la longitud de mezclado tienen relaciones similares que las obtenidas experimentalmente. por otra parte.Descripción General 1.2. En flujo turbulento. En años recientes.1. Si es flujo turbulento. La viscosidad. de modo que la exactitud de la densidad dependerá de la precisión con que se determine la caída de presión. no se requiere exactitud.2 Otra Característica de Medición. Los sistemas de baja viscosidad funcionan generalmente en flujo turbulento. En el flujo laminar. el primer uso de la viscosidad consiste en calcular un número de Reynolds para determinar si el flujo es laminar o turbulento. donde la viscosidad tiene poco o nada de efecto sobre el mezclado o en la caída de presión. 1. Para un sistema. Computacional Fluid Mixing) ha permitido realizar el análisis más detallado del estado de mezcla. Gracias a los procesos computacionales se han podido estudiar los procesos de mezcla estáticos de forma más rápida que los estudios experimentales. y por lo general se requiere una precisión menor del 10%.3 Importancia De Las Propiedades Físicas Las dos características dominantes en flujo unifásico son la densidad del fluido y su viscosidad. es una medida más compleja. Se han realizado demostraciones para flujo laminar para los mezcladores estáticos SMX de Koch y los KM de Kenics y para flujo turbulento con los HEV de Kenics por los investigadores Bakker y LaRoche (1993). los adelantos de la tecnología. ya que un error en la viscosidad de un factor 2 tendrá un efecto despreciable. en especial el área de la computación de fluidos (CFD. Computacional Fluid Dynamics) y en aplicación de mezcla (CFM. la viscosidad es de suma importancia y la caída de presión es directamente proporcional a ella. . sin embargo. 2 Régimen de Flujo turbulento. debido a los remansos turbulentos. Debido a la distribución parabólica de la velocidad. Esto da lugar a una distribución del tiempo de residencia que no es de flujo de tapón. Con el flujo turbulento hay intercambio de masa en ambas las direcciones radiales y axiales. En flujo laminar los vectores de la velocidad son paralelos y no hay mezclado radial.1 Régimen laminar del flujo.Descripción General 1-19 1. 1.3. puesto que no hay aditivo introducido en grandes cantidades a la corriente. Para los propósitos prácticos no hay un mezclado radial en el flujo laminar de la tubería. . Esta tarea de mezcla se refiere a menudo como mezcla simple u homogeneización baja.3. por lo que la velocidad a través de la cañería no es uniforme. Los mezcladores estáticos son los únicos dispositivos en la tubería eficaces en el régimen de flujo laminar. jabones. . .Sulfurar los alcoholes grasos con aceites. la producción de estireno.4 Aplicaciones Muchas aplicaciones son manejadas eficientemente con los mezcladores estáticos. .). Estos pueden ser usados en numerosas industrias para unas variadas aplicaciones. • LOS COSMÉTICOS Y DETERGENTES . .Saponificar (hidrolizar un éter) grasas con soda cáustica. . A continuación se nombrará algunos ejemplos de aplicaciones industriales.Descripción General 1-20 1. .Evaporar los líquidos delante de los reactores de oxidación.Mezclar los componentes de pasta de dientes. procesos de cloración). Dispersión. lociones. .Mezclar los gases delante de los reactores catalizadores (por ejemplo.Suministrar el flujo de pistón y controlar la reacción con fluidos de baja y alta viscosidad. Transferencia de calor. champú. . . o detergentes. . por ejemplo: • • • Mezcla.Disolver los gases (por ejemplo.Diluir agentes. • QUIMICA . etc.Homogeneizar el proceso. ácido nítrico.Controlar la calefacción y el enfriamiento en la producción del catalizador. etc.Dispersar los líquidos en la extracción.Mezclar los reactantes inmiscibles y/o miscibles. . e inhibidores en las fusiones del polímero y soluciones. • LOS POLÍMEROS.Disolver el CO2 en la cerveza. .Mezclar fruto y sabores en yogur y helado.Calefacción y mezcla de chocolate. . .Proveer el flujo de pistón en los reactores de la polimerización (por ejemplo. silicona. .Combinar gases de combustible con aire antes de la combustión. jugo de fruta.Diluir melaza y azúcar. . . el poliestireno.Mezclar emulsionante para el agua en combustible.Evaporar la solución de amoníaco y mezclarlo con los gases de la descarga. • COMIDAS . . .Diluir jugos concentrados y mezclar los condimentos. y muchos otros).Recalentamiento del gas de conducto en las plantas de la desulfuración.Mezclar el color y el sabor en comida natural de mascota.Mezclar los aditivos.Limpiar H2S del gas de la descarga con cáustico. catalizador. . Y FIBRAS TEXTILES . . . .Descripción General 1-21 • ENERGÍA . o vino.Deshidratar el gas natural con glicol.Mezclar las enzimas y químicos en suspensiones de almidón. • PROTECCIÓN AMBIENTAL . PLÁSTICOS. el estabilizador ultravioleta. etileno a EDC). .Mezclar el benceno de etilo con el flujo antes del primer reactor. • PETROQUÍMICO . los antioxidante). colorantes. . el aceite mineral.Descripción General 1-22 . ya que los mezcladores estáticos cada vez tienen mayor aceptación en la industria de nivel mundial.Clorar los hidrocarburos (por ejemplo. Los ejemplos que se pueden mencionar son muy variados.Mezclar los aditivos (por ejemplo. CAPITULO II : FUNDAMENTOS DE MEZCLADO . Se recomienda una comprensión del régimen de flujo para calcular el grado de mezcla. Para un flujo con un número de Reynolds muy mayor a 2000. Como primer paso en el conocimiento de una aplicación de mezclado en la cañería es la identificación de la dinámica del fluido o régimen de flujo del proceso. el flujo era laminar. consistió en inyectar tinta en un flujo de un líquido en una tubería. la medición de la velocidad en un punto fijo en medio de canal. se debe mencionar que las propiedades del fluido pueden variar con el tiempo durante el proceso de mezclado. la medición de la velocidad en el mismo punto cambia considerablemente. Los determinantes son la razón de flujo y las propiedades físicas. 2. Para un flujo laminar uno esperaría medir una velocidad constante en dicho punto (ver figura 2-1).1. la medición se caracteriza por periodos breves de flujo laminar alternados con periodos turbulentos. De esta manera fue capaz de observar que a medida que la velocidad del flujo aumentaba. Adicionalmente. por ejemplo. Puede observarse que la magnitud del vector de velocidad fluctúa alrededor de un valor medio. Esta relación adimensional es lo que ahora se conoce como número de Reynolds. determina los mecanismos y las relaciones a usar en la selección y el diseño detallado para los equipos de mezcla. El régimen de flujo puede variar con el proceso aplicado.1 Experimento De Reynolds Una de las primeras personas en identificar la transición de un flujo laminar a un flujo turbulento fue Osborne Reynolds en (1883). Para flujos con números de Reynolds ligeramente superiores a 2000. ilustrado en la figura. Su experimento. laminar o turbulento. Consideramos. Reynolds observó que cuando la relación adimensional VDρ/µ del flujo permanecía por debajo de 2000.Fundamentos del Mezclado 2-24 2.1 RÉGIMEN DE FLUJO El régimen de flujo. el movimiento del fluido en el seno del líquido se volvía cada vez más agitado e irregular. Esto . la transición es progresiva. Figura 2-1 2.Fundamentos del Mezclado 2-25 indica que la transición de un flujo laminar a un flujo turbulento no es abrupta. El primer parámetro es una escala de longitud del campo de flujo. El número de Reynolds depende de tres parámetros físicos que describen las condiciones del flujo. A este régimen intermedio se le denomina como de transición. Si dicha escala de longitud es lo bastante grande. El segundo parámetro es una escala de velocidad tal como un promedio espacial .2 Número de Reynolds y Factor de Fricción. como el espesor de una capa límite o el diámetro de una tubería.1. una perturbación del flujo podría aumentar y el flujo podría volverse turbulento. están bajo condiciones controladas. con paredes muy lisas. Estos tres parámetros se combinan en una sola expresión conocida como el número de Reynolds (Re). Estos límites no son absoluto.Fundamentos del Mezclado 2-26 de la velocidad. si la velocidad es lo bastante grande el flujo podría ser turbulento. etc. Este factor es equivalente a ¼ del factor de fricción de Darcy. el flujo puede ser turbulento. El factor de fricción de Fanning.2 . con el cual se puede determinar el tipo de régimen de flujo. sin vibraciones. se define como sigue: f = ∆P D ρV 2 2L Ec.1 La literatura indica tres regímenes de flujo distintos: Re < 2100 2100 < Re < 10 000 Régimen Laminar Régimen de Transición (el rango de 2100 a 3500 es especialmente inestable) Re > 10 000 Totalmente turbulento. 2. 2. si la viscosidad es lo bastante pequeña.. El factor de fricción o coeficiente de resistencia de Fanning es un parámetro adimensional que depende del número de Reynolds. Re = ρ ⋅ D ⋅V µ Ec. se pueden alcanzar valores de Re muy altos (24000 por ejemplo) manteniéndose el régimen laminar. El tercer parámetro es la viscosidad cinemática. y eficiencia de energía. Boquillas. y una alta confiabilidad. válvulas y placa orificio. .Fundamentos del Mezclado Donde: D ∆P : diámetro : caída de presión 2-27 ρ L V : densidad : largo : velocidad Para el presente seminario se ocupara el factor de fricción de Fanning. Los mezcladores estáticos apropiadamente diseñados ofrecen un rendimiento óptimo y funcionan sobre un amplio rango de condiciones de flujo. mezcladores de chorro (jet mixers). debido a su sencillez. compactibilidad. tanto unifásico como polifásico. Otros tipos de diseños que pueden realizar “mezcla en línea” son: • • • Tubos vacíos o tubos que no contengan ningún elemento especial. 2. Ellos son esenciales en el régimen de flujo laminar. “Tee” mezcladores. Están bien adaptados en los procesos turbulentos.2 Apreciación Global Para Distinto Régimen Los mezcladores estáticos son la opción de diseño dominante para realizar “mezcla en línea”. uní fases. mezcladores de chorro (jet mixers) Mezcladores estáticos. Cuando el flujo es muy turbulento y unifase. En el presente seminario solo se investigara los mezcladores estáticos. Estos diseños dirigen el flujo más bruscamente. con número de Reynolds mayor que 10 000 (flujo turbulento) es sobre el principios de generador de vórtice.05 (5%) es considerado una buena homogeneización en la mayoría de las aplicaciones industriales. válvulas y placa orificio. Pueden lograr un grado alto de homogeneidad en una longitud muy corta de cañería. son capaces de lograr los coeficientes de variación inferior de 0. “Tee” mezcladores.2.Fundamentos del Mezclado 2-28 2. usando la energía turbulenta incrementada para lograr la mezcla. que pueden ser: • • • • Tubos vacíos o tubos que no contengan ningún elemento especial. Los mezcladores de aproximadamente cinco veces el diámetro de la longitud total (L/D ≈ 5).05 para unas cantidad moderada de aditivo. . Se usan a menudo los mezcladores de diseño de hoja corrugado en las cañerías grandes dimensiones y conductos donde la longitud está limitada. Un valor de 0. Los diseños más atractivos para los componentes de flujo de uní fase. hay variadas opciones para elegir. Las longitudes más cortas de mezclado son posibles con mezcladores construidos de placa o barras estructuradas. que se inicia en una lámina o en varias láminas. Boquillas.1 Flujo turbulento. Los mezcladores estáticos están fácilmente accesibles y están diseñados para el funcionamiento continuo. el mezclador estático realiza la homogeneización de la masa. . El tamaño de la caída de presión depende de la energía requerida. extracto. Esto es una consideración muy importante ya que muchos procesos son referencias de los laboratorios o patrón.2. Se recomiendan los mezcladores estáticos para las aplicaciones de flujo multifase con una fase líquida continua y un gas dispersado. La distribución del tamaño uniforme también facilita la separación de las fases en algún tipo de gravedad o separador inercial. Además de crear la superficie interfacial. asegurando que todos los componentes de flujo son uniformemente distribuidos en la sección transversal y expuesta a los niveles similares de dispersión de energía turbulenta alrededor del fluido. Se diseñan los mezcladores estáticos para crear distribuciones uniforme de la caída de presión. La generación de área de superficie varía con la potencia de entrada por unidad de masa. y cambio de transferencia / fase de calor. hay limitaciones que deben ser consideradas cuando se diseña los mezcladores estáticos para aplicaciones de procesos multifásicas. reacción. y placas de orificio Se comportan bien los mezcladores estáticos en el flujo turbulento multifase y reúnen los requisitos industriales para la absorción. evaluadas antes de la comercialización. Válvulas. La caída de presión del mezclador requerida o la dispersión de energía depende de la cantidad de superficie interfacial requerida para la transferencia de masa y la velocidad de reacción así como el tiempo de residencia requerida cuando la proporción de la reacción está limitada. o fase liquida inmiscible.Fundamentos del Mezclado 2-29 2. y en consecuencia.2 Flujo turbulento Multifase Cuando el flujo es muy turbulento multifase. boquillas. Los diseños son diseñados para conseguir los resultados específicos con costo y gasto de energía mínimo. hay solamente dos opciones de diseño prácticas: • • Mezcladores estáticos. Los criterios son bien establecidos para los diseños del mezclador estáticos que se usan en los flujos multifases turbulentos. estator. cuyo proceso involucra fluidos Newtoniano y enrarecimiento de cizalladura.3 Caída de presión. unifase o multifase. Otro dispositivo mencionado para flujo turbulento no es aceptable para aplicaciones de mezcla en el régimen de flujo laminar. que incluyen extrusor. rotor .3 Flujo Laminar Cuando el flujo es laminar. el incremento adicional de la caída de presión de los mezcladores estáticos. conlleva a exigir una energía extra para conseguir el efecto de mezclado. pero la caída de presión todavía es significativamente más alta que para el mismo tamaño de la cañería sin los elementos. por lo tanto se requiere un factor de corrección. ya que estos trabajan con la turbulencia y no pueden operar con números de Reynolds bajos La única tecnología alternativa es los mezcladores dinámicos en línea. dependiendo del número de Reynolds. La cinta torcida y el embalaje estructurados de los mezcladores estáticos aumenta la caída de presión por unidad de longitud de cañería en comparación de la cañería abierta normal. La caída de presión en un mezclador estático de geometría fija se expresa como la proporción de la caída de presión a través del mezclador a la caída de presión de una cañería abierta del mismo diámetro y longitud por. En tantos los casos laminar y turbulentos.2. 2. Un hecho fundamental es que esa energía de presión es requerida por el flujo. hay sólo una opción de dispositivos de diseños: los mezcladores estáticos. características de los mezcladores estáticos. y una variedad de dispositivos móviles. Los diseños vórtice-generadores operan con menos resistencia de flujo. Este dispositivo no tiene los beneficios de la simpleza y el poco mantenimiento. . El tiempo de mezcla reducido (la longitud del mezclador más corta) requiere una alta velocidad de disipación de energía. KL para flujo laminar y KT para el flujo turbulento. Los Mezcladores estáticos son probados en un amplio rango de flujo laminar.Fundamentos del Mezclado 2-30 2. Algunos procesos son más complicados que otros. Fundamentos del Mezclado 2-31 ∆PSM ⎧K L ⋅ ∆PCañeria ⎪ =⎨ ⎪K ⋅ ∆P Cañeria ⎩ T ⎫ ⎪ ⎬ flujo turbulento ⎪ ⎭ flujo laminar En las Tablas 2-1 y 2-2, se dan valores de KL y KT. Donde ∆P corresponde a la caída de presión de la cañería, dada por la siguiente ecuación: L V2 ∆P = 4 ⋅ f ⋅ ⋅ ρ ⋅ D 2 Donde: F L D V : factor de fricción de Fanning : largo de la cañería. : diámetro de la cañería. : velocidad del flujo. : densidad del fluido Tabla 2-1 Flujo laminar Dispositivo Tubo vacío KMS SMX SMXL SMF SMR KL 1 6.9 37.5 7.8 5.6 46.9 KiL 0.87 0.63 0.85 0.83 0.8 Ec. 2.3 ρ Los valores presentados en la tabla representa el factor de corrección para el cálculo de la caída de presión en un mezclador estático. Fundamentos del Mezclado Tabla 2-2 Flujo turbulento 2-32 Dispositivo Tubo vacío KMS KVM SMX SMXL SMV SMF a Nea 0.01 1.5 0.24 5 1 1-2 1.3 KT 1 150 24 500 100 100-200 130 KiT 0.95 0.50 0.42 0.46 0.87 0.21-0.46 0.40 Ne es número de Newton, equivalente a 2f, dos veces el factor de fricción de Fanning. El factor de fricción de Fanning presentado en la ecuación 2.2. Es correlacionado empíricamente para el flujo turbulento en las cañerías lisas por la ecuación de Blasius, dado por: f = 0.079 Re0.25 4000<Re<100000 Ec. 2.4 Para flujo laminar, el factor de fricción de Fanning, esta dado: f = 16 Re Re<2000 Ec. 2.5 El factor de fricción de Darcy- Weisbach esta representada en el diagrama de Moody, y es cuatro veces mayor que el de Fanning. Fundamentos del Mezclado 2-33 Diagrama de Moody 2.4 Correlaciones de mezcla para Flujo Laminar y Turbulento. Los resultados para mezclar en los mezcladores estáticos pueden ser puestos en correlación trazando un coeficiente de reducción de variación CoVr contra L/D. En el flujo laminar no velocidad de flujo o CoV inicial en estas correlaciones. CoVr normalmente se encuentra en correlación con el L/D en un formulario exponencial. Figura 2-2Coeficientes de variación de reducción versus números de Reynolds para un mezclador HEV. KT para turbulento). CoVr = K i L D Ec. Kit para turbulento) y el coeficiente de la caída de presión (KL para laminar. Este diseño de mezclador es aplicado típicamente para un número de Reynolds sobre 10 000.6 Donde Ki depende del tipo del mezclador. El HEV de Kenics muestra una dependencia débil del número de Reynolds (Figura 2-2). Las tablas 2-1 y 2-2 proporcionan los valores típicos para ambos coeficientes de mezcla (KiL para laminar.Fundamentos del Mezclado 2-34 hay ningún efecto de la viscosidad. 2. . 7 Para los mezcladores estáticos en flujo laminar. La velocidad de cizalladura efectiva en un tubo vacío con los fluidos newtonianos se expresa como: G`= 8 ⋅ V D Ec. la velocidad de cizalladura es más alta. 2.1 Flujo laminar: la velocidad de cizalladura efectiva En flujo laminar.4. La tabla 7-7 da algunos valores aproximado de la velocidad de cizalladura efectiva en una variedad de mezcladores.8 Tabla2-3: Velocidad de cizalladura efectiva en mezcladores estáticos Dispositivo Cañería KMS SMX SMXL SMV SMF SMR KG 8 28 64 30 50 25 60 . basado en: KG = G` V ⇔ G`= KG ⋅ V D D Ec. Esto es por el área superficial adicional lo que contribuye a la caída de presión más alta.Fundamentos del Mezclado 2-35 2. los fluidos son a menudo afectado por el enrarecimiento de cizalladura (la viscosidad disminuye con el aumento de la velocidad de cizalladura). 2. El proceso se representa esquemáticamente en Figura 2-3 y mostrado un esquema generalizado de los procesos en la Figura 2-4 (Kenics KMS). .Fundamentos del Mezclado 2-36 2.4. Figure 2-3 Esquema de mezclado para mezclador KMS. El número de capas es aumentado y el grosor de capa es reducido por cada elemento de mezcla sucesivo. y recombinarlos en una secuencia reordenadas. La mezcla de los componentes miscible con la viscosidad similar y el comportamiento de no-elástico es lograda por la formación de capas. Todos los mezcladores estáticos emplean el principio de dividir el flujo en sub-capas. distribuyéndolo en forma radial. como los materiales son estirados y deformados entre sí.2 Flujo Laminar: La Generación de la capa. Cuando el aditivo es ingresado a la entrada. Dos polímeros de peso molecular diferente. El efecto de densidad normalmente no es grande pero puede ser significativo. tarda más tiempo para disolverse. por consiguiente viscosidad diferente. Si el aditivo es introducido en una zona turbulenta. .5 Efecto de las diferencias de propiedad físicas en la mezcla. el tiempo de mezclado es como un material de baja viscosidad.Fundamentos del Mezclado 2-37 Figure 2-4 Esquema Generalizado para una mezcla simple en un dispositivo mezclador estático (cada elemento divide el flujo en dos sub-capas). Por otro lado. el torrente aditivo puede flotar en un área de bajo turbulencia. Una cantidad pequeña de solvente puede añadirse a un flujo de polímero muy viscoso. esto no indica que el aditivo debe ser añadido a la entrada sino entre los elementos donde ocurren los niveles de altas turbulencia. Dos fluidos pueden ser miscibles pero no necesariamente tener las mismas propiedades físicas. Los investigadores Smith y Schoenmakers encontraron que si el aditivo de alta viscosidad toca la pared de la cañería. la viscosidad puede diferir por los órdenes de magnitud. y los materiales todavía son miscibles. En los sistemas de mezclado turbulentos lo importante que los materiales más viscosos (casi siempre la fase aditiva) sean introducido en una área de baja turbulencia. Para los mezcladores estáticos. 2. la viscosidad del aditivo (fase dispersada. que no es raro en la industria del polímero. Con tales sistemas. Para los aditivos miscibles de alta viscosidad con una relación de µc / µd de 1:10.5 a 3 veces más largo si fuese los torrentes de igual viscosidad.Fundamentos del Mezclado 2-38 En los sistemas viscosos. Note que para las proporciones de viscosidad grandes µc/µd como 10000: 1. . se resbala entre las áreas de alta velocidad de cizalladura y el flujo es segregado. La selección del diseño está limitada al mezclar los aditivos de baja viscosidad en flujos viscosos. La longitud del mezclador es mayor para llegar un CoV deseado. Se requiere una longitud adicional del mezclador mientras esta transformación tiene lugar.9 Esta ecuación es aplicable para los mezcladores largos donde el CoV es bajo. Los materiales actúan inicialmente como inmiscibles. Para otros diseños. las fuerzas interfacial desaparecen y el sistema actúa totalmente miscible.0. 2. los valores entre 2 y 10 son probablemente realistas. la viscosidad del aditivo. La relación empírica siguiente describe la situación µ ⎛L⎞ ⎛L⎞ =⎜ ⎟ + K ⋅ log c ⎜D⎟ µd ⎝ ⎠desigual ⎝ D ⎠igual Ec. µc). µd) normalmente es de más baja viscosidad que el torrente principal (la fase continua. pero cuando la transferencia de masa tiene lugar. Un caso especial es cuando los materiales son miscibles.000. El número de valores para K está limitado. la longitud del mezclador puede ser 1. se puede afirmar que ninguna mezcla es posible usando los mezcladores estáticos operando en flujo laminar. Para el diseño de SMX ha sido determinado experimentalmente a 1. pero debido a las diferencias moleculares tienen diferentes tensiones superficiales. 762 m A= π 4 ⋅ 0.0·10-5 2.7 m3/s y el flujo secundario es de 2.4·10-5 14.79 y 1.74 m3/s. El flujo principal es 11.7 Flujo secundario 1.79 1.77 2.4 m s .46 m2 s = 31. las viscosidades son 0.44 m v= 0. como son: • • Mezclador SMV Mezclador HEV La cañería principal es de un diámetro de 762 mm.Fundamentos del Mezclado 2-39 2. respectivamente.4·10-5 11. Propiedades físicas Flujo principal Densidad (kg/m3) Viscosidad (Pa·s) Flujo (m3/s) 1.014 y 0.7622 = 0.46 m2 Velocidad: 3 14.6 Ejemplo Se quiere mezclar dos gases antes de entrar en un reactor. Las densidades son 1.79 1.44 Dimensiones D = 0.77 kg/m3.020 mPa · s.74 Total 1. se han propuestos dos típicos mezcladores estáticos. Fundamentos del Mezclado 2-40 Numero Reynolds: Re = ρ ⋅ D ⋅ v 1.79 ⋅ 0.762 ⋅ 31.4 = µ 1.4 ⋅ 10 −5 Re = 3 ⋅ 106 Es flujo turbulento. Coeficiente inicial de variación: Cv = 2.74 = 0.19 14.44 0.5 ⎛ 1 − 0.19 ⎞ CoVo = ⎜ ⎟ ⎝ 0.19 ⎠ = 2.06 Para el HEV, usar la Figura 2-2 para un número de Reynolds de 3 × 106, el coeficiente de reducción de variación, CoVr = CoV /CoVo = 0.001 para tres juegos de etiquetas de HEV, medido tres diámetros aguas abajo. Esto significa un CoV de 0.002 a 2.2 m a lo largo del mezclador. Los tres juegos de etiquetas de HEV subirán sobre otro tres diámetros, para una longitud total de 4.4 m. Para el mezclador estático SMV, usar la ecuación (2.6) y tabla 2-2. Para el SMV el factor de fricción es 1-2 y el KiT está entre 0.21 y 0.46, dependiendo del diseño. Se usará un promedio de 0.33. De la ecuación (2.6) CoVr = 0.33L/D. Para conseguir el mismo CoVr como en el caso de HEV. Se tiene: L ln0.001 = = 6.23 D ln0.33 La longitud del mezclador tendría que ser 4.74 m. CAPITULO III: TIPOS Y CARACTERISTICAS DE MEZCLADORES ESTATICO Tipos y Características de Mezcladores Estáticos 3-42 3.1 Los Tipos De Mezcladores Estáticos Los siguientes tipos se mezcladores que se menciona es de los diseños más difundido en las industrias. • Diseño de hoja El diseño de hoja de los mezcladores estáticos es usado principalmente para fluidos de baja a media viscosidad. En estos tipos de mezcladores estáticos, la característica es que revuelve, amplificando el número de divisiones del fluido y aumenta la velocidad del flujo. • El diseño helicoidal. En el diseño helicoidal de los mezcladores estáticos, se proporcionan dos divisiones por elemento, a pesar de la viscosidad del fluido o el caudal. Se puede mezclar fácilmente fluidos de alta viscosidad con estos mezcladores. Existen tres tipos de estos mezcladores: a) el diseño helicoidal estándar de derecho-izquierdo de 180º (RL-180), b) el diseño helicoidal derecho-derecho de 180º (RR-180) y c) el diseño de derecho-izquierdo (RL-120). Figura 3.1 el régimen de flujo (laminar – turbulento).fluido miscible – flujo laminar. • Los Mezcladores de Estilo de oblea Los mezcladores de estilo de oblea se usan para mezclar el agua con los químicos de baja viscosidad a alta velocidad. . 3.flujo turbulento Gas / Liquido . Estos mezcladores estáticos se adoptan en el tratamiento del agua residual y los efluentes en plantas de procesamiento de carne.flujo turbulento Gas / Gas .Tipos y Características de Mezcladores Estáticos • 3-43 El diseño No-obstáculo Los mezcladores No-obstáculo son diseñados para evitar la obstrucción particularmente cuando las fibras están en el flujo central. flujo turbulento Liquido / Liquido – fluido inmiscible . tipo de fluidos (inmiscible – miscible).flujo turbulento Sólido / Sólido – flujo particulado.2 Clasificación De Mezcladores Estáticos Los mezcladores estáticos se pueden clasificar por varias formas por ejemplo: las fases de los componentes (uní fases . Estos mezcladores estáticos se restringen a un número limitado de aplicaciones.multifases). Por lo tanto los mezcladores estáticos pueden ser agrupados por la siguiente clasificación: • • • • • Liquido / Liquido. y turbulentos. Este tipo de mezclador se analizara con mas detalle en los siguientes capítulos. Komax. A continuación se mencionará los principales mezcladores estáticos comerciales. Ross. Inc. por fabricante: Kenics.Tipos y Características de Mezcladores Estáticos 3-44 3.3 Tipos y Características de mezcladores estáticos: Hay varios tipos de mezcladores estáticos. Sulzer. Figura 3-2 En la figura 3-2a se muestra un ensayo experimental al inyectar una tinta colorante para observar la homogeneización que se produce al pasar por los elementos mezcladores. alternándose de izquierda a derecha o viceversa. disponible de diferentes fabricantes. La longitud de un elemento corresponde de 1 ó 1. En todos los tipos de la serie de KMS. .5 veces al diámetro. Adicionalmente el cambio de la velocidad y la división del flujo es el resultado de la combinación de los elementos alternativamente de derecha a izquierdos. (Chemineer) • KMS: tipo de cinta torcida o “lazo inclinado”. de transición. Usado para los flujos laminar. es conveniente para la mayoría de los casos de mezclado o de dispersión que involucran líquidos o gases. entre otros. dirige el flujo del material en forma radial hacia las paredes de la cañería y la dirige nuevamente al centro. Los más conocidos son: Kenics. así aumentando la eficiencia de los mezcladores. que forman un enrejado de forma de X. Cada elemento es aproximadamente un diámetro de la cañería. La geometría del elemento toma la ventaja de los vortices naturalmente . Un elemento consta de cuatro etiquetas simétricamente. Las etiquetas son separadamente aproximadamente 1. Figura 3-3 • HEV: una serie de cuatro etiquetas espaciado alrededor de la cañería. involucran fluidos de alta viscosidad y/o elevado caudal.Tipos y Características de Mezcladores Estáticos 3-45 Figura 3-2a • KMX: varias series de varillas inclinadas. En este mezclador estático. Es utilizado para flujo laminar y para alta viscosidad. Las aplicaciones típicas de mezcla.5 diámetros. El HEV produce la uniformidad completa de la corriente a través de las estructuras controladas del vórtice generadas por los elementos de mezcla. El principio de mezcla es mediante un “flujo cruzado” dividiendo el flujo para conseguir la mezcla mas rápida. la geometría de la etiqueta patentada aumenta al máximo la conversión de energía turbulenta en la eficiencia del mezclado. El diámetro es determinado por la altura de la corrugación o el número de hojas. Cada elemento es 0. Otras aplicaciones para este mezclador cuando se requieren una acción dispersión de mezcla o traslado de masa en el régimen de flujo turbulento. Estos principios de mezcla producen una tecnología de las aplicaciones que puede reproducirse fácilmente y adaptado fiablemente. . Figura 3-4 En la figura 3-4a se muestra un ensayo experimental al inyectar una tinta colorante para observar la homogenización que se produce al pasar por los elementos mezcladores.0 diámetro en la longitud y los elementos adyacentes se gira 90º en relación de uno a otro. en el régimen de flujo turbulento.Tipos y Características de Mezcladores Estáticos 3-46 inducidos por los bordes del elemento. Los Sulzer SMV es ideal para aplicaciones que requieren un mezclado distributivo y homogéneo.5 a 1. Figura 3-4a Koch – Glitsch • SMV: varias hojas de metal corrugado que avanza 30º ó 45º con respecto al eje de la cañería. Esto ocurre típicamente entre las fases inmiscibles (por ejemplo sistemas de aceite/agua). Tipos y Características de Mezcladores Estáticos 3-47 Figura 3-5 En la figura 3-5 se puede observar un ensayo para un mezclador Koch SMV de tres elementos en un régimen de flujo turbulento. estacionarios. Se bombean los líquidos a través del canal. temperatura. puesto uno detrás del otro en una cañería. estiramiento. Consisten en una serie de elementos similares.0 del diámetro. Figura 3-5a • SMX: las guías están puesto con las barras en 45º con respecto al eje de la cañería. . Los elementos mezclando que tienen la longitud de un diámetro son girados a 90° en comparación al anterior. y los elementos actúan para acelerar la homogeneización de propiedades de los materiales. y difusión de los fluidos cuando atraviesan las aperturas disponibles. Cada elemento del mezclador tiene una longitud de 1. y velocidad. posicionadas a un ángulo entre 30° y 45° con respecto al eje de la cañería. Los elementos son las redes complejas de hojas de la guía angulosas. y la mezcla ocurre a través del desviaciones continuo. Este mezclador es principalmente usado para una homogeneización difícil y una dispersión en el flujo laminar. Se giran los elementos adyacentes a 90º. como la concentración. 027 bar a 1. las etiquetas son separadamente aproximadamente 2. tiene menos barras por elemento. Típicamente. El mezclador tiene dos elementos cuya geometría se han perfeccionado con CFD. El KVM puede mezclar aditivos introducidos aguas arriba del mezclador o puede mezclar aditivos inyectados directamente adelante del primer elemento del mezclador. Para permitir la inyección de aditivos múltiples con un mezclador el KVM puede hacerse también con las conexiones de puerto de inyección múltiples. Además. el flujo es generalmente laminar y los productos pueden ser principalmente de viscosidad mediana o alta. El KVM ofrece una caída de presión de sólo 0. • KVM: una etiqueta inclinada montada en la pared del tubo. El KVM es diseñado para mezclar liquido/liquido en el régimen de flujo turbulento.Tipos y Características de Mezcladores Estáticos 3-48 Figura 3-6 • SMXL: es similar al SMX pero con barras intersecada en 30º con respecto al eje de la cañería. Puede ser usado como un intercambiador de calor o reactor para aplicaciones que requieren un mezclando continuo. dependiendo de la aplicación. Axialmente. .525 m/s. y la longitud del elemento es variable.5 diámetros. Figura 3-10 . Se giran los elementos adyacentes a 90º. Figura 3-9 Komax systems. Inc. El bulto tubular se pone en orden similar a la forma del diseño de SMX.Tipos y Características de Mezcladores Estáticos 3-49 Figura 3-7 • Figura 3-8 SMR: las guía aspas son tubos en el cual el fluido circula en el interior. • Mixer Komax: son placas elípticos cruzados con un piso en la línea central. la calidad de la mezcla puede definirse por el coeficiente de la variación (CoV).Tipos y Características de Mezcladores Estáticos 3-50 Charles Ross & Son Company • ISG: tubo sólido insertado en el extremo del perfil para que los elementos adyacentes que forman una cámara de forma de tetraedro. Figura 3-11 3.05 es completamente homogéneo. . Ponga una lista de rango de caudal y las propiedades físicas (la densidad y viscosidad) de cada componente a ser mezclado. Para la mayoría de las aplicaciones turbulentas. • La Calidad de la Mezcla. Ya que estos van a determinar el tipo de mezclador a utilizar.4 Especificación del Mezclador Estático. Pero esto es exactamente lo que pasa con los mezcladores estáticos si la calidad de la mezcla no se especifica. donde normalmente se considera un valor de 0. cada uno con cuatro agujeros taladrados a los ángulos oblicuos. Los mezcladores se pueden especificar por los siguientes ítems: • Los Componentes a ser Mezclado. También se requieren la temperatura y la presión de operación. Es difícil de imaginar la compra una bomba sin especificar los requisitos de presión. acero inoxidable. material de construcción y la proporción de los fluidos. Dentro de los materiales más utilizado para la construcción de los mezcladores son el PVC. . . acero. superaleaciones. . diámetro exterior.La longitud Se refiere a la distancia recorrida del fluido en el mezclador estático. .La medida exterior Cabe mencionar que los mezcladores estáticos no es necesario que sea de sección transversal cilíndrica. estos va a depender de las especificaciones técnicas.Tipos y Características de Mezcladores Estáticos 3-51 Especificar el coeficiente de la variación para definir la calidad de la mezcla. . Especificar el tiempo de mezclado • Los Detalles Mecánicos Los detalles que pertenecen a los mezcladores estáticos son la longitud. Hay una gran varias de forma y tamaño como se puede ver en la figura 3-12. entre otros.La Proporción de los fluidos La cantidad de material o fluido que el mezclador puede procesar dentro de un período dado de tiempo se llama la proporción de los fluidos.El material Es la sustancia o el material usado para la elaboración del mezclador estático. Tipos y Características de Mezcladores Estáticos 3-52 Figura 3-12 . CAPITULO IV : METODOS DE SELECCION DE LOS MEZCLADORES ESTATICO . Realizar un plan detallado del tipo de equipo seleccionado. etc. El criterio técnico debe usarse para determinar el mejor diseño para cada aplicación específica.). Especificar los resultados de proceso deseados y los criterios de medición. determinar qué tipo de equipo en la tubería es mejor para la aplicación. dispersión. 3.). Hay tres pasos fundamentales en el proceso para seleccionar el diseño correcto de mezclado para una aplicación dada: 1. 4. 2. densidades. Seleccionar un diseño óptimo. transferencia de calor. Escoger los candidatos de diseños (probablemente. Determinar si en la tubería es aplicable mezclar. 8. 2. Evaluar los candidatos en los requisitos secundarios (incluye costo.Métodos de Selección de Mezcladores Estáticos 4-54 4. Identificar la aplicación (mezcla. la diferencia de presión disponible). 7. Todos los mezcladores “candidato” deben lograr el resultado del proceso. la longitud.1 Métodos de Selección de Mezcladores Estáticos Los mezcladores estáticos difieren ampliamente en su construcción y características de rendimiento. Identificar los requisitos secundarios. etc. Si es aplicable. Definir las condiciones de flujo del proceso (las proporciones de flujo de los fluidos. algunos lograrán el resultado del proceso deseado). El diseño del mezclador. Los requisitos del proceso deben determinar el diseño del mezclador estático u opciones del diseño. reacción. Así “el mejor” o el diseño . la limitación de espacio. 9. A continuación se mencionara un procedimiento de nueve pasos para determinar el diseño más recomendado: 1. Note que los mezcladores son escogidos sobre los requisitos secundarios. 6. etc. viscosidad. Identificar las restricciones (por ejemplo. 5. 3.). pero no menos importantes. El diseño del mezclador estático sólo es posible después de una especificación completa de la aplicación. las condiciones desfavorables. . que tienen que ser considerados es la puesta en marcha. Los factores secundarios. Las típicas consideraciones secundarias son el costo. La mayoría de los mezcladores estáticos están disponibles en una selección amplia de materiales de construcción. la mayoría de los fabricantes de los mezcladores estáticos ofrecen aplicación y entre otras prestaciones.Métodos de Selección de Mezcladores Estáticos 4-55 óptimo es basado en las consideraciones secundarias. Adicionalmente. longitud. y la experiencia pasada. etc. metales y plásticos. caída de presión. Los numerosos folletos del producto y las publicaciones técnicas están disponibles para ayudar al diseñador. para reunir los requisitos del proceso de la planta. y los requisitos mecánicos. Tabla 4-1 Diseño de mezclador estáticos Régimen De Flujo Laminar mezcla Alta-baja viscosidad Dispersión Transf.2 Opciones de Diseños de Mezcladores estáticos por el Régimen de Flujo y Aplicación La tabla 4-1 suministra una pauta preliminar para aplicaciones en los flujos laminar y turbulentos. *: Donde el control de temperatura es requerido. c: mejor elección de diseño. La selección de equipo y ajuste del tamaño deben ser basados en la aplicación de diseños para cubrir los requisitos del proceso específicos. de calor Flujo de tapón Turbulento Mezcla Alta turbulencia Baja turbulencia Dispersión Liquido-liquido Gas en liquido Liquido en gas KMS KMX HEV SMV SMX SMXL SMR KVM SMF ISG c a a c c c b c c a a c b c c * a a a a a c b a a c c c + c a a a c c c a c c c a a a a a c* a* a a a: aplicable. b: Aplicado típicamente. .Métodos de Selección de Mezcladores Estáticos 4-56 4. +: Especialmente para diámetros muy grandes y secciones transversales no cilíndrica. liquido misible SMV KVM HEV KMS Fluido de baja a mediana viscosidad Flujo de piston. de masa con reacciones quimica SMV Flujo turbulento dispersion Gas con Liquido SMV Vaporizacion Dispersion. baja viscosidad SMV/ SMVP KMS Tabla 4-2 . de masa para absorción Transf. de calor flujo laminar Altamente viscoso sensibilidad del calor Altamente viscoso miscible Transf.Métodos de Selección de Mezcladores Estáticos Unidad básica de operación Distribucion tiempo de residencia angosta Fluido altamente viscoso Flujo de piston laminar 4-57 Aplicación Mezclador Fluido SMX/SMXL Transf. emilsionar SMV SMV KMS Baja viscosidad. de masa con reacciones quimica Mezcla de fluidos de baja viscosidad SMV KMS Flujo turbulento mezcla Distribucion tiempo de residencia angosta Baja viscosidad. de masa con reacciones quimica SMV KMS SMV KMS Transf. lavado SMV KMS Transf. liquido inmisible Transf. inmiscible SMX Liquido con Gas Transf. de calor con liquido viscoso Mezcla de liquido laminar SMX/SMR SMX/SMXL Flujo laminar mezcla Alta y baja viscosidad. miscible Mezcla de liquido alta/baja viscosidad Dispersion de liquido alta/baja viscosidad SMX Flujo laminar Dispersion Alta y baja viscosidad. de masa con extraccion. de masa para disolucion de gases Transf. En la tabla 4-2 se muestra una selección de los mezcladores estáticos en función de la unidad básica de operación. .Métodos de Selección de Mezcladores Estáticos 4-58 Elegir un mezclador estático requiere más que leer un catálogo. Los fabricantes de los mezcladores estáticos desempeña un papel importante: asistir activamente a fabricantes secundarios y a usuarios finales en identificar las variables a considerar y realizar las pruebas pertinentes. fluido y la aplicación del proceso. y de tal modo para ayudar a elegir el mezclador estático correcto. Los fabricantes y los usuarios finales deben investigar las variables de cada mezclador. CAPITULO V : DISEÑO DE MEZCLADOR ESTATICO . Debido a que no contiene ninguna pieza móvil. El flujo a lo largo de la cañería es conducido por un gradiente de presión. plano de simetría: al centro de cada elementos 3. el caso más común de flujo. Parámetros: Razón de largo por el diámetro: L/D Angulo de torcedura: α . Consta de un tubo cilíndrico con los elementos del mezclador insertado para perturbar el flujo. Un dibujo esquemático de un mezclador de seis elementos en la figura 5-1.1 Mezcladores Kenics El mezclador estático Kenics KMS.Diseños del Mezclador Estáticos 5-60 5. Las placas se colocan firmemente uno tras otro de modo que los bordes de las placas sean perpendiculares entre sí. Periodicidad espacial: 2 elementos = 1 periodos de flujo 2. Aunque tales mezcladores también son usado en moderado números de Reynolds (~ 102). es un típico dispositivo de mezcla en línea. cada uno dividiendo el tubo en dos conductos semicirculares. Figura 5-1 Características importantes: 1. la energía para el flujo es obtenida de la caída de presión del mezclador. dónde las fuerzas inerciales se pueden despreciar. ilustra la geometría y los parámetros importantes en los mezcladores. el de fluidos viscosos. Los elementos que mezclan son moldeados por láminas rígidas enroscadas helicoidalmente. las partes de estas zonas de baja concentración se mezclan. etc. designado por azul. probablemente debido a dificultades encontradas en obtener las medidas experimentales características. Para evaluar el mecanismo de mezclado del mezclador Kenics. Las investigaciones de los mecanismos de mezclado están limitadas. Los resultados se presentan como una serie de figuras. indicando los campos de concentración de las sustancias químicas en varias posiciones axiales a lo largo de los tubos. La fila superior en la figura 5-2. cuáles se mueven hacia el interior del elemento. mostrando la concentración de la sustancias en el primer elemento. La longitud de los elementos es típicamente un diámetro y medio del tubo. designados por rojo en la Figura 5-2. Las dos zonas de altas de concentración se estiran y se mueven hacia fuera. Este tipo de mezclador estático se usa para mezclar en condiciones de flujo laminar. cuál estaba en el exterior en la entrada del elemento está divido en dos filamentos semicirculares. localizado relativamente cerca de las esquinas de la hoja.Diseños del Mezclador Estáticos 5-61 5. Las filas 1 a 6. como por ejemplo mezcla de polímeros o productos de comida como mantequilla de maní y chocolate. Dentro del elemento la mayor parte del fluido de baja concentración está al centro.2 Simulación A través De CFM La mayoría de los trabajos experimentales en los mezcladores estáticos se ha concentrado en establecer las pautas de diseños y correlaciones de la caída de presión. El segundo elemento parte las dos zonas de altas concentración. El centro de la entrada es de una sustancia. El exterior de la entrada es de otra sustancia. 126º y 162º de rotación de cada uno de los seis elementos del mezclador. los investigadores Bakker y Mariscal (1992) y Bakker y LaRoche (1993) calcularon el transporte de dos sustancias químicas a través de un dispositivo KMS de seis elementos. formando cuatro zonas de altas concentración. Las dos zonas de bajas concentración también están partidas en cuatro zonas. 90º. segunda fila de la figura. . indica cómo está dividido en dos zonas de altas concentración que viene desde la entrada. pero debido a que éstos estaban ubicados cerca de la línea central. indica los campos de concentración de 18º. 54º. El fluido de concentración baja. doblar y girar de dentro hacia fuera se repite cada dos elementos. primera columna y tercera fila. Para el momento en que el extremo del sexto elemento. El número de elementos puede ajustarse a los requisitos del proceso. estirar. con el perfil de 18º. ultima fila en la figura.Diseños del Mezclador Estáticos 5-62 Si se compara los perfiles de la concentración del 18º en el tercer elemento. hasta que se mezclan los líquidos. Las altas concentraciones ahora se encuentran cerca del exterior. Este proceso de dividir. primera columna y primera fila. dependiendo del número de Reynolds. pero típicamente varía entre 6 y 18 elementos. se puede observar que se tiene un fluido de baja concentración en el centro en vez de una alta concentración en el centro. El proceso que partía y que estiraba en los primeros dos elementos ha dado lugar a un campo de concentración dentro hacia fuera. . se alcanza las concentraciones de la especie más uniforme. . Vista general de concentración de un mezclador Kenics.2 Perfiles de concentración en un mezclador estático Kenics.Diseños del Mezclador Estáticos 5-63 Figure 5. las figuras 5-3 y 5-4 indican la distribución de dos discos inicialmente semicirculares de partículas (distinguido por los colores rojos y azules).3 Mezcla en diferentes números de Reynolds En esta sección se va a comparar los comportamientos de dos situaciones de mezcla para un número de Reynolds de 25 (figura 5-3) y otro de 100 (figura 5-4) para un mezclador Kenics KMS. sin embargo. cada elemento de mezcla divide por dos el tamaño de las estructuras observada. con la envoltura del fluido alrededor de los vortices principal y secundario. Comparando las Figuras 5-3 y 5-4. Para Re = 25.Diseños del Mezclador Estáticos 5-64 5. Figura 5-3 .Muestra las situaciones de la particular en diferentes posiciones axiales a lo largo del mezclador para el flujo con Re = 25. en diferentes distancias a lo largo del mezclador. para los flujos con el Re = 25 y 100. respectivamente. . Para este caso de flujo. varios regiones relativamente grandes que contienen partículas de sólo un color están presentes en la salida del mezclador. se puede observar cualitativamente que la mezcla es más eficaz para el Re = 100 flujo. La presencia de división de flujo entre ambos elementos aumenta la longitud de interfaz eficaz y refuerza la acción de inversión de flujo. 4. El principio de mezclado para el mezclador estático Kenics KMS esta divido en tres pasos que serán definidos a continuación: 5.Muestra las situaciones de la particular en diferentes posiciones axiales a lo largo del mezclador para el flujo con Re = 100 5. es dividido en dos mitades iguales.1 La División de flujo Cuando el torrente del producto pasa por cada elemento del mezclador. En cada elemento siguiente.4 Principio de operación.Diseños del Mezclador Estáticos 5-65 Figura 5-4 . este proceso se puede estimar por la siguiente ecuación: S = 2E Donde: S: E: Número total de capas Número de elementos en el mezclador estático . el número de divisiones crece exponencialmente. Figura 5-5 5. entonces la dirección se invierte al próximo elemento. La figura 5-5 gráficamente muestra las divisiones de flujo producidas por los elementos en el mezclador de Kenics y su efecto en la distribución radial de dos materiales diferentes. . un mezclador de 8 elementos representa 28 ó 256 divisiones. mezclado.4. Un mezclador de 20 elementos producirá más de un millón de divisiones de producto.2 La Circulación rotatoria El primer elemento helicoidal gira el flujo en una dirección. Esta acción crea un efecto adicional de promoviendo la uniformidad del producto.Diseños del Mezclador Estáticos 5-66 Por ejemplo. Diseños del Mezclador Estáticos 5-67 5. Se forman los núcleos de alta velocidad. En la entrada se prescribe un perfil plano de la velocidad. El rojo denota las velocidades altas y el color azul denota las velocidades bajas. Las velocidades más altas se encuentran más cerca de las esquinas. Dentro de cada elemento esos cuatro núcleos se combinan y forman dos núcleos de alta velocidad otra vez.3 El Mezclando radial El flujo es obligado a ser invertido completamente con el propósito de que partículas que entran en el centro del torrente son cambiadas de lugar a la pared exterior y la parte posterior constantemente cada vez. Observe que cerca del extremo de los elementos los núcleos de alta velocidad están situados en las esquinas y no en el centro. 5. dando por resultado cuatro núcleos. El remolino del fluido fuerza a más fluido a que entre en el próximo elemento en el sentido aguas abajo que en sentido de aguas arriba de la división del flujo. dispuestos en una flor como patrón. Los núcleos de alta velocidad se dividen en las divisiones de flujo. Este perfil se convierte rápidamente en un perfil parabólico con velocidades más altas en el centro hacia a la pared.5 La Velocidad a través CFM La figura 5-6 muestra la magnitud de la velocidad en varias intersecciones en un tubo equipado con seis elementos de 180º. uno en cada lado del elemento. . justo antes de las ensambladuras.4. Diseños del Mezclador Estáticos 5-68 Figura 5-6 . CAPITULOVI: SIMULACION ATRAVES DE CFD DE UN MEZCLADOR ESTATICO . 12 0.84 0.02 m v= Numero Reynolds: .02 15.Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-70 6.1 Planteamiento del Problema.4 4.01571 m2 3 0.82 Mezcla 1072. Propiedades físicas Flujo principal Densidad (kg/m3) Viscosidad (Pa.05 62.815 Dimensiones A= π 4 ⋅ 0.2002 ⋅ 1 = 0.07 78. las propiedades de los fluidos se encuentra resumida en la siguiente tabla. mediante el cálculo de La Dinámica De Fluidos Computacional (CFD: Computational Fluid Dynamics) utilizando los software comerciales Gambit versión 2.01571 m2 3 0.05 m3/s y el flujo secundario (acetona) es de 0.2. tiene 6 elementos y un largo total de 1800 mm.s) Flujo (m3/s) Flujo másico (Kg/s) 1259.273 m s 0.9 7.00325 0.02 m3/s.05 m Mezcla: v= s = 2.16.995 Flujo secundario 791 0. El mezclador tiene un diámetro de 200 mm.2. Se va a realizar una simulación del flujo de fluidos al interior de un mezclador estático Kenics KMS (Ver figura 6-1 y 6-2).01571 m2 2 Velocidad: Glicerina: v= s = 3.23 m s 0.18 m s 0.07 m Acetona: s = 1. El flujo principal (glicerina) es 0.0314 m2 3 0.30 y Fluent versión 6. .Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-71 Re = ρ ⋅ D ⋅ v 1072. La Figura 6-1 muestra el esquema en corte para indicar las partes interna del mezclador Kenics KMS.23 = 4.1 ** Por lo tanto es flujo laminar.2 ⋅ 2. ampliamente utilizado en el campo de la ingeniería. la figura 6-2 indica las cotas generales del elemento interno Figura 6-1: Esquema en corte del mezclador estático Kenics KMS de 6 elementos.12 µ Re = 116. obtenido por el software Solidworks 2005.4 ⋅ 0. Figura 6-2: Cotas generales del Mezclador Estático. Proceso 3. .2.1 PreProcesamiento.30. 2.2. Preprocesamientos.2 Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) en tres Dimensiones.Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-72 6. CFD es uno de los campos que se ha desarrollado más fuertemente desde el reciente desarrollo de ordenadores de mayor capacidad de procesamiento y de la aparición de nuevos códigos CFD. Conclusiones 6. La dinámica de fluidos computacional (CFD) es una herramienta poderosa para la simulación numérica de flujo de fluidos. Es un PreProcesador integrado para los análisis CFD. de gran calidad con elementos triangulares y cuadráticos. ya que permiten simulaciones que antes ni se consideraban. Postproceso 4. así como mallados que contengan elementos con forma de pirámides y prismas. Para realizar la geometría del modelo se utilizara el software Gambit de la versión 2. esto se detallan a continuación. El proceso de simulación se dividirá en cuatro pasos: 1. la generación de la malla y especificaciones de contornos y dominios son los ítems a seguir en el software GAMBIT. Es utilizado para construir la geometría y generar la malla (dominio discreto) Se pueden seleccionar geometrías para estructuras de mallado. GAMBIT también proporciona herramientas para la revisión de la calidad de la malla. Para la creación de la geometría. GAMBIT nos proporciona dos sistemas de generación de geometrías: Crear la geometría a partir de las herramientas proporcionadas por el propio programa.1 Creación de la geometría La geometría requerida por el programa FLUENT es la propia geometría que se quiere simular y un volumen de control en el que esté englobada la geometría.1.Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-73 6. Importar la geometría desde un archivo CAD. como se puede observar en la figura 6-4 Figura 6-4: Vista isométrica de la geometría . Figura 6-3: Barras Herramientas de creación de geometría Los volúmenes que se han creado han sido los elementos internos y el volumen de control.2. La Figura 6-3 muestra las barras de herramientas disponibles para poder dibujar en Gambit. y la Figura 6-7 muestra on mayor detalle el mallado.2 Generación de la malla Una vez se dispone de la geometría dibujada formando ya una forma definida como un conjunto. .Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-74 6. Figura 6-5: Barras Herramientas de creación de la malla. se pasa a la realización de mallado del mezclador. La Figura 6-6 muestra el mallado completo del mezclador. Para ello. Figura 6-6: Vista general de la malla del Volumen de control y el elemento. la figura 6-5 muestra estos comandos. Figura 6-7: Vista de la malla del Volumen de control y el elemento.2. se tiene disponibles las barras herramientas de Gambit para realizar el mallado.1. Por lo cual se determinará que la escala del mallado sea inferior en las zonas críticas de estudio. Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-75 6.1.2.3 Especificación de contorno y dominios Una vez finalizado el mallado del mezclador. El paso final es la exportación de la malla como archivo **. se debe pasar a definir las condiciones de contorno. especificar qué parte es la entrada del fluido. uno de los pasos más importante antes de proceder a realizar la simulación en Fluent es la especificación de que es cada uno de los elementos creados dentro del volumen de control. indicando que función tendrá cada zona del mezclador. qué parte es la salida del fluido. es decir. etc. Finalmente. . Figura 6-8a: Ventana de Condiciones de Contorno Figura 6-8b: Ventana de Definición del Continuo.mesh para poder iniciar la simulación. una malla demasiado fina produce que se incremente innecesariamente el tiempo de cálculo de iteración. . Al contrario. La densidad y precisión de estos elementos en la geometría son determinados por el usuario y afecta a la solución final. Después de imponer las condiciones de contorno en la malla realizada en GAMBIT. están basados en las ecuaciones de Navier Stokes para la conservación de masa (continuidad) y momento. similar al dibujar por ordenador en CAD.2. se itera la malla usando los balances y las condiciones de contorno para encontrar cuando converge la solución numérica para el caso específico a estudiar. fundamentados en el flujo de fluidos. realizado con un programa llamado GAMBIT. Estas ecuaciones se modifican para el caso de solucionar un problema específico.Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-76 6. La solución numérica se obtiene por la aplicación de las condiciones de contorno a un modelo de condiciones y la iteración a partir de una solución inicial. se realiza mediante una geometría. Una malla poco fina quizá dará como resultado un flujo simplificado y posiblemente no muestre las características esenciales del caso. se obtienen de solucionar balances alrededor de un gran número de volúmenes de control o elementos. Los balances.2 Procesamiento. Las soluciones en CFD. o malla del problema. en este caso realizadas con el programa Fluent. El control de volúmenes o elementos. I.2. Para realizar el análisis en el Fluent se debe importar la geometría generada en Gambit. por lo tanto. El modelo geométrico fue creado en Gambit con unidad de longitud igual a 1 mm. La Figura 6-10 muestra esta ventana. Chequeo y dimensionamiento de la Malla. Lectura.Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-77 6. todos estos pasos serán explicados a continuación. de modo que Fluent transforma las unidades a metros apretando el botón <scale> .1 Seteo y Puesta en marcha del modelo numérico.. Dimensionamiento de la malla Grid→Scale Seleccione mm click → scale1. acto seguido hay que escalar a milímetros y posteriormente se comprueba que la malla se lea correctamente. 1 En este panel se dimensiona el dominio de cálculo. Lectura de archivo que contiene la malla File→Read→Case Selecciones ¿ *. Fluent trabaja en el S. se selecciona mm como unidad de dibujo. Figura 6-9: Ventana de lectura de archivos.2. .msh→click ok. 10: Panel de Scale. Chequeo de la malla Grid Click check.Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-78 Figura 6. . Figura 6-11: Lectura y chequeo de la malla. Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-79 Visualización de la malla (figura 6-12. 6-13 y 6-14) Display→Grid Seleccione: (ver nota 2)→ click OK Figura 6-12: Panel de Scale Figura 6-13: vista isométrica del mezclador 2 Hay que seleccionar las superficies las cuales se quieren visualizar . 2. Selección del Solver.2. Steady y absolute → Click OK Figura 6-15: Panel del Solver .Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-80 Figura 6-14: vista isométrica del Volumen de Control 6. (Figura 6-15) Define→Models→Solver Seleccione: Segregado.3D.2 Seteo del modelo numérico. Panel de Modelos de Viscosidad.Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-81 Modelo de Viscosidad (figura 6-16) Define→Models→Viscous Seleccione: κ − ε . Figura 6-16. Figura 6-17: Condiciones de Operación. Modelo de Multifases (figura 6-17) Define→Models→Multiphases Selecciones: Mixture e Implicit Body Force → Click OK. standard y standard wall Functions → click OK. . Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-82 Definición de los materiales (figura 6-18 y 6-19) Click Fluent Database… Selecciones: acetone y glycerin→ click Copy Define→Materials Selecciones: solid y steel→ click Copy Figura 6-18: Panel de materiales Figura 6-19: Lista de materiales . Define→Phases Selecciones: glycerine → Click OK Selecciones: secondary-phases→Click Set.. .. Figura 6-21: Condiciones de Operación. Selecciones: acetone → Click OK Figura 6-20 Condiciones de operación (figura 6-21) Define→Operating Conditions Ingrese: Operating Pressure =101325 → Click OK..Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-83 Definición de las fases (figura 6-20) Selecciones: primary-phases→Click Set.. Figura 6-23: velocity-Inlet entr1 . Entr1 (figura 6-23) Define→Boundary Conditions Seleccionar: entr1→ velocity-inlet →glicerina →click set →Ingrese: velocity Magnitude =3. Z-component of flow direction = 1→ click OK. Figura 6-22: Panel de Boundary Conditions.Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-84 Definición de las condiciones de Contorno.5. 4 → click OK. Esto se lleva a cabo escogiendo los controles de solución.3 Puesta en marcha del Modelo Numérico. Z-component of flow direction = 1. (Figura 6-25) Solve→Controls→Solution Seleccionar: Pressure → Presto!→ Click ok. Controles de la solución.273.2. .2. inicializándolo. Figura 6-24: velocity-Inlet entr2 Salida Define→Boundary Conditions Seleccionar: salida→ outflow. Volume Fraction = 0.Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-85 Entr2 (figura 6-24) Define→Boundary Conditions Seleccionar: entr2 → velocity-inlet →acetona →click set →Ingrese: velocity Magnitude =1. 6. encendiendo el gráfico de los residuales y finalmente poner en marcha él cálculo iterativo. El siguiente paso es poner en marcha a Fluent para que efectúe los cálculos. mixture →click set → click OK. . Inicialización de variables.Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-86 Figura 6-25: Panel de Solution Controls. (Figura 6-26) Menu→Solve→Inicialize Apply →Init→close Figura 6-26: Panel de inicialización de la solución. Comienzo del análisis.Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-87 Visualización residuales3 (Figura 6-27). Iteración Solve→Iterate Setaer valores→click iterare. Para constatar estos cambios. Figura 6-27: Grafico de los Residuales. que muestra el grado y forma de convergencia de las soluciones de las diversas variables del problema . Las soluciones de las ecuaciones del sistema se obtienen a partir de un proceso iterativo que. el 3 En este panel se activa la opción que permite visualizar la evolución de los residuales. en general. Solve→Monitors→Residuals Seleccione Plot → Click OK. requiere un elevado número de iteraciones para alcanzar la convergencia. Se puede asegurar que se ha alcanzado la convergencia cuando los cambios en las variables solución de una iteración y de la siguiente son negligibles. con un porcentaje de diferencia de: . Reporte de Flujos másicos.Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-88 programa se vale de un mecanismo para monitorizar los residuos (Figura 6-27). En este panel se computa el imbalance de masa que existe entre la succión y la descarga. entr2 y salida →click compute. se corroborara que se ha llegado a la solución final evaluando la continuidad de masa. La precisión de la solución convergida depende de lo apropiados y precisos que son los modelos físicos previamente seleccionados. de la resolución de la malla y de la ejecución del problema. Resultado de flujos. Figura 6-28. Report→Flux Seleccione: entr1. (Figura 6-28).2. Además el problema ha convergido a una solución real. 6.3 Post Procesamiento y conclusión El postproceso consiste en el análisis de los resultados obtenidos y una consideración de revisiones al modelo empleado. Como se dijo anteriormente. En particular la figura 6-29. etc.815 %dif = 3.31567 × 100 78. siendo coloreado por el modulo de la misma. Figura 6-29. Seleccionadas las surfaces destacadas.173 Demostrando de esta manera la confiabilidad de esta herramienta computacional. 4 Se pueden relacionar diversos tipos de vectores a visualizar (velocidades. . muestra la relación del vector velocidad a representar.) y también en función de que parámetro escalar serán colocada. Display→Contours Seleccionar en: Contours of (ver nota4)→Display. Las Figuras 6-30 muestra los contornos de velocidad en vista isométrica y la figura 6-31 muestran los contornos en cortes en los planos XY a cada 90º. presión. verificándose de buena manera las características de distribución de velocidades en el interior del mezclador.Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-89 %dif = 78. Finalmente existe una gran variedad de resultados que se pueden visualizar en forma esquemática y gráfica: Resultados Gráficos de contornos. Panel de Vectores. (Figura 6-29).815 − 81. Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-90 Figura 6-30: Contorno de Velocidad. Figura 6-31: Contorno de Velocidad. . verificándose de buena manera las características de distribución y el sentido de dirección de las velocidades en el interior del mezclador. pero también hay que seleccionar las superficies en las cuales se verán los resultados. Las Figuras 6-33 muestran los vectores de magnitud de velocidad. 5 El vector a seleccionar puede ser de Velocidad y Presión. donde se aprecia con más detalle las zonas de reflujo. Display→Vectors Seleccionar en Vector of (ver nota5)→Display. Las Figuras 6-35 y 6-35a muestran la vista en corte del plano YZ. (Figura 6-32).Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-91 Resultados gráficos de vectores. La Figura 6-34 muestra una vista en corte en los planos XY a cada 180º. en una vista isométrica. verificándose en forma general las características de distribución de velocidades en el interior del mezclador. Figura 6-32: Panel de Vectores. . Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-92 Figura 6-33: Vector de Velocidad. Figura 6-34: Vector de Velocidad en los planos XY . Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-93 Figura 6-35: Vector de Velocidad en el plano YZ Figura 6-35a: Vector de Velocidad en el plano YZ (detalles de reflujo) . perteneciente a entr1. la entrada de la glicerina es de 0. que corresponde a entr2 (acetona). donde en la entr2 entra el 99.000571% acetona . donde se puede observar con mayor detalles las zonas características interna del mezclador. En la figura 6-39 se observa la grafica de la fracción volumétrica de la acetona. la grafica de la fracción volumétrica de la glicerina.91%. En la figura 6-37 muestra con más detalles la presión en el ducto. en contraste en la zona de color azul.Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-94 En la figura 6-31 se muestra un diagrama de velocidad a cada 90º. En la figura 6-36 indica el vector de presión del mezclador donde se puede apreciar la caída de presión gradual a lo largo del ducto. La velocidad alta se encuentra en el centro. Se puede observar en la figura 6-38. en cambio las velocidades mas bajas se encuentra en la periferia. En la zona de color rojo. la entrada del 100% de glicerina graduándose lentamente a llegar al 60%.1% de acetona graduándose hasta el 40% y en entr1 entra el 0. donde las zonas de color rojo denota velocidad alta y en cambio las zonas de color azul denota una baja velocidad. Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-95 Figura 6-36: Vector de presión Figura 6-37: Vector de presión (detalles) . .Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-96 Figura 6-38: Vector de fracción volumétrica de la glicerina Figura 6-39: Vector de fracción volumétrica de la acetona. por lo cual se debe calcular el Coeficiente de Variación (CoV). Resultado grafico de las líneas de corriente. se puede ver la combinación de las fases que se produce a lo largo del mezclador. donde el color amarillo corresponde a la glicerina y el color rojo a la acetona.Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-97 Otra forma de visualizar resultados es por medio de las (Path Lines) donde se observa las trayectorias de partículas de fluido. En la figura 6-406 se observa las líneas de flujo. Display→ Path Lines Click Display Figura 6-40: Vista del movimiento del flujo. pero lo que no significa la completa homogeneización de la mezcla.2. 6 Ver los videos obtenidos por el CFD adjunto al documento . Para esto se ocupa la ecuación 2.6 y la ecuación 1. En la figura 6-34 se puede ver el mezclado radial (5.2) en el cual el fluido es obligado a invertir el sentido de giro.8 ln0.4.1). .Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático L 6-98 CoVr = K i CoV = K i D = CoV CoVo L D ⋅ CoVo El coeficiente de variación se calcula por la ecuación 2. resultando los mismos valores.07 CoVO = 1.4.879 ⋅ 1. Y la figura 6-41 se puede ver el principio de división de flujo (5.87 Por lo que el largo debe ser de 4. en el cual el fluido es divido en dos mitades y la circulación rotatoria (5.3).02 1 − Cv 0.6. para obtener el CoV del 5% En la figura 6-34 y 6-41 se puede apreciar los principios de mezclado descrito en la sección 5.95 m. en función de Ki que se obtiene en la tabla 2-1 y coeficiente inicial de variación (CoVO) que se consigue con la ecuación 1.58 Obtenido todas las variables: CoV = 0.02 Cv 0.58 CoV = 0.07 CoVO = = 0.4.45 También para calcular el CoV se puede ocupar la figura 1-5 donde se obtiene directamente CoV/CoVo. Para tener un CoV del 5% se tiene: L ln = D (CoV CoVO ) = 24. 1 − 0.4.2. el cual el fluido es obligado a cambiar de lugar. Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-99 Figura 6-41: Vista del movimiento del flujo. . 5 m/s a alrededor de 5 m/s. o las paredes.Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-100 Visualización de Gráficos XY Otra forma de ver las soluciones es mediante graficas XY Se puede ver de forma detallada en el gráfico que nos muestra la evolución de la velocidad en función de la posición a lo largo del mezclador. identificando cada una de las diferentes zonas de contorno. velocidad cero. manteniendo un patrón. el interior que varía su velocidad en la sección transversal. Por un lado. se tienen las zonas que presentan una velocidad puntual e invariable. como son la entrada1 y la entrada 2. que va de 0. Por otro lado. . Se puede observar la velocidad negativa que se encuentra en la entrada de cada elemento. . identificando cada una de las diferentes zonas de contorno. también este suceso se puede observar en la figura 6-35 y 635a con más detalles.Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-101 Se puede ver de forma detallada en el gráfico que nos muestra la evolución de la velocidad en Z en función de la posición a lo largo del mezclador. entr2. identificando cada una de las diferentes zonas. . Por un lado. se tienen las zonas como la entr1. salida y en el interior. Se puede observar como decrece la presión a lo largo del mezclador.Simulación a través de CFD de un Mezclador Estático 6-102 Se puede ver de forma detallada en el gráfico que nos muestra la evolución de la presión en función de la posición a lo largo del mezclador. Lo cual permite realizar un estudio detallado sobre el comportamiento de. permite mostrar en detalle: Distribuciones de velocidades. . la densidad. información experimental. Las ventajas de los mezcladores Kenics KMS radican su gran versatilidad para diferentes condiciones. menores pérdidas de carga.173%. Resultado de flujo permiten mostrar conservatividad de la masa con desviaciones de la orden 3.Conclusión 103 Conclusion Fluent resulto ser una herramienta eficaz para el análisis de flujos mezclados. También se puede observar en las figuras 6-34 y 6-41 los tres principios de mezclados. La simulación de mezclador Kenics KMS. pero requieren un extenso largo de mezclado. la fracción volumétrica en la mezcla. etc. presión. Sin embargo tiene factores limitantes como: Recursos computacionales. la dinámica de fluidos del señalado mezclador estático. New Jersey.. Richard LaRoche..org/cfm. John Wiley & Sons. Inc. Elizabeth Marshall John Wiley & Sons. september 2004 “http://www. september 2004 “GAMBIT 2. Hoboken.. 2004.Bibliografías 104 Bibliografias “Handboook of Industrial Mixing” Edward L. Hoboken. Paul.2 Tutorial Guide” © Fluent Inc. Suzanne Kresta. ISBN 0-471-26919-0 “Laminar Flow in Static Mixers with Helical Elements” André Bakker.” . “FLUENT 6.2 Tutorial Guide” © Fluent Inc.bakker.. 1999. New Jersey. Inc. 2. 0) → click Apply Figura 1: Panel de ingreso de vértices .Z) = ( 100. 1. -3.Y. Selección del software de solución.Y. 0) → click Apply (X.Z) = ( -100.Anexo 105 ANEXO: Seteo de Gambit.Z) = ( 100. Solver→Fluent 5/6 2. 0) → click Apply (X. 3.1 Ingreso de los vértices del perfil del deflector. 3. 0) → click Apply → (X.Y. Creación de la geometría Deflector.-3. Se ingresan los vértices del contorno del elemento.Y.Z) = ( -100. Ingrese: (X. vertex3→ click Apply Seleccione: vertex3.3 Copia del perfil (Figura 4 y 5) Click Edges: → Seleccione: all → click Apply .2 Trazado de líneas de contorno del perfil del deflector (figura 2 y 3) Click vértices: Seleccione: vertex1. vertex4→ click Apply Seleccione: vertex4. vertex2→ click Apply → Seleccione: vertex2. 2.Anexo 106 2. Figura 3: Panel de Generación de líneas. vertex1→ click Apply Figura 2: Pantalla de Visualización. Angle: -180 Height: 300 . a partir del perfil desarrollado anteriormente en base a una traslación con rotación.4 Generación de la envoltura (Figura 6 y 7) Se genera la envoltura características de estos mezcladores.Anexo 107 Figura 4: Pantalla de Visualización Figura 5: Panel de Copia / Mover 2. Click vértices: Con Shift y botón derecho del mouse → selecciones los puntos rojos (figura 2). Anexo 108 Figura 6: Pantalla de Visualización Figura 7: Panel de envoltura 2. Click Edges: → Seleccione: all→ click Apply 2. Se genera el volumen del deflector a partir de líneas de contornos.6 Generación de volumen.7 Copia de volumen: Se genera un segundo deflector (Figura 9 y 10) Click Volumes: → Seleccione: volumen1 Z: 300→ click Apply . Click Rotate Angle: -90→ click Apply Figura 11: Pantalla de Visualización Figura 12: Panel de Mover/Copiar . Click Volumes: Seleccione: volume2 → Click Move.Anexo 109 Figura 9: Pantalla de Visualización Figura 10: Panel de Mover/Copiar 2.8 Rotación del Volumen (Figura 11 y 12): Se rota el segundo deflector. volume2 → Click Copy Click Translate Z: 600→ click Apply 2.11 Generación del cilindro (Figura 14 y 15): Se genera el contorno del conducto.Anexo 110 2.10 Copia de volúmenes: Iden anterior para genera 5 y 6 (Figura 13) Click Volumes: Seleccione: volume3. Click Height: 2000 Click Radius 1: 100 → Click Radius 2: 100→ click Apply .9 Copia de volúmenes.: Se cipian el deflector 1 y 2 para genera el 3 y 4 Click Volumes: Seleccione: volume1. volume4 → Z: 600→ click Apply Figura 13: Pantalla de Visualización 2. Anexo 111 Figura 14: Pantalla de Visualización Figura 15: Panel de Creación de cilindro 2.12 Mover el cilindro: Se centra el cilindro en relación a los deflectores (Figura 16) Click Volumes: Seleccione: volume7 → Z: -100→ click Apply Figura 16: Panel de Mover/Copiar . manteniendo los primeros (Figura 17) Click Volumes: Seleccione: volume7 → Click Substract Volumes Selecciones: volume1. volume4. volume6 Click Retain→ click Apply Figura 17: Panel de Sustracción 2. volume5.14 Generación de un paralelogramo (Figura 18) Ingrese: → Width (X): 2 Depth (Y): 200 Heigth (Z): 2→ click Apply Figura 18: Panel de Creación de rectángulo .Anexo 112 2. volume2.13 Sustraer el volumen de los deflectores al volumen del cilindro. volume3. Anexo 113 2.15 Mover el paralegramo (Figura 19) Click Volumes: Seleccione: volume8 → Z: -100→ click Apply Figura 19: Panel de Mover/Copiar 2.1. Sustraer las intersecciones del paralelogramo con el cilindro (Figura 20) Click Volumes: Seleccione: volume7 → Click Substract Volumes Selecciones: volume8 Click Retain→ click Apply Figura 20: Panel de Sustracción . Anexo 114 3. → volume5.1 Generación de los elementos (Figura 21) Click Volumes: Selecciones: volume1.Enmallado del cilindro (Figura 22) Click Volumes: Selecciones: volume7 → Spacing: 10→ click Apply .1. volume6 Spacing: 15→ click Apply Figura 21: Panel de Generación de malla Figura 22: Panel de Generación de malla 3. volume4. Generación de la Malla 3. volume2. volume3. Definición de Condiciones de Borde 4.1 Condición de borde de la entrada 1 (Figura 23 y 24) Name: entr1 Type: MASS_FLOW_INLET → Click: shift y botón derecho del mouse selecciones la línea roja de la figura 23→ click Apply Figura 23: Pantalla de Visualización Figura 24: Panel de Condiciones de Contorno 4.Anexo 115 4.2 Condición de borde de la entrada 2 (Figura 24 y 25) → Name: entr2 Type: MASS_FLOW_INLET Click: shift y botón derecho del mouse selecciones la línea roja de la figura 25→ click Apply . Anexo 116 Figura 25: Pantalla de Visualización 4.3 Condición de borde de salida (Figura 26) → Name: salida Type: OUTFLOW Clic Faces: shift y botón derecho del mouse selecciones la línea roja de la figura 26→ click Apply Figura 26: Pantalla de Visualización . Volumes: volume1. Volumes: volume7 → click Apply Figura 27: Panel de Especificación de tipo de fluido 5. volume3. Type: FLUID. volume6→ click Apply Name: fluido. Exportación de malla File → Export → Mesh File Name: Mezclador → click Accept . volume4.4 Especificación de tipo de fluido (Fluido 27) Name: solido. volume5. → volume2.Anexo 117 4. Type: SOLID.