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Agitadores y Mezcladores Operaciones Unitarias 1 – UTN FRRo Profesores: Klaric – Biset – Ferrero – Ferrari Rev.: 11/05/2020 Agitación y mezclado • Agitación: Consiste en producir movimientos turbulentos con un patrón definido en el seno de fluidos por medio de dispositivos mecánicos produciendo el movimiento relativo de uno respecto del/los otro/s. • Mezclado: Se refiere a la distribución aleatoria, dentro y a través una de otra, de dos o más fases inicialmente separadas. • Objetivo: Lograr la mezcla homogénea de dos o más fluidos o la suspensión o dispersión de sólidos en un líquido o la emulsión de un líquido no miscible en otro; la dispersión de un gas en un líquido para favorecer una reacción química por aumento del área de contacto, etc. • Influencia de la viscosidad: Cuánto más viscosos sean los líquidos a mezclar o mayor sea la diferencia de viscosidad entre ellos, mayor será la dificultad de efectuar el mezclado. Principales aplicaciones de la agitación: • Mezcla discontinua de líquidos: Deben moverse grandes corrientes de líquido (turbulencia intensa) hacia todos los puntos de sistema a fin de lograr la difusión molecular. • Transferencia de materia en sistemas heterogéneos:• Transferencia de materia en sistemas heterogéneos: Se debe dispersar o suspender la fase discontinua en la totalidad de la continua y debe provocar turbulencia intensa entre esta fase y la fase continua para favorecer la transferencia de masa. Ejemplos: Disoluciones de sólidos, reacciones químicas heterogéneas; extracción, etc. Principales aplicaciones de la agitación (cont.): • Formación de emulsiones: La fase líquida dispersa debe ser sometida a altas velocidades para que sea dividida en pequeñas gotas y prevenir la decantación de las mismas. • Transferencia de calor y uniformidad de• Transferencia de calor y uniformidad de temperatura: Para reactores discontinuos enfriados o calefaccionados con camisas o serpentines, se debe crear una turbulencia importante cerca de estas zonas para favorecer la transferencia de calor y materia. Para líquidos viscosos la zona de turbulencia es de corta extensión, generándose “cuellos de botella” en la transferencia de calor y materia. Agitadores rotativos: • Es el tipo de agitador más empleado. Cuenta con una parte rotativa de diferente diseño y tamaño relativo al diámetro del recipiente, solidaria a un eje, conectado a un motor con una caja de engranajes reductora intermedia. • El rotor puede ser del tipo de hélices marinas, paletas o turbinas de álabes rectos o curvos. • Para evitar que la masa entera entre en rotación se colocan paletas• Para evitar que la masa entera entre en rotación se colocan paletas deflectoras estacionarias en las paredes del recipiente; dos rotores que giran en direcciones opuestas; se inclina el eje de rotación o se coloca descentrado del centro del recipiente. • Para casos de sólidos que se adhieren a las paredes o fondos se emplean agitadores que rascan las superficies. El fondo del recipiente suele ser curvo (casquete semieliptico para evitar zonas muertas en los rincones) • Para casos en donde el sello entre el eje del rotor y la tapa del recipiente es crítico, se emplean acoples magnéticos. • Para recipientes con serpentines se emplean agitadores de bastidores de gran diámetro y baja velocidad. Disposición de agitadores rotativos: Doble hélice inclinada Placas deflectoras Paletas Ancla (“rasca fondo”) Esquemas de agitadores rotativos (cont.): Agitador rotatorio en un tanque con camisa de calefacción o enfriamiento Efecto de la inclinación en un rotor de paletas: Efecto radial vs. axial: Impulsión axial y radial Tipos de rotores: Impulsión radial Tipos de rotores: Impulsión axial Impulsión radial Tipos de rotores: Puntos en donde se producen altos efectos cortantes por la alta velocidad tangencial, lo que favorece el mezclado, dispersión y formación de emulsiones Efecto de los agitadores rotatorios: Vórtices y corrientes turbulentas Vórtice Aumento de nivel por el vórtice Zonas muertas Efecto de los agitadores rotatorios: Vórtices y corrientes turbulentas: Zonas muertas Disposición y rotores para mezclas líquido-gas: La colocación de una tubería central en recipientes de gran longitud conduce el chorro de líquido impulsado por la hélice y direcciona las corrientes de convección requeridas para el mezclado Disposición y rotores para mezclas líquido-gas: Disposición y rotores para evitar/remover la adherencia a las paredes del recipiente: Se deja poco espacio libre ya que si se mezclan líquidos de gran viscosidad las corrientes convectivas se frenan a cortas distancias y no se propagan lo suficiente Sistemas de recirculación con bombas centrífugas: • Las bombas centrífugas efectúan un mezclado muy efectivo por la turbulencia generada al circular la mezcla de fluidos por el interior de las mismas (ojo de entrada al impulsor, interior del mismo en los álabes y en la voluta de descarga). • La aspiración de una corriente de fluido y su reingreso al tanque o recipiente a alta velocidad, a través de una boquilla o “jet”, generará un mezclado en el interior de la bomba y en la mismagenerará un mezclado en el interior de la bomba y en la misma masa del líquido por efecto del chorro. • Se puede emplear con líquidos de baja viscosidad, porque de lo contario los “jets” de líquido se frenarían rápidamente, no propagándose, y por lo tanto no ejerciendo efecto de mezcla. Mezclado por paletas de movimiento satelital: • Las paletas se dotan de dispositivos que le proporcionan un movimiento de vaivén. • Se emplean para líquidos viscosos y pastas y requieren un tiempo de mezclado considerable. • Debe poder mantenerse abierta la parte superior del recipiente para permitir el accionamiento del mecanismo de vaivén. Paletas en forma de “Z” Pailas rotatorias: • Se emplean para mezclas o líquidos pastosos (alta viscosidad). • Son de construcción muy similar a los agitadores rotatorios, aunque pueden estar abiertos en la parte superior. • Es crítico la colocación de paletas deflectoras estacionarias para evitar que toda la masa de líquido entre en rotación. Esto se da cuando la viscosidad es superior a la fricción de la mezcla con lascuando la viscosidad es superior a la fricción de la mezcla con las paredes del recipiente (resbalamiento). Elevadores y agitadores por aire: • Consiste en hacer pasar aire, desde abajo hacia arriba, por un tubo vertical de gran diámetro sumergido en el interior de la masa a agitar. • La menor densidad de la mezcla aire-líquido en el interior del tubo genera una circulación por convección natural que permite el • El tubo por el que se inyecta aire se halla en el centro del recipiente. genera una circulación por convección natural que permite el mezclado de la masa de líquido. • Además de lo anterior, las burbujas que ascienden generan turbulencias que favorecen el mezclado. • Se emplean para líquidos o mezclas de líquidos de baja viscosidad. Mezclador/eductor de chorro y estático: • Eductor: Al inyectar una corriente de líquido a alta presión y velocidad por una boquilla muy estrecha se produce una zona de baja presión, aspirándose al líquido circundante y siendo arrastrado y mezclado. • Mezclador estático: La mezcla de dos fluidos se hace pasar por el • Boquillas concurrentes: Al inyectar dos corrientes de líquido a alta presión y velocidad por sendas boquillas estrechas se produce un mezclado por las altas turbulencias alcanzadas. • Mezclador estático: La mezcla de dos fluidos se hace pasar por el interior de un tubo con un entramado interno con un patrón irregular especial para generar turbulencia y permitir el mezclado. • El entramado irregular puede estar formado por chapas dobladas en forma helicoidal o bien en forma de reticulado, placas perforadas, etc. Mezclador tipo Nauta: • Se emplea para el mezclado de sólidos pulverizados o pastas.• Consiste en un recipiente cónico elevado con tolva de descarga y posee un tornillo sin-fin montado sobre un sistema de brazo que lo hace rotar. • Opera haciendo un barrido cónico de la • Video para apreciar su funcionamiento: https://www.youtube.com/watch?v=xTzWA5S2ZRQ • Opera haciendo un barrido cónico de la superficie y elevando la mezcla de sólidos de la parte inferior hacia la superior (convección). Mezclador -extrusor: • En general se emplean para el agregado, y agregado, de aditivos y extrusión de plásticos. • Los tornillos poseen un patrón de acanaladuras helicoidales específico y de paso variable de acuerdo a su posición. • Pueden ser de simple o doble tornillo. • La acción del tornillo impulsa al propio material. La fricción• La acción del tornillo impulsa al propio material. La fricción generada y la compresión lograda hacen que la mezcla se caliente, y funda, en el caso de materiales con bajo a medio punto de fusión (caso de los plásticos). • Video para apreciar su funcionamiento: https://www.youtube.com/watch?v= 5zNhneCMbOI Mezcladores de cintas y paletas: • Se emplean para mezclar sólidos pulverizados o finamente divididos y pastas. • Mezcladores de cintas: Poseen un eje que tiene adosadas unas cintas metálicas dispuestas en formas helicoidales opuestas. • Mezcladores de paletas: Poseen uno o dos ejes que posee palas dispuestas en forma alternadas. En las de doble eje, los mismos giran de forma opuestagiran de forma opuesta • Mezcladores de cintas: https://www.youtube.com/watch?v=voN_WdA6atI • Mezcladores de paletas eje simple: https://www.youtube.com/watch?v=gnsutB-rdfg • Mezcladores de paletas eje doble: https://www.directindustry.es/prod/shuanglong-group-ltd-co/product- 120867-1322389.html Mezcladores de pastas: • En general se emplean para el agregado, y agregado, de aditivos y extrusión de plásticos. • Los tornillos poseen un patrón de acanaladuras helicoidales específico y de paso variable de acuerdo a su posición. • Pueden ser de simple o doble tornillo. • La acción del tornillo impulsa al propio material. La fricción• La acción del tornillo impulsa al propio material. La fricción generada y la compresión lograda hacen que la mezcla se caliente, y funda, en el caso de materiales con bajo a medio punto de fusión (caso de los plásticos). • Video para apreciar su funcionamiento: https://www.youtube.com/watch?v= 5zNhneCMbOI Mezcladores de pastas de dos ejes con calefacción interna: • Se emplean para el mezclado de pastas que requieren de calefacción para su ablandamiento . • Los ejes son huecos y por el interior circula un fluido calefactor, en general vapor de agua. Giran de forma opuesta y sincronizada. • Los ejes pueden ser del tipo de tornillos sin-fin concéntricos o bien con palas del tipo macho y hembra que hermanan, sinbien con palas del tipo macho y hembra que hermanan, sin tocarse. Mezcladores de polvos en modo discontinuo (batch): • Emplean el modo de “volteo” para el mezclado de sólidos divididos, haciendo girar un tambor con respecto a un eje. • Operan en modo discontinuo (batch). • Dependiendo del diseño y de la mezcla a obtener pueden requerir de diferentes tiempos de mezcla. • Poseen un agitador interno del tipo hélice para dispersar los sólidos diferentes tiempos de mezcla. • Video 1: https://www.youtube.com/watch?v=S_pnhGJ1vFk • Video 2: https://www.youtube.com/watch?v=Kk-Q-Xx0V_8 • Video 4: https://www.youtube.com/watch?v=Ceh1jnNFu-o&feature=emb_rel_pause • Video 3: https://vibrasec.com/productos/equipos-de-mezcla/ Molino coloidal: • Consiste en dos conos o discos estriados separados una distancia muy pequeña que giran uno relativo al otro a grandes velocidades. • En esta estrecha abertura (0,025 mm) se producen grandes esfuerzos de cizalla que permiten logran emulsiones de gran estabilidad debido al bajo tamaño de las micelas producidas. • La mezcla es inyectada a gran presión por la pequeña holgura que• La mezcla es inyectada a gran presión por la pequeña holgura que depara los discos o conos, produciendo una efecto de homogenización. Videos útiles para apreciar el funcionamiento: • Tipos generales: https://www.youtube.com/watch?v=yK2RUZaQRl0 • Agitadores magnéticos 1: https://www.youtube.com/watch?v=5578Cwm_7aA • Agitadores magnéticos 2: https://www.youtube.com/watch?v=fHO6irQ5tQE • Dispersión de gases: https://www.youtube.com/watch?v=xzLz7iCsIH4 Agitador de palas: https://www.youtube.com/watch?v=hHPuT1ch-9U• Agitador de palas: https://www.youtube.com/watch?v=hHPuT1ch-9U • Agitador de hélice doble: https://www.youtube.com/watch?v=96_c5EOGR90
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