Agitación y mezcla de fluidos
MATERIAL DIDÁCTICO
Enero 2017 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLAN
Agitación y mezclado
Aunque la agitación y el mezclado se encuentran interrelacionados, desde el punto de vista técnico se establece que la principal diferencia entre ambas es que la definición de agitación recae en el consumo de potencia (Griskey, 2002).
Dentro de las operaciones más comunes en el procesado de alimentos se encuentran la agitación y mezcla de sistemas fluidos.
Mezclado
El mezclado es una operación unitaria en la cual se forma una combinación uniforme de dos o más componentes (Brennan, 2006).
En adición a la mezcla de componentes la operación de mezclado conlleva otros cambios deseables en los materiales, tales como la promoción de la transferencia de calor, facilitar reacciones químicas o biológicas, el trabajo mecánico.
Implica partir de dos fases individuales y lograr que ambas fases se distribuyan al azar entre sí (Geankoplis, 2006).
Clasificación de los procesos de mezclado
(Oldshue, 2014)
Procesamiento físico (aplicaciones que dependen de algún tipo
de uniformidad)
Clasificación básica
Procesamiento químico (aplicaciones que requieren de algún tipo
de transferencia de masa o reacción
química) Suspensión Líquido-Sólido Disolución
Dispersión Líquido-Gas Absorción Emulsión Líquido-Líquido (inmiscbles) Extracción Mezcla Líquido-Líquido (miscibles) Reacciones
Agitación
La agitación se refiere a forzar un fluido por medios mecánicos
para que adquiera un
movimiento circulatorio en el interior de un recipiente (Geankoplis, 2006).
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Aplicación en alimentos
Líquidos de baja viscosidad: preparación de salmueras y jarabes, bebidas a base de extractos de frutas, mezcla de aceites.
Equipo para agitación
Consiste en un recipiente cilíndrico (cerrado o abierto), y
un agitador o impulsor mecánico, montado en un eje y
accionado por un motor eléctrico.
Las proporciones del tanque varían ampliamente,
dependiendo de la naturaleza del problema de agitación.
El fondo del tanque debe ser redondeado, con el fin de
eliminar los bordes rectos o regiones en las cuales no
penetrarían las corrientes del fluido.
Equipo de agitación
La altura del líquido, es aproximadamente igual al
diámetro del tanque.
Sobre un eje suspendido desde la parte superior, va
montado un agitador.
El eje está accionado por un motor, conectado a
veces, directamente al mismo, pero con mayor
frecuencia, a través de una caja de engranajes
reductores.
Clases de agitadores o impulsores
Los agitadores se dividen en
◦ Los que generan corrientes paralelas al eje del impulsor que se denominan impulsores de flujo axial;
◦ y aquellos que generan corrientes en dirección radial tangencial que se llaman impulsores de flujo radial.
Tipos de agitadores
Diferentes tipos de agitadores se emplean en la industria de alimentos. Kalkschmidt (1977) enlista los tipos de agitadores empleados en la industria láctea que son clasificados como:
Propelas: hélice, cuchilla y anillo
Mezcladores (stirrers): disco, barra cruzada, pala, ancla,
Los agitadores también se pueden clasificar de acuerdo a su colocación:
Entrada superior (a): Empleado en mezclado de alimentos viscosos Entrada lateral (b): Populares en la industria del vino y bebidas
Abrazadera (c): Ideales para mezclar en pequeños tanques (“clamp on”)
Tipos de agitadores
• Consiste en una hoja plana sujeta a un eje rotatorio.
• El flujo de líquido tiene una componente radial grande en el plano de la pala y también un gran componente rotacional.
• Los agitadores de pala son de construcción relativamente fácil. • Los agitadores de pala sencillos producen una acción de
mezcla suave, que es con frecuencia la conveniente para el trabajo con materiales cristalinos frágiles.
• Son útiles para operaciones de simple mezcla, como, por ejemplo, la mezcla de líquidos miscibles o la disolución de productos sólidos.
Los agitadores industriales de paletas giran a una velocidad comprendida entre 20 y 150 rpm.
La longitud del rodete de un agitador de paletas es del orden de 50 al 80% del diámetro interior del tanque.
La anchura de la paleta es de un sexto a un décimo de su longitud.
A velocidades muy bajas, un agitador de paletas produce una agitación suave, en un tanque sin placas deflectoras o cortacorrientes, las cuales son necesarias para velocidades elevadas. De lo contrario el líquido se mueve como un remolino que gira alrededor del tanque, con velocidad elevada pero con poco efecto de mezcla.
Están constituidos por un componente impulsor con más de cuatro hojas, montadas sobre el mismo elemento y fijas a un eje rotatorio.
Los agitadores de turbina se pueden utilizar para procesar numerosos materiales.
Agitadores de turbina
Los agitadores de turbina son eficaces para un amplio intervalo de viscosidades; en líquidos poco viscosos, producen corrientes intensas, que se extienden por todo el tanque y destruyen las masas de líquido estancado.
En las proximidades del rodete existe una zona de corrientes rápidas, de alta turbulencia e intensos esfuerzos cortantes. Las corrientes principales son radiales y tangenciales. Las componentes tangenciales dan lugar a vórtices y torbellinos, que se deben evitar por medio de placas deflectoras o un anillo difusor, con el fin de que el rodete sea más eficaz.
El agitador de turbina semiabierto, conocido como agitador de disco con aletas, se emplea para dispersar o disolver un gas en un líquido. El gas entra por la parte inferior del eje del rodete; las aletas lanzan las burbujas grandes y las rompen en muchas pequeñas, con lo cual se aumenta grandemente el área interfacial entre el gas y el líquido.
Agitadores de hélice
•
Poseen elementos impulsores de hojas cortas
(corrientemente de menos de ¼ del diámetro del
tanque); giran a gran velocidad (de 500 a varios
millares de r.p.m).
•
Las hélices no son muy efectivas si van montadas
sobre ejes verticales situados en el centro del depósito
de mezcla.
Tanto la componente radial como la longitudinal contribuyen, generalmente, a la mezcla, pero no siempre la componente rotatoria.
La velocidad de flujo creada, en un depósito, por un mezclador de hélice tiene tres componentes:
(a)Una componente radial que actúa en dirección perpendicular al eje.
(b)Una componente longitudinal que actúa paralelamente al eje.
(c)Una componente rotatoria que actúa en dirección tangencial al círculo de rotación del eje.
Agitadores para tanques cerrados y tanques
abiertos de montaje fijo
Estos tipos de agitadores son recomendados para su aplicación, y todo depende de los requisitos de su proceso. Los hay de acoplados directo, estos están diseñados para
aplicaciones de baja viscosidad, o volumen pequeños, o aplicaciones en que se requiere trituración del producto. Los agitadores de acoplado de engranaje (caja reductora),
son eficientemente usados en productos con más alta viscosidad o aplicaciones con un volumen mas elevado.
Tipos de flujo en tanques agitados
El tipo de flujo que se produce en un tanque agitado, depende del tipo de rodete, de las características del fluido y del tamaño y proporciones del tanque, placas deflectoras y agitador.
La velocidad del fluido en un punto del tanque tiene tres componentes y el tipo de flujo global en el mismo, depende de las variaciones de estas tres componentes de la velocidad, de un punto a otro.
Tipos de flujo en tanques agitados
La primera componente de velocidad es radial y actúa en dirección perpendicular al eje del rodete. La segunda es longitudinal y actúa en dirección paralela al eje. La tercera es tangencial o rotacional, y actúa en dirección tangencial a la trayectoria circular descrita por el rodete.
Formas de evitar remolinos:
Colocando el agitador fuera del eje central del tanque En tanques pequeños se debe colocar el rodete separado del centro del tanque, de tal manera que el eje del agitador no coincida con el eje central del tanque. En tanques mayores el agitador puede montarse en forma lateral, con el eje en un plano horizontal, pero no en la dirección del radio.
Formas de evitar remolinos:
Instalando placas deflectoras Estas son placas verticales perpendiculares a la pared del tanque. En tanques pequeños son suficientes 4 placas deflectoras, para evitar remolinos y formación de vórtice. El ancho de las placas no debe ser mayor que un doceavo del diámetro del tanque. Cuando se usan agitadores de hélice, el ancho de la placa puede ser de un octavo del diámetro del tanque.
Deflectores o bafles
Cuando se emplean agitadores de aspas para agitar fluidos de baja viscosidad en tanques sin deflectores (o bafles) se genera un vórtice. La profundidad del vórtice crece con la velocidad hasta que eventualmente el vórtice pasa por el agitador.
La eficiencia del mezclado en un sistema con vórtice es usualmente menor que la correspondiente en el sistema sin ella. Para eliminar esta problemática, comúnmente se colocan cuatro deflectores al tanque con un ancho de 1/10 el diámetro del tanque.
Deflectores o bafles
Para líquidos de alta velocidad su misma resistencia natural a fluir amortigua la formación del vórtice al grado que el ancho de los bafles puede reducirse a 1/20 del diámetro del tanque.
Para fluidos viscosos se recomienda colocar los deflectores a una distancia de la pared igual al ancho del deflector para evitar zonas estancadas detrás de estos.
Potencia consumida por el agitador
Las variables que pueden ser controladas y que influyen
son:
Dimensiones principales del tanque y del rodete: Diámetro del tanque (Dt), Diámetro del rodete (Da), altura del líquido (H), ancho de la placa deflectora (J), distancia del fondo del tanque hasta el rodete (E), y dimensiones de las paletas.
Viscosidad (μ) y densidad (ρ) del fluido. Velocidad de giro del agitador (N).
Cálculo de Potencia
El cálculo de la potencia consumida se hace a través de números adimensionales, relacionando por medio de gráficos el número de Reynolds y el Número de Potencia. Estas gráficas dependerán de las características geométricas del agitador y de si están presentes o no, las placas deflectoras. Y Fr X P
C
N
N
N
(
Re)
(
)
NP= Nº Potencia NRe = Nº Reynolds NFr= Nº de FroudeNúmero de Reynolds = esfuerzo de inercia / esfuerzo cortante
N
D
N
a 2 Re
Número de Froude = esfuerzo de inercia / esfuerzo gravitacional
g
D
N
N
a
2
Fr
Número de Potencia = esfuerzo de frotamiento / esfuerzo de inercia
5 3 a PD
N
P
N
Referencias
Brennan, J.G. 2006. Mixing, emulsification and size reduction. En
Food Processing Handbook, (J.G. Brennan ed.), Germany,
Wiley-VCH, pp. 513-558.
Geankoplis, C.J. 2006. Procesos de transporte y principios de procesos de separación, 4ª ed., México, CECSA.
Griskey, R.G. 2002. Transport Phenomena and Unit Operations. A combined approach. New York, John Wiley and Sons, Inc.
Oldshue, J.Y. 2014. Agitation. En Fermentation and Biochemical
Engineering Handbook, 3th ed. (C.C. Todaro y H.C. Vogel, eds.)
Oxford, Elsevier, pp. 109-133.
Rao, M.A. 2007. Transport and storage of food products. En Handbook
of Food Engineering 2nd ed. (D.R. Heldman, D.B. Lund eds.) New
