Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados

Transcripción

1 Principios de agitación de fluidos: conceptos genéricos y conceptos aplicados

2 Índice Conceptos genéricos de agitación Introducción Viscosidad Caudal Turbulencia Cizalladura Conceptos aplicados de agitación Agitadores verticales Flujo y tipos de móviles Caudal-velocidad Intensidad de agitación Parámetros de selección e instalación Agitadores para procesos de digestión anaerobia Agitadores sumergibles Flujo y velocidad Empuje y potencia Parámetros de selección e instalación 2

3 Índice Conceptos genéricos de agitación Introducción Viscosidad Caudal Turbulencia Cizalladura Conceptos aplicados de agitación Agitadores verticales Flujo y tipos de móviles Caudal-velocidad Intensidad de agitación Parámetros de selección e instalación Agitadores para procesos de digestión anaerobia Agitadores sumergibles Flujo y velocidad Empuje y potencia Parámetros de selección e instalación 3

4 Conceptos básicos de agitación, introducción Acción de agitar: mover con frecuencia y violentamente de un lado a otro (R.A.E) Proceso de homogeneización, o de mezcla de dos ó mas productos ( ó fases) promovido por un equipo mecánico ( agitador) 4

5 Conceptos genéricos de agitación, introducción Agitación como fenómeno de transporte (I) AGITACION Convección Difusión escala macroscópica escala microscópica Caudal Turbulencia Cizalladura Aplicaciones tratamiento de agua AGITADOR 5

6 Conceptos genéricos de agitación, introducción Agitación como fenómeno de transporte (II) AGITADOR Aplicaciones tratamiento de agua Caudal Turbulencia Cizalladura Q ( m 3 /h) P e ( W /m 3 ) G ( s -1 ) 6

7 Conceptos genéricos de agitación, viscosidad Ley de Newton r F A v sólo consideramos fluidos NEWTONIANOS 7

8 Conceptos genéricos de agitación, viscosidad Número de Reynolds Número Re tipo de régimen Número de Reynolds: Tipos de Régimen: Re = ρ. n. D 2 / µ Régimen laminar: Re 10 Régimen intermedio: 10 Re 10 4 o 10 5 (*) Régimen turbulento: 10 Re 10 4 o 10 5 (*) (*) según el tipo de móvil: - Re 10 4 móvil de flujo radial - Re 10 5 móvil de flujo axial 8

9 Conceptos genéricos de agitación, caudal Q ~ D 3. n Q= N Q. D 3. n El número de caudal es propio de cada móvil y variable con el número de Reynolds Re En régimen turbulento el número de caudal N Q es constante 9

10 Conceptos genéricos de agitación, turbulencia 10

11 Conceptos genéricos de agitación, turbulencia turbulencia potencia volumétrica P ~ ρ. n 3. D 5 P = N P. ρ. n 3. D 5 11

12 Conceptos genéricos de agitación, cizalladura Cizalladura gradiente de velocidad P = M. ω ω = v / R G P = M. G M = F. Δz = (τ. Δx. Δy ). Δz P = τ. Δx. Δy. Δz. G V = Δx. Δy. Δz P = τ. V. G τ = μ. G P = μ. G. V. G = μ. V. G 2 P/V = μ. G 2 12

13 Conceptos genéricos de agitación, cizalladura Limitaciones del gradiente como parámetro Es un parámetro medio o global que no considera la distribución espacial Los valores especificados en la bibliografía no consideran adecuadamente los perfiles de alta eficiencia ( de muy baja potencia específica) Es un parámetro que depende de la viscosidad dinámica, y por tanto sólo aplicable a fluidos Newtonianos Su valor sería válido en términos relativos y no absolutos ( efecto comparativo entre 2 móviles iguales en distintos volúmes o un móvil operando a distinto régimen de giro) 13

14 Índice Conceptos genéricos de agitación Introducción Viscosidad Caudal Turbulencia Cizalladura Conceptos aplicados de agitación Agitadores verticales Flujo y tipos de móviles Caudal-velocidad Intensidad de agitación Parámetros de selección e instalación Agitadores para procesos de digestión anaerobia Agitadores sumergibles Flujo y velocidad Empuje y potencia Parámetros de selección e instalación 14

15 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Introducción 15

16 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Flujo y tipo de móviles flujo caudal Flujo axial (hélices): Marina Perfil delgado (alta eficiencia) Turbina axial 4 45 º Flujo radial (turbinas): Palas planas Con disco central Rushton Flujo tangencial: Ancora 16

17 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Flujo y tipo de móviles POTENCIA Caudal Cizalladura 17

18 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Caudal - velocidad Q p : Caudal propio o de bombeo (básicamente axial ) Q i : Caudal inducido Q t : Caudal total ( o de circulación) Q t : Caudal total ( o de circulación) = Q p (caudal propio o de bombeo) + Q r (Caudal inducido) 18

19 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Caudal - velocidad 19

20 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Caudal - velocidad Vm : velocidad media Vr : velocidad de retorno Vf : velocidad de flujo 20

21 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Caudal - velocidad 21

22 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Intensidad de agitación DEFINICION : INTENSIDAD DE AGITACION Es referida a la velocidad media ( y por tanto al caudal propio) según la siguiente escala: ESCALA DE LA INTENSIDAD DE AGITACION: nivel 1: Vm = 0,03 m/s nivel 10: Vm = 0,3 m/s Rango 1 a 3: intensidad baja ( almacenamiento) Rango 4 a 6: intensidad media ( homogeneización) Rango 7 a 9: intensidad fuerte ( disolución complicada) Rango superior a 10: intensidad violenta ( CONSULTAR) 22

23 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Intensidad de agitación APLICACIÓN NA NOTAS Lechada de Cal. Preparación 10% 4 5 Lechada de Cal. Preparación 20% 5 6 Neutralización 2 4 Homogeneización agentes reactivos 2 4 Mantenimiento de lechadas 4 8 Disolución de reactivos 3 4 Mezcla rápida (Flash Mixing) 3 10 s/tiempo retención Floculación 2 4 Móvil específico Preparación Polielectrolitos 3 4 producto en polvo Desnitrificación 2 4 Decromatización 2 4 Homogeneización de biosólidos 2 5 s/concentración Mantenimiento en suspensión biosólidos 2 3 de 0 20% m.s 4 5 de % m.s Acondicionamiento de biosólidos 5 7 s/concentración 23

24 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Planteamiento de un problema de agitación. Seleccionar el tipo móvil en función de los resultados requeridos para la aplicación Considerar la geometría del depósito, situación del agitador y patrón de flujo requerido Deflectores Seleccionar el modelo concreto dentro de la gama disponible. 24

25 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Elección de móvil (I) Hélice marina Turbina axial 4 45º Homogeneización económica en pequeño volumen Móvil clásico de flujo axial, con un porcentaje medio de turbulencia. Funcionamiento a alta velocidad Homogeneización económica en pequeño y mediano volumen Móvil clásico de flujo predominantemente axial, con cierta componente radial. Mayor porcentaje de turbulencia, puede ser una solución de coste competivo para problemas sencillos. Funcionamiento a media/baja velocidad Hélice perfil delgado alta eficiencia (SABRE) Homogeneización con un consumo energético mínimo Móvil de flujo predominantemente axial, asegura un bombeo de gran eficacia. Funcionamiento a baja velocidad con un porcentaje de turbulencia, de muy bajo a moderado. Solución óptima para una gran cantidad de aplicaciones. 25

26 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Elección de móvil (II) Hélice marina Turbina axial 4 45º Diámetro ( mm ) Hélice perfil delgado alta eficiencia (SABRE) Velocidad giro (rpm) Caudal ( m 3 /h) Potencia absorbida (kw) 3,7 3,3 0,9 26

27 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Influencia de la geometría del depósito en la agitación 27

28 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Patrón de flujo (I) 28

29 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Patrón de flujo (II) 29

30 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Deflectores (anti-vortice) (I) 30

31 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Deflectores (anti VORTICE) (II) 31

32 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Deflectores (anti VORTICE) (III) En caso de que el agitador se coloque centrado en un tanque cilíndrico, es necesario instalar en dicho tanque tres deflectores anti-rotación, para : Evitar que toda la masa fluida, como un todo, gire alrededor del eje. Evitar el vórtice que pueden dañar al agitador e introducen aire en el producto. Conseguir una agitación correcta. Las medidas de los deflectores han de ser aproximadamente como se indica en la tabla. La altura de los deflectores ha de ser aproximadamente el 75% de la altura de la virola del tanque ) 32

33 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Selección del modelo de agitador (I) T: Diámetro (equivalente) del Deposito D: Diámetro del móvil HL: Altura (nivel) de fluido HT: Altura al apoyo del agitador La: Longitud de eje (árbol) ha: Distancia al fondo del borde de ataque de la hélice 33

34 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Selección del modelo de agitador (II) RELACIONES USUALES ( para un único móvil ) : D/T : 0,3 a 0,6 ha = HL/3, mínimo 0,25 D (flujo aspirante) La = HT ha 34

35 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Selección del modelo de agitador (III) NOTA IMPORTANTE : Si HL / T >> 1,4 1,5 suele requerir MAS DE UNA HELICE REALIZAR CONSULTA 35

36 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Componentes de un agitador vertical Motor eléctrico Palier con mangón y rodamiento de guiado Eje del agitador Hélice 36

37 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Componentes de un agitador vertical Motoreductor eléctrico Acoplamiento rígido ( mangón o de brida) Eje del agitador Móvil de agitación 37

38 Conceptos aplicados de agitación, agitadores verticales Parámetros de selección e instalación Componentes de un agitador vertical Motoreductor eléctrico Acoplamiento rígido ( mangón o de brida) Eje del agitador Móvil de agitación 38

39 Índice Conceptos genéricos de agitación Introducción Viscosidad Caudal Turbulencia Cizalladura Conceptos aplicados de agitación Agitadores verticales Flujo y tipos de móviles Caudal-velocidad Intensidad de agitación Parámetros de selección e instalación Agitadores para procesos de digestión anaerobia Agitadores sumergibles Flujo y velocidad Empuje y potencia Parámetros de selección e instalación 39

40 Conceptos aplicados de agitación, digestión anaerobia Soluciones alternativas Mezcla por gas ( compresor) Recirculación de bomba Agitador sumergible (montaje sobre el fondo) Agitador mecánico entubado de alta velocidad: Montaje vertical ( central ó desplazado del eje) Montaje exterior vertical Montaje exterior entrada lateral Agitador mecánico montaje vertical central 40

41 Conceptos aplicados de agitación, digestión anaerobia Parámetros de proceso Tradicionalmente: Potencia específica (W/m 3 ) Gradiente de velocidad (s 1 ) Tiempo de retención (min) Según nuestra consideración: Caudal de bombeo (m 3 /h) Caudal de circulación (m 3 /h) Velocidad lateral de remonte (m/s) Tasa de renovación horaria (ren/h) 41

42 Conceptos aplicados de agitación, digestión anaerobia Solución agitador vertical Milton Roy Agitador mecánico montaje vertical central, de baja velocidad con móviles alta eficiencia. 42

43 Conceptos aplicados de agitación, digestión anaerobia Solución agitador vertical Milton Roy Sistema de estanqueidad fiable y competitivo Posibilidad de cumplimiento de la normativa ATEX 43

44 Conceptos aplicados de agitación, digestión anaerobia Solución agitador vertical Milton Roy 2 Móviles situados a dos niveles, a 90º entre sí. El diseño de los móviles permite la rotación en ambas direcciones 44

45 Conceptos aplicados de agitación, digestión anaerobia Solución agitador vertical Milton Roy Análisis CFD (I) Volumen : Diámetro móviles: Velocidad rotación: Potencia hidraulica: Tiempo de mezcla: 7730 m³ (Ø 23.5m) 3 m / 4.8 m 10.9 rpm (CW) 5.80 kw 2 horas 45

46 Conceptos aplicados de agitación, digestión anaerobia Solución agitador vertical Milton Roy Análisis CFD (II) Volumen : Diámetro móviles: Velocidad rotación: Potencia hidraulica: Tiempo de mezcla: 7730 m³ (Ø 23.5m) 3 m / 4.8 m 10.9 rpm (CCW) 5.80 kw 2 horas 46

47 Conceptos aplicados de agitación, digestión anaerobia Solución agitador vertical Milton Roy Análisis CFD (III) Volumen : Diámetro móviles: Velocidad rotación: Potencia hidraulica: Tiempo de mezcla: 7730 m³ (Ø 23.5m) 3 m / 4.8 m 5,2 rpm 0,63 kw 5 6 horas 47

48 Conceptos aplicados de agitación, digestión anaerobia Solución agitador vertical Milton Roy Conclusiones Homogeneización global en todo el digestor por el gran caudal de bombeo Mezclacon grado de homogeneización 95 % en muy reducido periodo. Gran uniformidad de temperatura : reducción de costes asociados de calentamiento Bajo consumo eléctrico: reducido coste de operación Eliminación de la costra superficial permanente Disminución de la acumulación de arenas en el fondo: conservación del volumen útil ydeltiempo de retención. Diseño robusto a baja velocidad: bajo nivel vibratorio y reducido coste de mantenimiento. 48

49 Índice Conceptos genéricos de agitación Introducción Viscosidad Caudal Turbulencia Cizalladura Conceptos aplicados de agitación Agitadores verticales Flujo y tipos de móviles Caudal-velocidad Intensidad de agitación Parámetros de selección e instalación Agitadores para procesos de digestión anaerobia Agitadores sumergibles Flujo y velocidad Empuje y potencia Parámetros de selección e instalación 49

50 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Introducción 50

51 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Flujo y velocidad Empuje Caudal primario + Caudal = secundario Caudal total 51

52 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Flujo y velocidad Los agitadores sumergibles tienen la ventaja de una fácil instalación. El empuje de la hélice genera un chorro que lleva consigo el liquido envolvente. Cuando mas lejos pueda alcanzar el chorro libremente en una zona recta, mejor se transmitirá al liquido envolvente y menores serán las perdidas, generándose más arrastre Por ello, la instalación debe ser en una posición correcta para mantener las perdidas y el consumo energético en un nivel óptimo ( desarrollando el empuje de la hélice, y secundariamente aumentando la vida útil del agitador sumergible) 52

53 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Flujo y velocidad Análisis de campos de velocidad Flujo en tanques rectangulares de circulación Sin muro guía perdidas >> Con muro guía central perdidas > Con muro guía excéntrico Perdidas < Zonas de Vortex Zonas de reducción de flujo 53

54 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Flujo y velocidad Análisis de campos de velocidad Flujo en tanques ovales de circulación (carrusel) Sin muro guía Perdidas > Con muro guía central perdidas < Con muro guía excéntrico Perdidas < Zonas de Vortex Zonas de reducción de flujo 54

55 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Flujo y velocidad Análisis de campos de velocidad Agitadores de baja velocidad en el caso de condiciones de flujo favorables No existen fuerzas transversales. El flujo es simétrico y homogéneo. 55

56 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Flujo y velocidad Campos de velocidad, condiciones de flujo desfavorable Agitadores de baja velocidad en el caso de condiciones de flujo desfavorables Grandes fuerzas transversales por flujos asimétricos, no homogéneos. 56

57 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Flujo y velocidad Campos de velocidad, condiciones de flujo desfavorable Las causas para reducciones de flujo son: Forma de los obstáculos por el fluido Remolinos por detrás de los obstáculos Flujos transversales (entradas y descargas, aireación) 57

58 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Flujo y velocidad Campos de velocidad, condiciones de flujo desfavorable Comportamiento de un agitador en un campo de aireación (I) h 1 h 2 Aireador Flujo principal G h 1 : Incremento local del volumen por burbujas de aire, conduce a un aumento del nivel del fluido en la zona de aireación h 2 : Aumento del nivel del fluido por incremento de la presión en la hélice 58

59 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Flujo y velocidad Campos de velocidad, condiciones de flujo desfavorable Comportamiento de un agitador en una zona de aireación (II) Si las burbujas de aire entran en la área de influencia de la hélice, esto lleva inevitablemente a un funcionamiento descompensado del agitador sumergible ( debido a la significativa diferencia de densidad entre el agua y el aire aprox / 1 ) El liquido fluye así a la hélice de un modo irregular. Por lo tanto, la vida útil de los agitadores se reduce drásticamente! Conclusión: Situación del agitador a distancia suficiente de la zona de aireación 59

60 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Flujo y velocidad Campos de velocidad, condiciones de flujo desfavorable Comparativa entre agitador c/2 palas y agitador c/3 palas en condiciones de flujo desfavorables Movimiento Oscilatorio 60

61 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Flujo y velocidad Campos de velocidad, condiciones de flujo desfavorable Comparativa entre agitador c/2 palas y agitador c/3 palas en condiciones de flujo desfavorables En cada rotación de la hélice, las aspas pasan por zonas de flujo con diferentes velocidades. Esto resulta en una carga no homogénea en las aspas. En esas zonas, la carga en el aspa aumenta cuando al mismo tiempo, la hélice está descargada, resultando inevitablemente en mayor componente de carga alternada en la hélice y en incremento de las fuerzas transversales. Estas altas fuerzas transversales originan una excentricidad en el empuje. Por este motivo el eje longitudinal del tubo guía esta sometido a un gran par torsor. 61

62 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Flujo y velocidad Campos de velocidad, condiciones de flujo desfavorable Comparativa entre agitador c/2 palas y Agitador c/3 palas en condiciones de flujo desfavorables En resumen, las deficientes condiciones de flujo originan: Aumento de cargas alternadas en la hélice Movimientos oscilatorios y erosión en el soporte de anclaje y tubo guía Funcionamiento descompensado y problemas de vibraciones Conclusión: Debido a su diseño, los agitadores con 3 palas son los más apropiados para el funcionamiento en condiciones de flujo desfavorables. 62

63 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Flujo y velocidad Campos de velocidad, condiciones de flujo desfavorable Comparativa entre agitador c/2 palas y Agitador c/3 palas en condiciones de flujo desfavorables Agitador velocidad lenta con 2 palas Agitador velocidad lenta con 3 palas Empuje total ** *** Carga específica por pala alta baja Tolerancia a flujo desfavorable ** *** "Suavidad" de funcionamiento media alta 63

64 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Empuje y potencia Evaluación coste ciclo de vida (10 años, horas/año) (*) : Coste de adquisición 6% Coste de mantenimiento 20% (*) : s/informe WILO Consumo energético 74% 64

65 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Empuje y potencia P d,a = Np. ρ. n 3. d 5 P d,a n 3. d 5 P d,a N p ρ n d = Potencia disipada en agitación = Número de potencia = Densidad = Velocidad de rotación de la hélice = Diámetro de la hélice Los parámetros que controlan la potencia son la velocidad de rotación de la hélice y el diámetro de ésta. La influencia del diámetro de la hélice en la potencia disipada es mayor que la influencia de la velocidad de la hélice 65

66 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Empuje y potencia Densidad Potencia: e D = P 1.1 /V Factor Potencia: e Z = F prop /P 1.1 siendo: e D : densidad potencia [W/m³] e Z : factor de potencia [N/kW] P 1.1 : potencia absorbida en el punto de trabajo [W] F prop : empuje de la hélice [N] V: volumen del tanque [m³] La norma ISO ha venido a sustituir el parámetro e D por el parámetro e Z para establecer el rendimiento de un agitador. 66

67 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Empuje y potencia Consecuencias: Dado que el objetivo es tener equipos muy eficientes desde el punto de vista energético, es un objetivo tener hélices de gran diámetro funcionando a baja velocidad de rotación. Los limites para el diseño de los diámetros de las hélices son: Rigidez estructural Posibilidad de manipulación (montaje y explotación) Coste de fabricación (molde) 67

68 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Empuje y potencia Consecuencias : Para el resto de las aplicaciones que el objetivo es optimizar la selección de los equipos desde el punto de vista energético, es un objetivo tener una programa de fabricación amplio, para seleccionar la velocidad de funcionamiento. Para salvar la limitación de la velocidad de funcionamiento del motor ( pares de polos ) debemos emplear reductores ( planetarios de una o dos etapas) 68

69 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Agitador de Baja Velocidad < 100 rpm Generación de flujo en reactor biológico Agitador de Media Velocidad rpm Homogeneización en depósito de fangos Agitador de Alta Velocidad > 700 rpm Suspensión de sólidos en pozo de bombeo 69

70 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Agitador de Baja Velocidad < 100 rpm Agitador de Media Velocidad rpm Agitador de Alta Velocidad > 700 rpm Cuanto mas grande es el factor de potencia mayor será la eficiencia del agitador 70

71 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Relación velocidad de flujo / empuje 71

72 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Relación velocidad de flujo / potencia 72

73 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Relación velocidad de flujo / modelo 73

74 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios de posicionamiento El correcto posicionamiento y la correcta selección del agitador son requisitos decisivos para una larga vida útil. Contrariamente a los agitadores de alta velocidad, los de baja velocidad son muy susceptibles al campo turbulento generado en el tanque, por causa de sus grandes dimensiones de la hélice. En el caso de un posicionamiento desfavorable se producirán fuertes vibraciones debido a altos grados de turbulencia en el flujo de entrada, resultando rápidamente en un funcionamiento descompensado del agitador. Esto origina grandes oscilaciones torsión en el tubo guía, variaciones en el consumo eléctrico y gran formación de trombas pulsantes. Estas desfavorable condiciones disminuyen considerablemente la vida útil del agitador sumergible. 74

75 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios de posicionamiento Área de influencia de un agitador Limite del flujo El agitador debe estar instalado de forma que la zona de flujo cubra completamente toda el área del tanque. Conclusiones: Agitador instalado lo suficientemente alejado de curvas, campos de aireación, otras obstáculos La zona de establecimiento del flujo no debe restringirse. 75

76 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios de posicionamiento Comportamiento de varios agitadores en la zona de flujo >D >D >2XD >3XD Flujo secundario tabique divisorio Se produce interacción en la aspiración de los agitadores. Conclusiones : La distancia entre agitadores >D En caso contrario, instalar un tabique divisorio 76

77 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios de posicionamiento Si la zona libre es limitada por la pared del tanque, el agitador debe ser posicionado en una forma a que el chorro encuentre la pared de una forma suave minimizando así las perdidas. Perdidas Altas Perdidas Bajas 77

78 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios de posicionamiento Condiciones (I) : Ningún aparato debe ser posicionado directamente antes o después de curvas o muros del tanque, como por ejemplo tabiques directores. En el caso de un aparato posicionado después o antes de una curva, la distancia entre el agitador y la curva debe ser por lo menos 3.D ( D : diámetro de la hélice) para un buen flujo de entrada y de salida del agitador sumergible. El mejor posicionamiento en un tanque de circulación es en el ultimo tercio hasta el medio de la zona recta del tanque. 78

79 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios de posicionamiento Condiciones (II) : Por un lado deben ser posicionados por detrás del sistema de aireación lo suficientemente lejos para que el flujo de aireación no entre en la zona de influencia de la hélice, (esto se traduciría en un funcionamiento descompensado y en una reducción de la capacidad del agitador). Se ha comprobado en la práctica esta distancia como 3.D ( D : diámetro de la hélice). Por otro lado una instalación demasiado cerca del campo de aireación resulta en perdidas extremas de flujo. En este caso la distancia de 3.D ( D : diámetro de la hélice) es también considerada suficiente. Adicionalmente a las distancias mínimas mencionadas también se tiene en cuenta el mínimo volumen y la mínima sección del tanque. Aquí diferenciamos de acuerdo con el diámetro de la hélice, pues cuando mas grande es el diámetro mas elevada es la susceptibilidad a turbulencia. 79

80 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios de posicionamiento No instalar demasiado cerca a los muros del tanque o junto al fondo o la superficie del fluido : El agitador sumergible debe estar instalado lo mas cerca posible del fondo del tanque, con una distancia mínima entre punta de hélice y fondo del tanque de por lo menos 300 mm. La distancia hasta la superficie del fluido debe ser al menos 800 mm de forma a evitar la creación de vórtice en la aspiración. >0,8 >0,8 >0,3 >X >0,3 >0,3 >0,3 80

81 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios de posicionamiento Dimensiones recomendadas (*): dimensiones bajo consulta 81

82 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios de posicionamiento Dimensiones recomendadas prop = Diámetro de la hélice K B = Ancho del canal (*): dimensiones bajo consulta 82

83 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios de posicionamiento Dimensiones recomendadas prop = Diámetro de la hélice K B = Ancho del canal (*): dimensiones bajo consulta 83

84 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios de posicionamiento Dimensiones recomendadas (*): dimensiones bajo consulta 84

85 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios de posicionamiento Principios de Posicionamiento (*): dimensiones bajo consulta 85

86 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios básicos para la selección de un agitador Un agitador sumergible básicamente se empleará para: Promover agitación: homogeneización, mezcla y suspensión de sólidos. Orientativamente, para evitar sedimentaciones, en función del tipo de sólidos existentes: Sólidos velocidad de flujo [m/s] Lodos activos 0,10 Fangos no decantados 0,15 Arena fina (0,4 mm) 0,15 Arena (0,7 mm) 0,20 Arena gruesa (1,7 mm) 0,35 Crear un flujo para originar circulación en un canal. 86

87 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios básicos para la selección de un agitador variables a considerar Depósitos /balsas: Forma del tanque Dimensiones Situación entrada / salida Nivel de llenado Presión Material del tanque Liquido a agitar: Densidad Viscosidad Características del flujo Sólidos Valor de ph Corrosión Abrasión Otros: adhesivos, insoluble,etc 87

88 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Principios básicos para la selección de un agitador variables a considerar Proceso: Tipo: Agitación, homogeneización, suspensión de sólidos, generación de flujo etc. Funcionamiento continuo o discontínuo Tiempo de agitación Temperatura Velocidad de flujo requerida Densidad de energía requerida 88

89 Conceptos aplicados de agitación, agitadores sumergibles Parámetros de selección e instalación Check-list CHCK LIST 89

90 Nomenclatura (I) página 6 Q caudal m 3 /h Pe potencia volumétrica W/m 3 página 8 Re nº Reynolds --- ρ densidad del fluido Kg / m 3 G gradiente de velocidad s -1 n velocidad de rotación rev/s D diámetro del móvil m página 7 F fuerza N A area m 2 μ viscosidad ( dinámica o absoluta) N.s / m 2 v velocidad m/s r distancia entre placas m μ viscosidad ( dinámica o absoluta) N.s / m 2 página 9 Q caudal m 3 /h N Q nº caudal --- CHCK LIST D diámetro del móvil m τ tensión de cizalladura N / m 2 n velocidad de rotación rev/s G gradiente de velocidad s -1 90

91 Nomenclatura (II) página 11 P potencia W N P nº potencia --- ρ densidad del fluido Kg / m 3 n velocidad de rotación rev/s D diámetro del móvil m página 12 Θ angulo rad ω velocidad angular rad / s t tiempo s R radio m v velocidad (lineal) m / s P potencia W M momento ( de fuerza) N.m G gradiente de velocidad s -1 CHCK LIST Δ x longitud diferencial (eje x) m Δ y longitud diferencial (eje y) m Δ z longitud diferencial (eje z) m V volumen m 3 τ tensión de cizalladura N / m 2 91

92 Referencias principales TÍTULO AUTOR FUENTE Fluid Mixing technology James Young Oldshue Mc Graw Hill Handbook of industrial mixing. Science and Practice Mixing in the process industries Engineering Data on Mixing Edward L. Paul Victor A. Atiemo-Obeng Suzanne M. Kresta N. Harmby, M. F. Edwards, A.W. Niemow M. Mechaki M. Mochizuki K. Ogawa John Wiley & Sons Butterworth-Heinemann Elsevier Ingeniería química. Tomo II. Operaciones básicas M. Coulson J.F. Richardson Editorial Reverté, S. A. Operaciones unitarias en Ingeniería Química Warren L. Mc Cabe Mc Graw Hill Principios básicos a tener en cuenta en los problemas de agitación y mezcla Etude des Mobiles rotatifs a pales SABRE appliques aux problemes de l agitation et du chauffage des liquides en cuve Choosing an agitator The use of large Eddy simulation to study stirred vessel Hydrodynamics Paul Jonqueres R. Leenaerts Paul Jonqueres Patrice Cognart André Bakker CHCK LIST S.E.M S.E.M (Ponencia) XVI International Congress of Chemical Industries (Ponencia)10th European Conference on Mixing 92