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AGITADORES





La agitación se refiere a forzar un fluido por medios mecánicos para que adquiera un movimiento circulatorio en el interior de un recipiente. Los objetivos de la agitación pueden ser:

  • · Mezcla de dos líquidos miscibles (ej: alcohol y agua)
  • · Disolución de sólidos en líquido (ej.: azucar y agua)
  • · Mejorar la transferencia de calor (en calentamiento o enfriamiento)
  • · Dispersión de un gas en un líquido (oxígeno en caldo de fermentación)
  • · Dispersión de partículas finas en un líquido
  • · Dispersión de dos fases no miscibles (grasa en la leche)

Generalmente el equipo consiste en un recipiente cilíndrico (cerrado o abierto), y un agitador 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. 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. El agitador crea un cierto tipo de flujo dentro del sistema, dando lugar a que el líquido circule por todo el recipiente y vuelva de vez en cuando al agitador.

Los agitadores son instrumentos que forman parte de un biorreactor, los biorreactores en el proceso de mezclado proporcionan a las células de todos los sustratos necesarios para su crecimiento y reproducción . Para que la mezcla sea efectiva, el fluido impulsado por el rodete debe recorrer todo el recipiente en un tiempo razonable. Además, la velocidad del fluido impulsado por el rodete debe ser suficiente para arrastrar al material hacia las partes más alejadas del tanque y formar turbulencias (Dorán, 1998).

Objetivos de la agitación

  • Mezclar dos líquidos miscibles (ejemplo: alcohol y agua)
  • Realizar una disolución de sólidos en líquido (ejemplo: azúcar y agua)
  • Mejorar la transferencia de calor (ejemplo: en calentamiento o enfriamiento)
  • Realizar la dispersión de un gas en un líquido (ejemplo: oxígeno en caldo de fermentación)
  • Dispersión de partículas finas en un líquido
  • Dispersión de dos fases no miscibles (ejemplo: grasa en la leche).

Con frecuencia un agitador cumple diversos fines al mismo tiempo, como ocurre en la hidrogenación catalítica de un líquido ya que en el tanque de hidrogenación, el gas es dispersado a través del líquido donde se localizan las partículas sólidas de catalizador que se encuentran en suspensión, eliminándose al mismo tiempo, el calor producido en la reacción por medio de un serpentín o una camisa de refrigeración.
El proceso de agitación es uno de los más importantes dentro de la industria química porque el éxito de muchas operaciones industriales depende de una agitación y mezcla eficaz. Sin embargo, debido a la complejidad de los fenómenos de transporte involucrados, es uno de los procesos más difíciles de analizar y sobretodo de caracterizar.

El esquema de un agitador típico puede observarse en la figura inferior. Generalmente, el tanque de agitación es un recipiente circular, que puede estar cerrado o abierto en su parte superior. Para evitar zonas con bajas velocidades, las esquinas se eliminan empleando un fondo circular, la mayoría de las veces los agitadores son cilíndricos. Para aumentar la eficiencia del mezclado, se pueden instalar unos deflectores en la pared del tanque; así se evita que el fluido gire como un sólido rígido y que exista la formación de vórtices.


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Esquema de un Agitador.
CLASIFICACIÓN

Los agitadores se dividen en dos clases:
  • Agitadores de flujo axial: Los cuales generan corrientes paralelas al eje del agitador
  • Agitadores de flujo radial: Dan origen a corrientes en dirección tangencial o radial.

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Los tres tipos principales de agitadores utilizados en la industria son:
  • De Hélice
  • Paletas
  • Turbina

Cada uno de estos tipos comprende muchas variaciones y subtipos que no consideraremos aquí. En algunos casos también son útiles agitadores especiales, pero con los tres tipos antes citados se resuelven, quizás, el 95% de los problemas de agitación de mezclas.

Tipo de Agitadores

  • Agitadores de Hélice
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Poseen elementos impulsores de hojas cortas (menos de ¼ del diámetro del tanque); es un agitador de flujo axial, que opera con una velocidad elevada (500 rpm) y se emplea para líquidos que son poco viscosos. Los agitadores de hélice más pequeños, giran a toda la velocidad del motor. Las corrientes de flujo, que parten del agitador, se mueven a través del líquido en una dirección determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque. La columna de remolinos de líquido de elevada turbulencia, que parte del agitador, arrastra en su movimiento al líquido estancado, generando un efecto considerablemente mayor que el obtenido mediante una columna equivalente creada por una boquilla estacionaria. Las palas de la hélice cortan o friccionan vigorosamente el líquido. Debido a la persistencia de las corrientes de flujo, los agitadores de hélice son eficaces para tanques de gran tamaño.
A continuación mostramos el agitador más común llamada hélice marina. Estos agitadores son recomendables para corrientes de gran tamaño. Usualmente en tanques de gran altura, se suelen disponer de dos o mas hélices sobre el mismo eje, moviendo el líquido en la misma dirección.
Figura 1.- Fotografía de una Hélice Marina
Figura 1.- Fotografía de una Hélice Marina



Simulación de un agitador tipo hélice para un reactor anaerobio de tratamiento de aguas residuales:












  • Agitadores de Paletas

Es un agitador radial, compuesto de paletas que giran a velocidades bajas o moderadas en el centro del tanque, impulsando al líquido radial y tangencialmente, sin que exista movimiento vertical respecto del agitador, a menos que las paletas estén inclinadas. El número de paletas varia dependiendo de su complejidad, un agitador eficaz está formado por una paleta plana que gira sobre un eje vertical (empleado para problemas sencillos); mientras que para la mayoría de casos, son corriente los agitadores formados por dos y 3 paletas.

Las corrientes de líquido que se originan se dirigen hacia la pared del tanque y después siguen hacia arriba o hacia abajo. Las paletas también pueden adaptarse a la forma del fondo del tanque, de tal manera que en su movimiento rascan la superficie o pasan sobre ella con una holgura muy pequeña. Estos agitadores son útiles cuando se desea evitar el depósito de sólidos sobre una superficie de transmisión de calor, como ocurre en un tanque enchaquetado, pero no son buenos mezcladores.

En los agitadores industriales, las paletas giran a una velocidad comprendida entre 20 y 150 rpm, con una longitud del rodete aproximadamente de 50 al 80% del diámetro interior del tanque. La anchura de la paleta es de un sexto a un décimo de su longitud. Hay que tomar en cuenta que 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.

Por lo general producen una agitación suave y no requieren de placas deflectoras o corta corrientes, las cuales son necesarias en velocidades elevadas.

Figura 2.- Esquema de un Agitador de Paletas
Figura 2.- Esquema de un Agitador de Paletas

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Figura 3.- Tipos de agitadores de paletas

  • Agitadores de Turbina

Están constituidos por un componente impulsor con más de cuatro hojas, montadas sobre el mismo elemento y fijas a un eje rotatorio. Son eficaces para un amplio rango de viscosidades. Se usan por ejemplo para dispersar un gas en un liquido.La mayor parte de ellos se asemejan a agitadores de múltiples y cortas paletas, que giran con velocidades elevadas sobre un eje que va montado centralmente dentro del tanque. Las paletas pueden ser rectas o curvas, inclinadas o verticales.Pueden utilizarse para materiales bastante viscosos que los adecuados para hélices, aunque la potencia consumida es mucho mayor .
El rodete puede ser abierto, semicerrado o cerrado. 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.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.
La turbina Rushton es ideal para la fermentación. Las paletas de hélices Rushton son planas y colocadas verticalmente a lo largo del eje de agitación, produciendo un flujo radial unidireccional; por lo común son utilizadas en la fermentación de líneas celulares que requieren altas tasas de oxígeno tales como la levadura, bacterias y algunos hongos.

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Diferentes agitadores de turbina








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 trituramientos del producto. Los agitadores de acoplado de engranaje (caja reductora), son eficientemente usados en productos con mas alta viscosidad o
aplicaciones con un volumen mas elevado. Estos agitadores varían desde 1/4 a 5 caballos de fuerza (HP), y son disponibles con siete diferentes velocidades, y con una variedad de hélices. Estos agitadores son disponibles ya sea con motor eléctrico, o motores de aire, así como también pueden ser equipados con variador de velocidades.

Beneficios claves:

  • Fabricados para operación continua
  • Agitadores de este tipo son equipados con ANSI cobertura, con selladores de empaquetaduras o mecánicos, para uso con tanques cerrados. También son disponibles con base cuadrada para ser montados en tanques abiertos donde selladores no son necesarios, esta montadura también las hay en ángulo para dar una mayor eficiencia a la aplicación.
  • Engranaje helicoidales, con un alto factor de servicio, y lubricación de por vida.


Selección del Equipo de Agitación



La selección del tipo de agitador a emplear, se basa en las propiedades reológicas del fluido, particularmente de la viscosidad del fluido: elevada, media o baja. En el siguiente link se muestran más detalladamente los parámetros de diseño de los agitadores para la industria con el fin de tener una solución óptima desde el punto de vista técnico y económico.


Agitador





Parámetros de Diseño

  • Tamaño:
Depende del tipo de agitador, las propiedades del fluido, los objetivos de agitación y de la geometría del tanque.
Turbina:0,3 ≥ d/Dt ≤ 0,60,2 ≥ d/Dt ≤ 0,5 flujo turbulento0,7 ≥ d/Dt ≤ 1 flujo laminar

  • Velocidad de circulación:
Se denomina velocidad de circulación o capacidad de bombeo, al volumen de fluido puesto en movimiento por el rodete en una unidad de tiempo. Para que el proceso de agitación dentro del taque sea eficaz, independientemente de la naturaleza del problema de agitación, la velocidad volumétrica del flujo jha de ser suficiente para renovar el volumen total del mezclador en un tiempo razonable. Por otra parte la velocidad de la corriente que abandona el rodete ha de ser lo suficientemente elevada, para que influencia llegue a las partes mas elevadas del tanque, ya que de lo contrario las substancias que ocupan esas partes no llegarían a mezclarse. La corriente que abandona el rodete, transporta una cantidad definida de energía cinética y esta energía cinética se disipa por fricción debido a los esfuerzos cortantes, a medida que la corriente fluye a través de la masa de líquido. Si la energía cinética es demasiado pequeña, la corriente no llega a alcanzar los rincones más alejados del tanque, por consiguiente, es necesario que la velocidad del fluido se tal que proporcione una cinética superior a un cierto valor mínimo. La velocidad de flujo de un agitador de turbina o de paletas, de tamñao y de forma detrminados y que operan dentro de un tanque que contiene un líquido determinado, es proporcional a la magnitud nD3, siendo la n la velocidad de giro del agitador en r.p.m y D el diámetro del rodete. Para agitadores de hpelice ela velocidad de flujo es proporcional a nD 2.

  • Velocidad en la punta del agitador

Corresponde a la velocidad angular multiplicada por el radio del agitador
V= π*N*d

N: velocidad de rotaciónd :diámetro del agitador

  • Ubicación:
La ubicación de los agitadores en el tanque depende del tipo de turbina, sin embargo, para los agitadores: turbina de Rushton, Canalete y Hélice marina; la relación diámetro del agitador y altura en el tanque es de 1.

  • Escala de Agitación
La escala de agitación mide la intensidad de mezcla. Sus valores están comprendidos entre 1 y 10, donde 1 es un valor para agitación suave, mientras que 10, se considera agitación violenta. Esta escala de agitación se obtiene a partir de la relación entre la capacidad de bombeo del agitador y la sección del tanque.

  • Mejora de la Mezcla
Una forma de mejorar la mezcla es mediante la colocación de varios rodetes, cuando se tiene un tanque alargado con alturas de líquidos significativamente superiores al diámetro del tanque.Esto produce una mayor presión hidrostática en el fondo del recipiente y permite un mayor tiempo de contacto de las burbujas de aire con el líquido conforme ascienden.La distancia entre rodetes debe ser: 1 o 1,5 veces el diámetro del rodete.


Agitacion-digestor
Agitacion-digestor


Problemas

  • Flujo circular

En este tipo de flujo, el líquido se mueve de manera laminar y existe poca mezcla entre el fluido situado a diferentes alturas del tanque; el fluido circular tiende a su vez a formar vórtices. A velocidades altas de rotación el vórtice puede alcanzar incluso la parte inferior del rodete por lo que el gas del ambiente se introduce en el líquido.En el diseño de tanques agitados, la prevención del flujo circular es indispensable y se consigue mediante la instalación de deflectores que interrumpen el flujo circular y crean turbulencias en el fluido.

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A continuación se muestran otros problemas que se pueden dar en un tanque agitado:

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Cuando no se presentan remolinos, el tipo de flujo específico depende del tipo de rodete:


  • Los agitadores de hélice impulsan el líquido hacia el fondo del tanque, desde donde la corriente se extiende subiendo por las paredes y retornando hacia la hélice. Se emplean cuando se desean intensas corrientes verticales, por ejemplo para mantener en suspensión partículas sólidas pesadas. No se emplean cuand la viscosidad del líquido es superior a los 5.000 centipoises.

  • Los agitadores de paletas producen un flujo radial intenso en el plano próximo a las palas, pero prácticamente no dan lugar a corrientes verticales. Estos agitadores no son eficaces para mantener sólidos en suspensión.

  • Los agitadores de turbina impulsan al líquido radialmente contra las paredes laterales del tanque, desde donde la corriente se divide, una parte fluye hacia arriba y otra parte hacia el fondo, retornando ambas al rodete. Por lo que producen dos corrientes de circulación separadas. Dan excelentes resultados en la mezcla de líquidos que tienen aproximadamente la misma densidad relativa.

En el siguiente video se muestran algunos diseños de rodetes existentes en el mercado, dependiendo de las propiedades fisicoquímicas del fluido (vicsocidad, densidad, volumen, etc) asi como tambien de la geometría del tanque y las condiciones de flujo.




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.

  • · 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. Si el eje del agitador está desplazado del centro o inclinado, no se necesitan placas deflectoras.
  • Cuando no se presentan remolinos, el tipo de flujo específico depende del tipo de rodete:
  • · Los agitadores de hélice impulsan el líquido hacia el fondo del tanque, desde donde la corriente se extiende subiendo por las paredes y retornando hacia la hélice. Se emplean cuando se desean intensas corrientes verticales, por ejemplo para mantener en suspensión partículas sólidas pesadas. No se emplean cuando la viscosidad del líquido es superior a los 5.000 centipoises.
  • · Los agitadores de paletas producen un flujo radial intenso en el plano próximo a las palas, pero prácticamente no dan lugar a corrientes verticales. Estos agitadores no son eficaces para mantener sólidos en suspensión.
  • · Los agitadores de turbina impulsan al líquido radialmente contra las paredes laterales del tanque, desde donde la corriente se divide, una parte fluye hacia arriba y otra parte hacia el fondo, retornando ambas al rodete. Por lo que producen dos corrientes de circulación separadas. Dan excelentes resultados en la mezcla de líquidos que tienen aproximadamente la misma densidad relativa.





Referencias:

Warren L. McCabe & Smith Julian (1981). Operaciones básicas de ingeniería química, Volumen 1. Reverte. Barcelona-España