INTRODUCCION INTRODUCCION: El mezclado juega un papel muy importante en el procesamiento de muchos productos, tales procesos de la industria, requieren.

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2 INTRODUCCION INTRODUCCION: El mezclado juega un papel muy importante en el procesamiento de muchos productos, tales procesos de la industria, requieren de algún tipo de agitación en sus preparaciones. La agitación es, sin duda, una de las operaciones más comunes en todas las industrias, es decir, alimenticia, química, farmaceútica, cosmética, etc. Si no fuese por la agitación, no se podrían obtener productos dentro de éstas industrias. –Algunos sistemas de tratamiento de aguas y residuos industriales también tienen necesidad de agitación como por ejm.: Aireadores, floculadores, sistemas de arrastre, etc. Los requerimientos de mezclado varían e incluyen: Mezcla de fluídos viscosos o no viscosos, suspensión de sólidos en líquidos, dispersión de gases o sólidos en líquidos, transferencia de masa y transferencia de calor. El tipo de agitación para un proceso dado, también varía, desde baja intensidad de energía (agitación lenta) hasta intensidad de energía alta (agitación rápida), los cuales requieren de alto nivel de esfuerzo cortante y turbulencia. REOLOGIA: Una cierta fuerza (F) es necesaria para mover un líquido, el esfuerzo cortante (Shear stress) (  ) es por definición, la fuerza (F) dividido entre el área (A) del fluído donde actúa F. El movimiento (W) es la velocidad de corte (Shear velocity). El cambio en la velocidad de corte con respecto al espesor de la capa del fluído, es generalmente designada como el valor de corte, tasa de corte o gradiente de corte (  ).

3 INTRODUCCION Se habla de un fluido newtoniano, si la resistencia en contra del movimiento, medida como corte (  ) es proporcional a la velocidad (W). La constante de proporcionalidad se conoce como viscosidad dinámica (n) y es una propiedad del material independiente del corte en campo (Field shear) en los líquidos newtonianos. Los materiales con viscosidades desde abajo de 1 hasta 100,000 mPa  s (1 mPa  s = 1 cps) pueden ser procesados por medio de agitación. En forma general se habla de tres rangos de viscosidad: Baja, media y alta.  Viscosidad baja:  500 cps.  Viscosidad media: 501 - 5,000 cps. Viscosidad alta:  5,000 cps. PARAMETROS: La viscosidad dinámica de materiales puros, es principalmente influenciada por la temperatura, presión, corte y tiempo. A veces resultan algunas dependencias adicionales de la mezcla de materiales de diferentes características. La viscosidad dinámica de fluidos newtonianos, usualmente muestra una fuerte dependencia a la temperatura, pero es independiente del corte y del tiempo. Los líquidos cuya viscosidad depende del corte y/o tiempo son llamados fluidos NO NEWTONIANOS y se puede decir que son anomalías de flujo. PROPIEDADES DE FLUJO: –En la literatura, (HANDBOOK OF MIXING TECHNOLOGY EKATO 1991). se ha reportado que los fluidos newtonianos llegan a no tener dependencia de la viscosidad sobre el corte, mientras que los fluidos no newtonianos se ven influenciados por el corte. –PSEUDOPLASTICO: Por mucho, el flujo anormal más frecuente, es el pseudoplástico. En éste caso, la viscosidad decrece con el incremento del corte, el corte , por lo tanto, aumenta en forma no lineal con la tasa de corte. Los valores correspondientes de viscosidad, pueden ser calculados si el corte, factor de consistencia e índice de flujo son conocidos. El conocer la viscosidad del fluido es de gran importancia en la tecnología de la agitación. El número de potencia de un impulsor requerido, para el cálculo de la potencia, depende de la viscosidad. DILATACION: Este comportamiento de flujo es aquel contrario al del pseudoplástico. Es poco frecuente encontrar éste medio, por lo que se requiere consideración especial para diseñar el agitador debido a que el esfuerzo cortante  se incrementa en forma no lineal con la tasa de corte. Mientras que la viscosidad aumenta al aumentar el corte.

4 INTRODUCCION FLUIDO BINGHAM: Plasticidad es un flujo anormal que ocurre frecuentemente a cortes pequeños. Se entiende que una substancia plástica se comporta como un cuerpo sólido elástico a cortes pequeños. La substancia empieza a fluir solamente a un corte mínimo  = 0, éste corte se conoce generalmente como: Límite de flujo. Las sustancias plásticas por lo general se comportan como fluidos pseudoplásticos, los cuales han sobrepasado el límite de flujo. TIXOTROPIA / REOPEXIA (TIXOTHROPY / RHEOPEXY): Estos son 2 fenómenos que son dependientes del tiempo. Con materiales tixotrópicos la viscosidad decrece bajo el efecto del corte a lo largo del tiempo de agitación. En ausencia de una aplicación de corte, el fluido se regenera y casi se aproxima a su viscosidad original (fenómeno de histerésis), el proceso inverso se conoce como reopexia. La tixotropía por lo general ocurre en conexión con la pseudoplasticidad y plasticidas. La causa para ésta anomalía de flujo es la deformación de estructuras multimoleculares entre moléculas vecinas. Debido a fuerzas de atracción, ésta molécula es destruida por la aplicación de corte y por lo tanto, la viscosidad se incrementa, después de cierto tiempo, el corte y las fuerzas moleculares alcanzan un equilibrio, por lo que se tiene una viscosidad aparente. Al eliminar el corte, las estructuras se reconstituyen parcialmente en la fase de regeneración. Los flujos de comportamiento que dependen del tiempo, son importantes durante el procedimiento de arranque del sistema de agitación, debido a que requieren de un torque (par) alto.

5 CONCEPTOS UTILES ENDOTERMICA.- UNA REACCION ES NOMBRADA ENDOTERMICA CUANDO ABSORBE EL CALOR, LA DISOLUCION DE ACIDO CÍTRICO EN AGUA ES UN EJEMPLO. EXOTERMICA.- UNA REACCION ES NOMBRADA EXOTERMICA CUANDO GENERA CALOR. LA DISOLUCION DE SOSA CAUSTICA ES UN EJEMPLO. NUMERO DE FROUDE.- ES UN NUMERO ADIMENSIONAL QUE REPRESENTA LA RELACION DE LAS FUERZAS DE INERCIA ENTRE LA FUERZA GRAVITACIONAL, TIENE EFECTO CUANDO LAS FUERZAS DE GRAVEDAD SON SENSIBLES, LO QUE SE CARACTERIZA POR LA FORMACION DE UN VORTICE EN LA SUPERFICIE DEL FLUIDO. INVERSION DE FASES.- DEBIDO A EFECTOS MECANICOS O TERMICOS MUY SEVEROS, CARACTERIZAN UNA EMULSION EN DONDE LA FASE DISPERSA SE CONVIERTE EN LA FASE CONTINUA Y VICEVERSA. VISCOSIDAD APARENTE.- CARACTERISTICA DE LOS FLUIDOS NO NEWTONIANOS, LA VISCOSIDAD APARENTE ES DEFINIDA COMO LA RELACION ENTRE EL ESFUERZO CORTANTE Y VELOCIDAD DE CORTE. VISCOSIDAD CINEMÁTICA.- SE DEFINE COMO LA RELACION ENTRE LA VISCOSIDAD DINAMICA Y LA MASA VOLUMETRICA O DENSIDAD DEL FLUIDO. SE INTERPRETA COMO EL COEFICIENTE DE DIFUSION DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO. VISCOSIDAD DINAMICA.- PROPIEDAD DE UN FLUIDO, LA VISCOSIDAD DINAMICA SE LE CONOCE COMUNMENTE COMO VISCOSIDAD, CARACTERIZA LA RESISTENCIA AL MOVIMIENTO DEL FLUJO. ESTA DADO POR EL COEFICIENTE DE PROPORCIONALIDAD ENTRE EL ESFUERZO CORTANTE TANGENCIAL A LA VELOCIDAD DE DESPLAZAMIENTO Y LA VELOCIDAD DE CORTE. A UNA VELOCIDAD CONSTANTE, SI LA VISCOSIDAD DEL FLUIDO SE ELEVA, LA FUERZA NECESARIA PARA DESPLAZAR EL FLUJO ES MAYOR. ES DECIR SE NECESITA MAS POTENCIA. SI SE APLICA UNA FUERZA CONSTANTE AL FLUIDO, Y SI HAY UN INCREMENTO EN LA VISCOSIDAD SE GENERA UN MENOR DESPLAZAMIENTO DEL FLUIDO.

6 CARACTERISTICAS DE LA POTENCIA LA CARACTERISTICA DE POTENCIA ES UNA PRESENTACION GRAFICA DE LA FORMA EN QUE EL NUMERO DE POTENCIA CAMBIA COMO FUNCION DEL NUMERO DE REYNOLDS. LA FIG 1 MUESTRA LA CARACTERISTICA DE POTENCIA DE 4 TURBINAS. EN REALIDAD LO QUE SE DEBE GRAFICAR ES  VS Re, DONDE  = Np / Fr, SI EL AGITADOR SE ENCUENTRA EN UN RECIPIENTE CON MAMPARAS ENTONCES  = Np, YA QUE Fr=1, ENTONCES SE GRAFICA EN COORDENADAS LOG-LOG Np VS Re. A CADA GRAFICA LE CORRESPONDE UNA CONFIGURACION PARTICULAR GEOMETRICA, PERO INDEPENDIENTE DEL TAMAÑO DEL RECIPIENTE. 1.-REGION COMPLETAMENTE LAMINAR: EN EL RANGO DONDE Re<10, EL FLUIDO ALREDEDOR DEL IMPULSOR SE MUEVE CON LA ROTACION DEL IMPULSOR Y LA DISTANCIA DEL FLUIDO CON RESPECTO AL IMPULSOR ES ESTACIONARIA. POR LO TANTO EL ESTADO DE MEZCLADO ES INFERIOR Y EL TIEMPO DE MEZCLADO ES EXTREMADAMENTE ALTO. EN ESTA REGION, EL FLUJO DEL FLUIDO ES LAMINAR Y LA RESISTENCIA A LA ROTACION DEL IMPULSOR ES MERAMENTE RESISTENCIA VISCOSA. POR TAL MOTIVO Np ES INVERSAMENTE PROPORCIONAL AL Re. EL EFECTO CENTRIFUGO DEBIDO A LA ROTACION DEL IMPULSOR ES DESPRECIABLE Y EL FLUJO DE DESCARGA ES DEBIL. 2.- REGION PARCIALMENTE LAMINAR.- CUANDO EL NUMERO DE Re SE INCREMENTA A MAS DE 10, LA FUERZA CENTRIFUGA DEBIDO A LA ROTACION DEL IMPULSOR YA NO ES DESPRECIABLE Y SE GENERA DESCARGA DE FLUJO LA CUAL CONTRIBUYE A LA TRANSFERENCIA DE MOMENTUM ANGULAR A UNA PARTE DISTANTE DEL LIQUIDO. POR LO TANTO, EL LIQUIDO APARTADO DEL IMPULSOR COMIENZA A FLUIR DE TAL FORMA QUE LA CURVA Np VS Re SE DESVIA DE LA LINEA RECTA, EN ESTA REGION, EL MEZCLADO SE MEJORA PERO DOMINA EL EDO ESTACIONARIO (STAGNANT STATE) DE LA FORMA DE DONA QUE APARECE EN LA PARTE SUPERIOR E INFERIOR DE LA TURBINA. 3.- REGION DE TRANSICION.- CUANDO EL NUMERO DE Re SE INCREMENTA A UNOS CIENTOS, EL FLUJO ALREDEDOR DE LA TURBINA SE CONVIERTE EN TURBULENTO, EN LA REGION C, EL FLUJO DE DESCARGA SE INCREMENTA NOTABLEMENTE, AHORA LA ZONA ESTACIONARIA (STAGNANT ZONE) QUE SE OBSERVA EN LA REGION A Y B DESAPARECE. SI SE SIGUE INCREMENTANDO EL NUMERO DE Re, EL RANGO DE TURBULENCIA SE INCREMENTA, HASTA LOGRAR UNA REGION TURBULENTA PREDOMINANTE, A LA REGION C SE LE CONOCE COMO DE TRANSICION YA QUE FLUJO TURBULENTO Y LAMINAR COEXISTEN.

7 TIEMPO DE MEZCLADO 4.- REGION COMPLETAMENTE TURBULENTA.- EN ESTA REGION EL NUMERO DE Re ES MAYOR A 10^3, EN UN RECIPIENTE SIN MAMPARAS EL FLUJO TANGENCIAL ES EL QUE PREDOMINA Y SE TIENE UNA CIRCULACION SECUNDARIA DEBIL. EN UN RECIPIENTE CON MAMPARAS EL FLUJO TANGENCIAL DISMINUYE Y AMBAS VELOCIDADES RADIALES Y AXIALES SE INCREMENTAN. TIEMPO DE MEZCLADO.- SE PUEDE OBTENER EL TIEMPO DE MEZCLADO POR MEDIO DE GRAFICAS COMO LA QUE SE MUESTRA EN LA FIG. 4. TAMBIEN SE PUEDE REALIZAR UN CALCULO MUY SENCILLO, COMO SIGUE: T (S) = K * V / Q DONDE:: V = VOLUMEN EN m ^3 Q = CAUDAL EN m ^3 / s K = COEFFICIENTE QUE DEPENDE DEL PRODUCTO, SE PUEDE DETERMINAR EN EL LABORATORIO Y VARIA ENTRE 10 Y 1000. UNA APROXIMACION UTIL PARA DETERMINAR K ES TOMAR DE TABLA EL VALOR PROPUESTO PARA K. VER TABLA PAG 21. FIG 1. A B C

8 FUNDAMENTOS DE MEZCLADO CONFIGURACION TIPICA DE UN SISTEMA DE AGITACION –MOTOR (CERRADO O A PRUEBA DE EXPLOSION) VELOCIDAD 1750 RPM´S –REDUCTOR (FLECHA LINEAL Y EN PARALELO) –TORRETA DE GUIA..- SI LA FLECHA ES DEMASIADO LARGA (> 1,500 mm) Y EL EQUIPO NO PUEDA RESISTIR TODOS LOS ESFUERZOS (RADIAL, TANGENCIAL Y AXIAL), QUE EXISTEN EN EL TANQUE. –FLECHA. LOS ESFUERZOS DEL TANQUE Y LA LONGITUD DE LA FLECHA SON LAS VARIABLES QUE SE TOMAN EN CUENTA PARA EL CALCULO DEL DIAMETRO DE LA FLECHA –TURBINAS. CADA TIPO DE TURBINA TRABAJA EN UN RANGO DE VELOCIDAD Y CON UNA RELACION ENTRE EL DIAMETRO DEL TANQUE (D) Y EL DIAMETRO DE LA TURBINA (d), D / d. –EL DISEÑO ESTANDAR DE LOS TANQUES RELACIONA DOS VARIABLES, UNA DE ELLAS ES LA ALTURA FINAL DEL LIQUIDO AL TERMINO DEL PROCESO DENOMINADA COMO Z Y EL DIAMETRO DEL TANQUE. Z / D = DE 1 A 1.3. D d

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10 FUNDAMENTOS DE MEZCLADO TURBINA TIPO HELICE MARINA: Generalmente se utiliza en agitadores de grandes volúmenes (100,000 lts en adelante) y solamente para mantener un líquido previamente mezclado, en circulación. Actualmente RAYNERI no recomienda el uso de ésta turbina para realizar mezclas, ya que carece de corte, su caudal de bombeo es pobre y consume una gran potencia y por lo tanto, energía eléctrica. Es más eficiente cuando se utiliza a 340 RPM, pero introduce una gran cantidad de aire a la mezcla, razón por la cual su uso es limitado en la actualidad.  TURBINA TIPO TIFON: Esta turbina se fabrica en 3 tipos: PSVH (Flujo axial ascendente), PSVB (Flujo axial descendente) y PA (Flujo alternado). La de flujo alternado puede ser que proporcione el flujo alternado con una sola turbina o producir un flujo alternado entre 2 turbinas, la superior de tipo PSVH y la inferior de tipo PSVB. Esta turbina tiene un gran caudal de bombeo y tiene mediana capacidad o aporte de corte. Esta turbina tiene la versatilidad de trabajar con pequeños volúmenes o trabajar al mismo tiempo que se vacía el tanque y puede ser lenta o rápida, es decir, trabaja eficientemente de 170 a 1,750 RPM. Introduce poco aire a la mezcla, lo que disminuye el tiempo de reposo para extraer el aire del producto posterior a la mezcla.

11 FUNDAMENTOS DE MEZCLADO  TURBINA TIPO TRIALETADA o TRES PALAS PERFILADAS: Es una turbina muy eficiente para el mezclado debido a su excelente y gran caudal de bombeo, lo que hace que logre la mezcla con poco consumo de potencia y en un tiempo reducido, su capacidad de corte es baja pero sin embargo la tiene. Esta turbina es lenta y su mayor eficiencia la ve cuando trabaja por debajo de 150 RPM, introduce muy poco o nada de aire a la mezcla, lo cual es ideal en la mayoría de las aplicaciones donde se utiliza. TURBINA TRIALETADA BIDIRECCIONAL: Con las mismas características de la anterior pero con unos accesorios que permiten la combinación de los 2 tipos de bombeo o patrones de flujo, es decir, axial y radial.

12 FUNDAMENTOS DE MEZCLADO TURBINA CENTRIPETA: Utilizada para disolución de polvos, dilución de pastas, etc. Esta turbina asegura una mezcla íntima de los componentes en un tiempo mínimo proporcionando una homogeneización integral. Sus conos invertidos aseguran un equilibrio radial y axial de la flecha, es decir, la suma del esfuerzo radial y axial, se anulan. Tiene gran capacidad de succión, por lo que se utiliza eficientemente para la introducción de sólidos en forma de polvo o gránulos dentro de líquidos directamente en la turbina, asegurando una mezcla casi instantánea. Esta turbina también puede ser lenta o rápida.  TURBINA CENTRIFUGA: Tiene efecto radial con gran capacidad de succión para la absorción y dispersión en medios pastosos y tixotrópicos, genera un gran caudal, permitiendo la reducción de tiempos de fabricación.

13 FUNDAMENTOS DE MEZCLADO  TURBINA SEVIN o DE BRANQUIAS: Util para producir pastas a partir de productos espesos y abrasivos, su estructura permite dispersiones y empastados a velocidades periféricas menores, lo que genera un desgaste menor de la turbina.  TURBINA DE DISPERSIÓN: Muy versátil, permite empastados de concentración fuerte obtenidos a partir de polvos, pigmentos, cargas, bloques sólidos, granulados, etc. Tiene gran capacidad de corte y poco caudal de bombeo, por lo que cuando se tiene que dispersar grandes volúmenes o de viscosidades muy altas, ésta turbina se utiliza como movimiento central rápido en los agitadores coaxiales de RAYNERI, normalmente trabaja de 900 a 1,750 RPM y su diámetro en relación al diámetro del tanque, es decir, relación D/d=5.

14 FUNDAMENTOS DE MEZCLADO  TURBINA DE CENTRI-DISPERSION (CENTRI-DEFLOCULEUSE): Turbina de alta velocidad que combina las propiedades de la centrífuga y de la dispersión, tiene buen caudal de bombeo, muy buena capacidad de corte, por lo que aporta buena finura de acabado de la mezcla, requiere de un consumo de energía mínimo, su relación D/d = 5 y trabaja a las mismas velocidades que la anterior. TURBINA DE CORTE (CUTTING): El perfil de sus agudos y afilados dientes, que normalmente son 6, le permite tener una muy elevada y excelente capacidad de corte, aunque un caudal de bombeo pobre. Es muy útil para cortar, reducir, desfibrar productos tales como hojas, fibras, pedazos grandes de caucho, etc. Trabaja a las mismas velocidades que las anteriores y su relación D/d es la misma

15 FUNDAMENTOS DE MEZCLADO  TURBINA DE EMULSION TIPO ROTOR/ESTATOR: Compuesta de un rotor (parte que gira) y un estator (parte fija), dejando un espacio de 0.5 mm entre uno y otro, lo que confiere al producto que pasa por ella un corte muy elevado y eficiente, asegurando un tamaño de partícula de entre 5 y 10 micras. Es muy útil para la fabricación de emulsiones finas de líquido-líquido y líquido-sólido no miscibles, tiene doble efecto de aspiración, por arriba y por abajo de la turbina, es ideal para la mezcla de una fase acuosa dentro de una fase oleosa y visceversa. Los emulsores RAYNERI pueden ser colocados en forma vertical suspendidos por arriba del tanque o fijos a este por medio de brida o pueden ser colocados en fondo de tanque. Por su gran capacidad de corte y transferencia de calor, también se utilizan como movimiento central rápido en los coaxiales, ya sea por arriba o en fondo de tanque.  TURBINA DE MARIPOSA (PAPILLON): Muy eficiente para la mezcla de productos que no coagulan y que son muy espesos o viscosos, como: Plastisoles, resinas cargadas, tintas, cemento, chocolate, etc. Es una turbina lenta, como opción puede tener brazos con raspadores articulados de PTFE.

16 FUNDAMENTOS DE MEZCLADO  TURBINA TIPO ANCLA: Aleta de homogeneización con raspadores articulados de teflón, perfecta para el intercambio de calor en productos de alta viscosidad, ideal para ayudar al vaciamiento total del tanque y permite que el producto no se estanque en la periferia de este. Normalmente siempre se utiliza dentro de la gama de agitación coaxial, trabajando a velocidades < 60 RPM y en el mismo sentido de rotación que el movimiento central. TURBOTEST

17 COMO CALCULAR UN AGITADOR. NUMERO DE REYNOLDS: Este parámetro nos indica en que régimen de flujo va a trabajar nuestro agitador, es importante porque de él depende si introducimos o no aire a la mezcla, el cual para algunos productos o aplicaciones es NO deseable. En un régimen laminar, hay poca o nada de introducción de aire a la mezcla (Dentro de este régimen trabajan los agitadores lentos), en el régimen turbulento hay gran introducción de aire a la mezcla (Aquí trabajan los agitadores rápidos). Existe el transitorio, el cual es un estado intermedio. El número de Reynolds influye directamente en la potencia del agitador. La fórmula es la siguiente: Re = 1.667 x 10^nⁿ x ρ x N x D² μ –Donde: –n = -5 –ρ = Densidad del producto kg / dm^3 –N = Velocidad de salida del motor o motorreductor en RPM. –D = Diámetro de la turbina expresado en mm. –μ = Viscosidad del producto expresado en Pa * seg (1 Pa * seg = 10 poises = 1,000 cps). Otra fórmula es la siguiente: Re = ρ x N x D² µ –Donde: –ρ = Densidad Kg/m^3 –N = Velocidad del motor o motorrreductor en Rev / seg –D = Diámetro de la turbina expresado en m. –µ = Viscosidad expresada en Pa*seg. POTENCIA DEL MOTOR: Una de las fórmulas para determinarla, según el tipo de unidades que se estén utilizando y dependiendo del autor, es la siguiente, más adelante se menciona otra fórmula que también resulta útil y sencilla para algunas aplicaciones. P = Np x D^nⁿ x N³ x ρ – (115,800) (33,000) –Donde: –n = 5 –Np = Número de potencia de la turbina (Este se consulta en tablas de literatura especializada o se calcula).

18 COMO CALCULAR UN AGITADOR Se puede calcular con la siguiente fórmula). Np = 2.158 x 10^nⁿ x P ρ x N³ x Dª Donde: nⁿ = 17, ª = 5 P = Potencia del motor Watts. ρ = Densidad Kg/m^3 N = rpm´s D = mm µ = Viscosidad expresada en Pa*seg Otra fórmula para la potencia del motor es la siguiente, algunos autores la manejan como fórmula universal P = Np x ρ x N³ x D5 Donde:  P = Potencian Watts.  Np = Número de potencia.  ρ = Densidad expresada en kgs/m³.  N = Velocidad del motor en Rev / seg  D = Diámetro de la turbina expresada en m.  µ = Viscosidad expresada en Pa·seg  1 Pa·seg = 1,000 cps (centipoises). Como podemos apreciar, para determinar la potencia de un agitador, hay que considerar varios factores, como son la densidad del producto, la viscosidad, etc.

19 COMO CALCULAR UN AGITADOR TIPO DE TURBINA: El tipo de turbina de agitación o de mezcla, es lo siguiente que se debe de considerar, esto lo hacemos consultando tablas específicas para eso en la literatura especializada.. VELOCIDAD PERIFERICA: Esta es la velocidad que la turbina de agitación imparte a una partícula para recorrer todo el diámetro de la turbina, se basa en el concepto básico de velocidad, que es, distancia sobre tiempo (d/t). La velocidad periférica se mide en mts./seg. (metros por segundo) y en la literatura especializada ya están establecidos los parámetros ideales de velocidad periférica para cada tipo de mezcla a realizar.. CAUDAL DE BOMBEO: El caudal de bombeo se conoce en la literatura como Q, el caudal nos indica cuantas veces el volumen útil del tanque pasa por la turbina de agitación en un periodo determinado de tiempo, que normalmente utilizamos 1 hr. Este parámetro se puede consultar en las tablas, ya que para cada tipo de turbina, se ha establecido o medido su caudal a varias potencias, varios diámetros y con algunas otras variables. También se puede calcular con la siguiente fórmula. Q = Nq x N x D³ x 60 Donde: Nq = Número de bombeo, este factor está ya determinado para cada tipo de turbina de cada fabricante en la literatura especializada, se consulta en tablas. Esta fórmula utiliza una relación entre la velocidad de salida del motor o motorreductor (RPM), el diámetro de la turbina expresado en metros y elevado al cubo y el factor de caudal o número de bombeo de la turbina elegida, todo es multiplicado por 60 para obtener m³/hr. También en la literatura encontrará tablas que le indican el caudal de cada turbina bajo ciertas variables como son RPM, potencia del motor, diámetro de la turbina, etc. Por ejm.: –TURBINA TRIALETADA de 600 mm de diámetro. –A una potencia de 1.1 kW (1.5 HP) a 120 RPM. –Tiene un caudal de 1,300 m³/hr. –Aporta una velocidad periférica de 3.7 mts/seg –Y sirve para agitar un volumen de 4.5 – 9 m³.

20 COMO CALCULAR UN AGITADOR A continuación se muestra una tabla que sirve como guía para conocer las velocidades y los caudales para cada aplicación. Cabe hacer notar, que a cada turbina de agitación, se le ha asignado un parámetro ideal de velocidad periférica y de caudal, este parámetro varía en relación a la potencia del motor, al diámetro de la turbina, a la velocidad de rotación y al tipo de mezcla, estos valores se obtienen en tablas en la literatura especializada. VELOCIDAD PERIFERICA Vp = Π D N 60 Donde:  Vp = Velocidad periférica.  Π = Pi, 3.141592  D = Diámetro de la turbina expresado en mts.  N = Velocidad del motor expresado en RPM. A partir de esta fórmula, si conocemos la velocidad periférica, pero queremos saber el diámetro de la turbina que necesitamos, entonces utilizamos la siguiente: Vp x 60 D = __________ Π x N Ahora, si lo que queremos saber es la velocidad del motor a la que tenemos que girar y ya conocemos la velocidad periférica y el diámetro de la turbina, entonces utilizamos la siguiente: Vp x 60 N = ______________ Π x D Por último habiendo determinado todo lo anterior, se determina el diámetro de la flecha, su longitud y el número de turbinas que llevará el agitador. El diámetro de la turbina y su longitud se ve en las tablas en ellos influye con gran importancia la potencia y la velocidad de salida del motor o motorreductor, las dimensiones del tanque, la densidad y viscosidad del producto, así como el volumen del batch a fabricar.

21 COMO CALCULAR UN AGITADOR

22 Para determinar cuantas turbinas necesita nuestro agitador se toma en cuenta lo siguiente: Si la altura del producto dentro del tanque es superior a 2 veces el diámetro del tanque, entonces se necesitan 2 o más turbinas. Cuando necesitamos 2 o más turbinas hay que recalcular la potencia del motor, esto se hace multiplicando la potencia antes obtenida en kW (Kilowatts) x 1.3 por cada turbina adicional. También si la densidad del producto a mezcla es mayor a 1.2, la potencia tiene que ser recalculada como sigue: La potencia obtenida x la densidad directamente

23 COMO CALCULAR UN AGITADOR

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25 CARACTERISTICAS DE Npo Y Nq DE LAS TURBINAS RAYNERI

26 GUIA DE SELECCIÓN RELACION D / d

27 EJEMPLO CALCULO DE UN AGITADOR PROCESO QUE SE LLEVARA A CABO: Homogeneización líquido - sólido densidades similares Se ve en tablas y se observa que se puede utilizar la turbina tipo TYPHON. La turbina trabaja bajo las siguientes condiciones que se obtienen de tablas. D / T = 0.3 Np = 0.4 Nq = 0.84 Vp = 4 a 5 m / seg. Q = 400 a 700 batch / hra por lo tanto D = 0.3 * T = 0.3 * 1900 = 570 = 600 mm Se producen turbinas de 500, 550, 600, 650 etc, se elige la de 600 mm Vp =  * D * N / 60 =  * 600 * N / 60 = 5 N = 159 rpm´s se elige 170 rpm´s Forma comercial se encuentran motorreductores de 45, 60, 90, 120, 170 y 340 rpm´s P = Np * ρ * N ^ 3 * D ^ 5 ρ = kgs / m ^ 3 N = rpm´s D = m  = Pa * seg = 1,000 cps Re = ρ * N * D ^ 2 /  Re = 1300 * (170/60)*0.6 ^ 2 / 10 = 133 P = 0.4 * 1300 * 170 ^ 3 * 0.6 ^ 5 p = 919.7 W = 1.2 HP Se requiere compensar potencia por viscosidad. Factor de corrección:  entre 1600 a 8000 cps f = 1 a 1.1  entre 8,000 a 10,000 cps f = 1.1 a 1.5 P = 1.2 * 1.5 = 1.8 HP = 2HP comercial Q = Nq * N * D^3 * 60 = 0.84 * 170 * 0.63*60 Q = 1851 m ^ 3 / hra P = Np * ρ *N^2 * D^3 /  Para flujo laminar 1,900 mm 2,100 mm  = 10000 cps ρ = 1.3

28 CALCULO DE UN AGITADOR DATOS: Densidad = 1.2 Viscosidad =1,000 cps % Sólidos =30 Proceso =Disolución PROCEDIMIENTO 1: Seleccionar turbina adecuada para el proceso, ya sea a nivel laboratorio, y/o piloto o experiencia. Para disolución, se elige Turbina TRIALETADA BIDIRECCIONAL, rango de trabajo en forma eficiente < 150 rpm´s. Relación de diámetros D/T (Turbina / Tanque) de 0.3 a 0.5, su Np en flujo Turbulento 0.9. Por lo tanto, si elegimos D/T = 0.3, entonces D = 0.3*1.050 = 0.315 m Rayneri en forma estándar tiene turbinas de: 300, 350, 400 mm etc- Escogemos la de 350 mm. En tablas nos indica que para una buena disolución se requiere de una velocidad periférica de 5 a 8 m / seg. Vp =  * D * N / 60 Escogemos 6 m/seg, por lo tanto N = (6 * 60) / (  * 0.350) = 327 rpm´s En forma standard Rayneri cuenta con motoreductores de salida en 330 y 340 rpm´s, escogemos 330 rpm´s. A continuación se calcula el Reynolds Re = ρ * N * D ^ 2 / . Re = 1200 * (330/60) * 0.35^2 / 1 = 808.5 Regimen Transición P = Np * ρ * N ^ 3 * D ^ 5 = 0.9 * 1200 * (330/60)^3 * 0.35 ^5 P = 943.7 Watts = 0.943 Kw se requirere de un Motor de 1.1 Kw Se requiere cumplir con otro requisito que es el caudal en tablas nos indica que para una disolución debemos tener de 700 a 1000 lts / hra Q = Nq * N * D^3 * 60 = 0.84 * 330 * 0.35^3 * 60 = 713 m^3 / hra Por lo que si satisfacemos este punto. PROCEDIMIENTO 2: Se desea trabajar sin motorreductor o sea con un agitador a 1800 rpm´s. Se puede usar una turbina tipo TYPHON PSVB. Con un Np de 0.8 y un Nq de 1.22. Como queremos una Vp de 6 m/seg el diámetro de la turbina debe de ser de: (Vp * 60) / (  * N) = D = 0.063 m. Rayneri tiene turbinas de 60, 80, 100 rpm´s, Se escoge la de 80 mm Se procede a calcular el Reynolds Re = ρ * N * D ^ 2 / . Re = 1200 * 1800/60 * 0.08^2 / 1 = 230 P = Np * ρ * N ^ 3 * D ^ 5 = 0.8 * 1200 * (1800/60)^3 * 0.08^5 P = 129 Watts = 0.129 kw Q = Nq * N * D^3 * 60 = 1.22 * 1800 *.08^3 * 60 = 67.5 m^3 / hra Si incremento el diámetro de la turbina Que sucede con la potencia? P = Np * ρ * N ^ 3 * D ^ 5 = 1.22 * 1200 * (1800/60)^3 * 0.100^5 P = 394 Watts = 0.394 kw P = Np * ρ * N ^ 3 * D ^ 5 = 1.22 * 1200 * (1800/60)^3 * 0.150^5 P = 3,000 Watts = 3.0 kw P = Np * ρ * N ^ 3 * D ^ 5 = 1.22 * 1200 * (1800/60)^3 * 0.175^5 *P = 6,487 Watts = 6.487 Kw = Se requiere de un Motor 7.5 Kw *Q = Nq * N * D^3 * 60 = 1.22 * 1800 *.175^3 * 60 = 706 m^3 / hra P = Np * ρ * N ^ 3 * D ^ 5 = 1.22 * 1200 * (1800/60)^3 * 0.300^5 P = 96,052 Watts = 96.1 kw Comparando equipos: Precio de un Cynabloc SB 40 MR 160 1,800 1.1 kw 330 rpm´s = 11,400 FF Precio de un Direct CS(torreta) 50 dn 350 - 2000 - 4.0 kw 1800 rpm´s = 21,380 FF Mismo equipo sin torreta aproximadamente 9,530 FF. VOLUMEN = 1,000 lts T  = 1,050 mm z =1,050 mm H =1,100 mm

29 AGITADOR TIPO ANCLA El ancla ha sido ampliamente utilizada en la mezcla de lotes, en el calentamiento de líquidos viscosos y en procesos donde los materiales cambian durante el ciclo. Sus brazos en forma cruzada son utilizados debido a razones estructurales, como se muestra en la fig. 1A. Algunas veces se colocaban paletas para promover mayor movimiento en el seno de la agitación. Esta agitación adicional puede llevarse al cabo utilizando brazos verticales, como se muestra en el ancla tipo compuerta (fig. 1B). En la fig. 1C se tiene un ancla combinada de paleta. El espacio entre el diámetro exterior del ancla y el diámetro interior del tanque es generalmente del orden de 1/4" a 3/8", es común colocar raspadores para procesos que requieren eliminar la capa de sólido que se acumula y adhiere a la pared del tanque.

30 AGITADOR TIPO ANCLA En la fig. 2 se muestran 2 raspadores típicos, en el primer caso, el raspador es presionado hacia la pared del recipiente por medio de una acción de tipo resorte, en el otro caso, el raspador está articulado en el ancla y la presión del fluído lo fuerza a hacer contacto y raspar la superficie del tanque durante el movimiento del agitador. Para mezclar en forma óptima procesos con fluídos de alta viscosidad, generalmente se utilizan agitadores lentos con gran área de contacto en la superficie del tanque. Se ha demostrado (Metzner) que los agitadores a velocidad alta no son efectivos para éste tipo de trabajo, el ancla y sus modificaciones ocupan ésta posición como agitadores ideales para productos que tienen consistencia entre productos que presentan movimiento y productos muy consistentes, los cuales son de características plásticas.

31 AGITADOR TIPO ANCLA EFECTIVIDAD DEL ANCLA: El ancla es particularmente efectiva para la transferencia de calor, pero también lo es en operaciones, por ejm.: Dentro de la agitación coaxial de RAYNERI, el ancla asegura el vaciamiento total del tanque, evitando de éste modo, el desperdicio del producto, además mantiene en movimiento el total del contenido del tanque, abasteciendo con producto la turbina central, otra aplicación en la que el ancla es efectiva es para líquidos con viscosidades entre 100 - 100,000 cps. Algunos autores han indicado que se pueden utilizar turbinas, paletas y propelas para este rango de viscosidad. Existen 2 estudios en relación a este asunto que demuestran que estas turbinas utilizadas en forma convencional son inadecuadas, especialmente al incrementarse la viscosidad del producto en cuestión. Se experimentó con una solución de gran consistencia de carboxi metil celulosa de sodio en agua, se observó que unicamente el material en la inmediación de la turbina tenía movimiento y que el patrón de flujo era radial (hacia los lados). Se llevo al cabo un experimento entre un ancla vs. un agitador con una turbina y una paleta, se puso como variable de agitación, la transferencia de calor, tomando la temperatura en la parte superior y en la parte inferior del tanque. El ancla fue completamente eficiente al mezclar productos con una viscosidad de 4,000 cps a 50 RPM, comparado con la máxima eficiencia de mezcla que mostró el agitador convencional, al lograr mezclar un máximo de 1,500 cps. El desempeño del ancla es mejor si se le añaden paletas direccionales. El ancla por sí sola, se vuelve ineficiente para materiales que tienen viscosidades muy elevadas, debido al corte que se genera en la pared del recipiente y de la imposibilidad de impartir velocidad al fluido en la parte central del tanque, esto se acentúa a viscosidades por arriba de los 100,000 cps. La mezcla de materiales con estas viscosidades se complica cuando el fluido es no newtoniano (generalmente pseudoplástico). La acción de mezcla para estos materiales de alta viscosidad, en el pasado se realizaba con equipos que producían corte, doblado, estirado, etc.. Esto lo lograban con mezcladores de tipo listón, masticators y mullers.

32 AGITADOR TIPO ANCLA AGITADORES COAXIALES : En principio pueden utilizarse en todos los procesos de agitación, la limitante principal, en algunos casos, es el aparente costo elevado de inversión de éste equipo, el cual, a veces no se justifica para procesos de mezclado sencillo. Los procesos complejos de mezcla y de comportamiento de flujo extremadamente difícil, requieren de un SISTEMA COAXIAL de RAYNERI, ya que con una agitación convencional no podrían llevarse al cabo. Los coaxiales RAYNERI se adaptan perfectamente a la geometría específica de los tanques y a las necesidades del proceso, por lo que técnicamente hablando, no existe limitación alguna. Los coaxiales constan de 2 o 3 reductores de velocidad independientes, uno de torque elevado, que se utiliza para el ancla a baja velocidad, un segundo para velocidad media (turbina central) o para velocidad alta si se trata de un emulsor o una turbina de dispersión (MULTIMIX, 2 movimientos coaxiales). Para el modelo de 3 movimientos coaxiales (TRIMIX) se requieren 2 movimientos lentos, ancla y movimiento central contra-rotativo y un movimiento rápido, que puede ser un emulsor o una turbina de dispersión, montados de manera coaxial o en fondo de tanque, según la capacidad del sistema a mezclar. El montaje puede ser de 3 tipos diferentes: –. Sobre un mismo eje que contiene 2 flechas, una hueca donde se encuentra el ancla y la otra sólida, que corre por dentro de la hueca y que sostiene la turbina lenta o rápida. –. Tres movimientos coaxiales montados en la parte superior del tanque y suspendidos de manera vertical. –. Dos reductores en la parte superior del tanque y el otro en la parte inferior, el ancla y la turbina se colocan en los superiores y el tercer movimiento rápido va por la parte inferior. Una de las principales ventajas de tener un coaxial RAYNERI, se ve cuando se utilizan presión y vacío dentro del proceso, ya que necesita solamente sellos labiales de vitón o teflón, los cuales permiten utilizar presión de hasta 3 Bar y/o vacío de hasta - 40 mbar, además de que no requieren de dos torretas como en el montaje por separado. Actualmente, existe el mito de que utilizar un emulsor por la parte inferior del tanque es un tremendo problema, ya que los sellos mecánicos se desgastan con mucha frecuencia y el costo de cambiarlos es muy elevado. Otra situación que se dice que es también un problema, es la limpieza de la turbina del fondo, ya que normalmente debe meterse una persona al tanque para poder limpiarla o en su defecto para desmontarla y limpiarla fuera del

33 AGITADOR TIPO ANCLA tanque, esto sin embargo, es lo que propicia que tengan problemas con los sellos mecánicos, ya que estos últimos se encuentran inmediatamente debajo de la turbina de agitación (como sucede con otras marcas de equipos) y al desmontarla desajustan las pistas de los sellos, las cuales son dañadas al tratar de montar nuevamente la turbina. RAYNERI desarrolló el juego de sellos mecánicos simples o dobles lubricados y enfriados por medio de un líquido inocuo y compatible con el producto, a presión y recirculación, asegurando una vida útil mucho mayor de los sellos mecánicos al evitar que se sobrecalienten durante el proceso de agitación, olvidándonos de cambiarlos con tanta frecuencia como se cree que debe hacerse, esto es importante ya que si consideramos el costo elevado de los sellos mecánicos y el tiempo que toma cambiarlos y tener la producción parada, se justifica la razón para utilizar un coaxial de RAYNERI, además por dentro del tanque no se encuentra nada que no sea la turbina cuando se utiliza el emulsor o dispersor de fondo de tanque y aunado al sistema de autolimpieza de gran caudal y a una presión constante, no es necesario desmontar la turbina para su limpieza. Esto es lo que pone a RAYNERI a la vanguardia en la tecnología de agitación coaxial, terminando con el mito de NO utilizar emulsores en fondo de tanque por el problema que implican los sellos mecánicos. Los principales procesos de mezclado de los agitadores coaxiales son: Mezcla, dispersión, emulsión y transferencia de calor. Las viscosidades máximas que pueden manejar son de 3'000,000 mPa  seg. (1 mPa  seg. = 1 cp.), esto hace del coaxial una poderosa herramienta de proceso. El diseño de este equipo depende de la tarea principal de mezclado y de las condiciones limitantes decisivas del proceso, los experimentos a nivel laboratorio y los datos que se obtengan de la prueba piloto, son base para el escalamiento del equipo. –COMO OPERA UN AGITADOR COAXIAL?: Al agitador de velocidad media o alta (movimiento central) se le pueden colocar diferentes tipos de turbinas, de flujo axial, radial, de alto corte o de gran caudal de bombeo, con lo que se cubre toda la gama de diferentes tipos de mezclado como son: Líquido-líquido, líquido-gas, líquido-sólido, transferencia de masa, etc… El agitador de baja velocidad, que es el ancla, actúa como un excelente promotor de transferencia de calor, sobre todo para fluídos de alta viscosidad, además sirve como una turbina periférica que produce circulación del producto. El material que se encuentra cerca de la pared del tanque y que no es alcanzado por el agitador central, es impulsado continuamente por el ancla hacia el centro del tanque, donde predomina el movimiento del agitador central.

34 AGITADOR TIPO ANCLA El ancla también actúa como mamparas o baffles cuando el fluido es de baja viscosidad. Para algunos procesos, es conveniente que el movimiento central gire en sentido contrario al del ancla, esto con el objeto de romper el flujo laminar o también para la introducción de polvos en fluidos viscosos o introducción de polvos ligeros al fluido. Si el proceso necesita que las paredes del recipiente se encuentren limpias, se pueden incluir raspadores al ancla, estos ayudarán a incrementar la transferencia de calor. RAYNERI desarrolló el uso de raspadores articulados en teflón (PTFE), los cuales impiden que el producto se adhiera a ellos y limpian perfectamente toda la superficie interna del tanque. La acción combinada del ancla y agitador central, garantiza una mezcla homogénea y un producto de alta calidad, además de que se reduce el tiempo de mezcla. En la industria existen agitadores periféricos (anclas) que se les agrega sobre el mismo eje (flecha) una turbina, esto NO puede ser comparado con un sistema de agitación coaxial, ya que está limitado a un sólo movimiento, debido a que el ancla trabaja a velocidades bajas y las turbinas a velocidades medias. Si se requiere una velocidad por arriba de 100 RPM, se tendría que utilizar un motor por arriba de 100 HP. Recordemos la ecuación de potencia para agitación (NO APLICA PARA EL ANCLA). P = Np x  x D  5 x N  3. Donde: P = Potencia. Np = Número de potencia.  = Densidad D = Diámetro de la turbina. N = Velocidad rotacional.

35 AGITADOR TIPO ANCLA Aquí se observa que la potencia es directamente proporcional al diámetro de la turbina elevado a la quinta potencia y como un ancla (que no se calcula con ésta ecuación), es normalmente 0.9 del diámetro del tanque y tomando también en cuenta que la velocidad rotacional al cubo es directamente proporcional a la potencia, ésta última se dispara. Si al agitador coaxial se le proporciona un variador de frecuencia para regular la velocidad, tanto del ancla como del agitador central, éste equipo se hace más versátil, con lo cual se podrá utilizar para un mayor número de procesos. RAYNERI surte sus agitadores coaxiales de 2 o 3 movimientos con reductores y variadores de frecuencia independientes para cada movimiento. Los equipos pueden ser fabricados en diferentes materiales como acero inoxidable (tipo 304, 316, 316L, etc...) o acero al carbón pintados con pintura de poliuretano muy resistente y además las partes en contacto con el producto pueden ser sometidas a un tratamiento de recubrimiento (vidriado, teflonado, recubrimiento con polímero KF, etc...) si es que los materiales a mezclar son corrosivos. Otra aportación tecnológica innovadora de RAYNERI en los coaxiales es que NO utilizamos el buje guía en el fondo del tanque, esto es porque el buje, que normalmente es de bronce, requiere de lubricación y muchas veces ésta es con algún producto que no es compatible con el producto a mezclar, además de que las normas europeas consideran ésta práctica como NO SANITARIA. El ancla y coaxiales de RAYNERI calculados para tener una guía perfecta no necesitan buje inferior, con lo que ud. se olvidará de revisarlo con frecuencia, de parar su producción por algunos días para desmontar el buje gastado, mandarlo fabricar y volverlo a colocar. Los agitadores coaxiales se han utilizado en la industria para producir:  Pinturas y lacas.  Adhesivos y gomas.  Polímeros y hules.  Asfalto.  Materiales de construcción.  Cosméticos.  Surfactantes.  Celulosa, pulpa de papel y engrosadores.  Químicos.  Alimentos.

36 AGITADOR TIPO ANCLA La elección de un agitador coaxial, debido a su costo inicial aparentemente alto, no debe descartarse solamente por ello, ya que debe hacerse un estudio completo de todo el proceso, tomando en cuenta, tiempos de proceso (que un coaxial puede reducir), calidad del producto terminado (la cual mejora indudablemente con un coaxial), consumo de energía (que disminuye al disminuir el tiempo de proceso), necesidades de agitación del proceso, costos de inversión (que pueden amortizarse pronto), costos de mantenimiento (mínimos), costos por falta de abastecimiento del mercado, costos de mano de obra, etc... Si el proceso requiere de un coaxial, en los datos que se obtengan del estudio, observará que a corto plazo es una inversión fuerte, pero con amortización rápida del capital, dependiendo del valor agregado y el volumen del producto fabricado. Debe de entenderse también, que el desarrollo de esta tecnología llevó varios años y que para construir un equipo como este hay factores que a primera instancia no parecen importantes, pero que sin embargo, pueden significar, si no son considerados, que el equipo no sea eficiente, estos factores son por ejm.: Velocidad periférica, potencia de los motores, factor de servicio de los reductores, diámetro y tipo de las turbinas, etc...