Agitacion Previo 2013-i

7/25/2019 Agitacion Previo 2013-i

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA 2013

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA

FACULTAD DE INGENIERA QUMICA Y TEXTIL

REA ACADMICA DE INGENIERA QUMICA

2DOINFORME DE LABORATORIO

AGITACIN

REALIZADO POR : DE LA CRUZ ORMEO IVAN RENZOVILCHEZ IGNACIO CHRISTIAN JOELBUSTAMANTE SAL Y ROSAS CARLOSMAMANI COARITA PAULLLANTOY HENRYTERRAZAS CARAZAS MARLON

CURSO : LABORATORIO DE OPERCIONES UNITARIAS I

REVISADO POR : ING. CSAR OSORIO

FECHA DEPRESENTACIN : 19 DE ABRIL DE 2013

LIMA PER2013


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Laboratorio de Operaciones Unitarias I Pgina i

CONTENIDO

1. Objetivos ....1

2. Fundamento Terico ....1

3. Descripcin del Equipo ...4

4. Equipos a Utilizar 5

5. Cuestionario . 6

6. Datos Experimentales9


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Laboratorio de Operaciones Unitarias I Pgina 1


AGITACIN

1. OBJETIVOS

Observar el efecto de la variacin del Np (nmero de potencia), para diferentestamaos del mismo tipo impulsor a diferentes posiciones del eje de giro y con osin empleo de placas deflectoras.

Observar el efecto de la potencia consumida experimental variando la posicindel impulsor con respecto a la base del recipiente.

El objetivo del presente laboratorio es la de conocer previamente elfuncionamiento del equipo y las actividades a realizar.

2. FUNDAMENTO TERICO

El proceso de agitacin es uno de los ms importantes dentro de la industriaqumica porque el xito de muchas operaciones industriales depende de unaagitacin y mezcla eficaz. Sin embargo, debido a la complejidad de los fenmenosde transporte involucrados, es uno de los procesos ms difciles de analizar ycaracterizar. As, hasta el momento, no existen correlaciones generales paraconfiguraciones arbitrarias de agitacin que describan cantidades tiles como lavelocidad de mezcla o el grado de homogeneidad alcanzada.

Otra de las dificultades que aparece a la hora de caracterizar la mezcla y agitacines la gran cantidad de sustancias (lquidos y slidos) que se pueden encontrar enla industria qumica. Por tanto, el diseo y la optimizacin de agitadores estnconfiados en gran medida, a la experimentacin.

Se debe distinguir entre agitacin y mezcla. Agitacin se puede definir como elmovimiento circulatorio inducido a un fluido dentro de un contenedor,fundamentalmente de forma circular y provocando vrtices. El objeto de laagitacin puede ser incrementar la transferencia de calor en el f luido o incrementarel transporte de materia, es decir, mezclar. En contraste con la agitacin, mezclares obtener una distribucin espacialmente homognea de dos o ms fasesinicialmente separadas. Aqu, una de las fases ha de ser un fluido, mientras que laotra puede ser algo tan variado como otro fluido, partculas slidas o burbujas.

En la prctica, el diseo de la agitacin ha de atender a dos factores: el grado dehomogeneidad y el tiempo de mezcla. Dado que el resultado de la mezcla nunca

es perfecto, el grado dehomogeneidad se hace depender de la calidad deseadaen el producto final. Finalmente, la potenciarequerida en la agitacin depende deestos dos factores, as como del rendimiento.

La homogeneidad de una mezcla con partculas slidas puede caracterizarsemediante el se calcula como:porcentaje de suspensin de slidos, que se calculacomo

Porcentaje de suspensin de slidos en el punto----------------------------------------------------------- *100

Porcentaje de suspensin de slidos en el tanque


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El grado de homogeneidad tambin se puede caracterizar mediante la altura desuspensin, esto es, la altura del lquido en el tanque a la que se suspenden losslidos.

El esquema de un agitador tpico puede observarse en la figura inferior.Generalmente, el tanque de agitacin es un recipiente circular, que puede estarcerrado o abierto en su parte superior. Para evitar zonas con bajas velocidades,las esquinas se eliminan empleando un fondo circular.

Para aumentar la eficiencia del mezclado, se pueden instalar unos deflectores enla pared del tanque; as se evita que el fluido gire como un slido rgido y seaumenta la vorticidad.

El rodete o hlice suele estar acoplado a un eje aproximadamente vertical.La excentricidad e inclinacin de este eje se pueden variar para lograrrendimientos mayores.


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2.1. Tipos de Agitadores

Los dispositivos mecnicos empleados para producir agitacin sonextremadamente variados; que va desde el simple batidor de huevoshogareo hasta el velocsimo molino coloidal. Es por ello que suelen ser

clasificados segn el tipo de flujo a que dan origen en:

-Agitadores de Flujo Axial.- Que generan corrientes paralelas al eje delagitador.

-Agitadores de Flujo Radial.-Que generan corrientes en direccin tangencial oradial.

Tambin suelen dividirse segn la forma del rodete en:

- Agitadores de Hlice.- Son agitadores flujo axial que operan a velocidadeselevadas y empleados para lquidos de viscosidad baja. El rango de lavelocidad de giro vara de 400 a 800 R.P.M., en los mayores, hasta 1750R.P.M. en los ms pequeos. Las corrientes de flujo que parten del agitador,se mueven a travs del lquido en una direccin determinada hasta que sondesviadas por el fondo o las paredes del tanque. Debido a la persistencia delas corrientes de flujo, stos agitadores son eficaces para tanques de grantamao. Sin embargo, el dimetro raramente es mayor de 45 cm,independientemente del tamao del tanque.

- Agitadores de Paletas.- Debido a que las paletas, generalmente verticales semueven a velocidades bajas o moderadas en el centro del tanque, inducenun movimiento radial y tangencial al fluido sin que exista movimiento vertical

respecto del agitador (a menos que las paletas estn inclinadas). Lascorrientes de lquido que se originan se dirigen hacia la pared del tanque ydespus siguen hacia arriba o hacia abajo. Los agitadores industriales deeste tipo giran en el rango de 20 a 150 R.P.M. y la longitud del rodete es delorden de 50-80% del dimetro interior del tanque, as como la anchura es dealrededor de 1/6 a 1/10 de su longitud.

- Agitadores de Turbina.- Se asemejan a agitadores de mltiples y cortaspaletas, que giran con velocidades elevadas sobre un eje que va montadocentralmente dentro del tanque. Las paletas pueden ser rectas o curvas,inclinadas o verticales. Los agitadores de turbina son eficaces en un ampliointervalo de viscosidad. Las corrientes principales son radiales y

tangenciales. Las componentes tangenciales dan lugar a vrtices ytorbellinos que se deben evitar por medio de placas deflectoras o un anillodifusor, con el fin de que el rodete sea ms eficaz.


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1. DESCRIPCION DEL EQUIPO.Representamos al agitador utilizado en el laboratorio con el siguientedimensionado:

Adicionalmente el equipo consta con:

Un motor con seales digitales para la medida del RPM y el Torque.

Placas deflectoras.

Juego de impulsores.

Motor de HP de 60 ciclos.

Un medidor digital para la lectura de los RPM y el torque en in-oz.

Un tablero elctrico para los mandos de energa, el cual incorpora un voltmetroanlogo, pilotos para sealizacin.

H

E

Da

Dt

W

L

MOTOR

IMPULSOR

TANQUE


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2. ECUACIONES A UTILIZAR.

Factores de forma.Los diferentes factores de forma dependen del tipo de aparato y de su disposicin.En la figura anterior se indican las dimensiones necesarias, que son:

Dimetro del tanque, Dt Dimetro del impulsor, Da

Altura del rodete sobre el fondo del tanque, E

Longitud de las palas del rodete, L

Ancho de las palas, W

Anchura de las placas deflectoras, J

Altura del lquido, H

De la figura anterior se definen los factores de forma:

Dt

DaS 1

Da

ES 2

Da

LS 3

Da

WS 4

Dt

JS 5

Dt

HS 6

Grupo s dimensionales.Clculo del Nmero de Reynolds (NRe), el Nmero de Froude (NFr) y el Nmero dePotencia:

.. 2

Re

aDNN g

DNN aFr

.2

53.exp ..

.

a

cPo

DN

gPN

Donde: : Viscosidad del lquido.

: Densidad del lquido.

g: Gravedad.

P: Potencia.N: Numero de revoluciones.Da: Dimetro del impulsor.gc: Gravedad especifica.

Formas d e cor relacin.

m

Fr

Po

N

N.exp (Funcin potencia) (1)

La Ec. 1 es utilizada para hallar la potencia para tanques sin deflectores.

Donde m es igual a :

)( Re10 NLogm

, son constantes obtenidas en tablas.

.exp = PoN (2)

La Ec. 2 es utilizada para hallar la potencia para tanques con deflectores.


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CUESTIONARIO

1. Utilizando el teorema II de Buckingham deducir la segunda relacin de la

ecuacin:m

Fr

n

PO NNKN )().( Re

Solucin:

),,,,,( gcDaNgpfP

Aplicamos entonces el mtodo de anlisis dimensional:

322

][

MTLT

LMLTP 11][ LMT

TL

MU

3

3][ ML

L

M 1

1][ T

TN

2

2][ LT

T

Lg LDa ][

Tenemos como variables de unidades bsicas: [D][N][ ]

L=Da

333 DaMDML

11 NN

T

53332321DaN

P

NDaDa

P

MTL

P

NDaNDaDaLMT

13113

223 DaN

g

LT

g

Adems se cumple:

0)3,2,1( f

baKf 32.1)3,2(1

Reemplazando valores de

b

DaN

g

NDaK

DaN

P

2253

b

g

DaNNDaK

DaN

P

22

53


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d

g

DaNNDaK

DaN

P

22

53

Finalmente:

)()()( Re,Re Ftd

Dr

c

PO NNfNNKN

2. Utilizando los conceptos de fenmenos de transporte demostrar la primera

relacin de la ecuacion (opcional)

).Nf(N PRREPON

Solucin:

El movimiento del aspa del agitador en el fluido y el movimiento resultante del fluido al

pasar por los desviadores y la pared, tienen asociados una friccin de pelcula y unarrastre de forma, dependiendo de la velocidad de la rotacin y del diseo de las aspas y

tanque. Para un sistema geomtricamente similar de agitador tanque y desviadores, el

coeficiente de arrastre ser la misma funcin del nmero de Reynolds.

CD= f(NRE)

Aplicando sus definiciones se tiene:

...

..

.* vLf

vS

gcF2

21

F: Fuerza aplicada a la superficie solida por el movimiento del fluido.S: rea del slido proyectada en sentido perpendicular al movimiento el fluido.

L: Dimensin caracterstica.

V: velocidad caracterstica del fluido.

: Densidad del fluido.

: Viscosidad absoluta del fluido.

Algunos trminos de esta ecuacin son difciles de medir por lo que tiene que

modificarse para ser utilizada. En un sistema geomtricamente similar, todas las

dimensiones de longitud mantienen una relacin constante, por consiguiente, puede

utilizarse cualquier dimensin medible para reemplazar L, usando el D en cualquier

caso que se requiera de una longitud caracterstica.

Puede usarse el trmino:

S

P

S

Fv

..2

P: potencia adems se puede escribir el trmino de rea en funcin de la longitud

caracterstica.

2.Dv

PSF ..3


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La velocidad v es una velocidad lineal, en este sistema la velocidad perifrica tangencial

del agitador es proporcional a la velocidad lineal de manera que:

N.D.. DNv ..4

Donde N: revoluciones/s

Sustituimos la ecuacin 3 y 4 en 1:

...

..

. NDf

DN

gcP 2

53

Donde

NPo=..

.53

DN

gcP Nmero de Potencia.

NRe =

.. ND 2Nmero de Reynolds

Expresado en variables convenientes para la agitacin.Ecuacin escrita en forma especfica para sistemas geomtricamente similares en que

los tanques tienen desviadores.

Grficamente se llega a que con bajos nmeros de ReynoldsRE

PoN

c teN ya para

nmeros de reynolds altos c teNPO

La regin definida por la ecuacin anterior representa una transicin de la capa lmite y

el desarrollo de la importancia de los efectos de la aceleracin asociados con el arrastre

de forma.En tanques sin desviadores, la formacin de vrtices introduce un mecanismo adicional:

las fuerzas del fluido asociadas con la gravedad. En el remolino, una parte del contenido

del tanque est sostenida contra la aceleracin gravitacional, y por ello las fuerzas del

fluido deben suministrar la fuerza necesaria para mantener la carga del fluido, que

constituye el remolino

Se puede analizar la naturaleza de las fuerzas examinando un elemento de fluido en el

vrtice. Se toma un elemento de fluido en z0, el punto ms bajo del vrtice, por tanto en

cualquier posicin radial existir una carga de fluido por encima del elemen to. Con

estado estable la presin en cualquier elemento de fluido debe ser tal que las fuerzas

sobre todas las caras de rea unitaria del elemento sean iguales. A medida que se

examinan los elementos en z0, la presin debe aumentar desde r=0, hasta r=r1debido a

que est presente una carga de fluido creciente. La fuerza asociada con la carga se

representa por Fb la fuerza del cuerpo y la fuerza radial se representa por Fc, siendo

ambas iguales.

Por consiguiente, Fc es una fuerza centrfuga que resulta del movimiento del fludo a

travs del elemento de volumen. En consecuencia es posible relacionar cada una de las

fuerzas con las variables del sistema.


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La fuerza del cuerpo sobre el elemento es:

cb ggzzyxF /)( 0

La fuerza centrifuga sobre el elemento es:

cc grzyxF /2

Estas fuerzas pueden igualarse:2

0 )( zrgzz

El trmino resultante a la derecha est relacionado con la energa cintica del fluido y el

del lado izquierdo con las fuerzas asociadas a la gravedad. Esta ecuacin tambin puede

expresarse como:

1)( 0

2

gzz

zr Ec (*)

En un sistema geomtricamente similar, todas las dimensiones de longitud pueden

tomarse como proporcionales, de manera que: ')( 0 Drzzz

Y en un sistema dinmicamente similar:

N

Por tanto podemos expresar la ecuacin (*):

teconsgND tan/' 2

El grupo de la izquierda se conoce como el nmero de Fraude.

Se pueden incluir los efectos gravitacionales adicionales en un sistema de agitador

buffles en la ecuacin de correlacin antes derivada en trminos del nmero de Froude,

de manera que:

).Nf(NN PRREPO

3. Para el agua sin deflectores, determinar la potencia experimental y

terica para cada tipo de impulsor. Analice la influencia del nmero de

froude?

a=1, b=40, Da=7.95cmTemperatura 20.0 C

Densidad 997.1kg/m3

Viscosidad 8.91E-04 kg/m-s

)(96.1008461

)().(.exp HP

RPMNonzinP

.. 2

ReaDNN

g

DN

N a

Fr

.2

m

NfrNpo

b

NLogam

)( Re10


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7.- Cul es el efecto del tamao de los impulsores?

Despus de haber analizado nuestros resultados podemos observar que a un mayor tamao

de impulsores el Nmero de Reynolds es mayor.

Al aumentar el tamao del impulsor se aprecia que la potencia consumida aumenta.

8.- Indique la aplicacin industrial de algunos tipos de impulsores. Cmo influye la

viscosidad del sistema y la capacidad del tanque de agitacin?

1. La agitacin se utiliza en diversas aplicaciones, incluyendo:

Dispersin de un soluto miscible en un disolvente.

Mezclado de dos lquidos miscibles.

Produccin de una suspensin de un slido finamente dividido en un lquido.

Mezclado de reactivos en un reactor qumico.

Agitacin de un lquido homogneo para mejorar la transferencia de calor al lquido.

Adems:

En las celdas de flotacin en las operaciones de concentraciones de mineral.

En la oxidacin de aromticos orgnicos, tal como ciclohexano a ciclohexanona.

Hidrogenacin de glicrido insaturados.

Fermentacin bajo condiciones aerbicas para productos como antibiticos, esteroides y

protenas de cadena simple. La fermentacin requiere de un adecuado suministro de oxgeno

en la fase lquida para el propio desarrollo celular.

2. La viscosidad aparente del fluido vara considerablemente con el gradiente de velocidad y esta

vara considerablemente de un punto a otro tanque.

Sin embargo, correlaciones tiles con un NReutilizando la viscosidad aparente esta relacionado

con el gradiente medio de velocidad de acuerdo con la ecuacin:

1)(( ndydKap

Para fluidos viscosos se piden elevadas cantidades de potencia, para dividir, doblar,

recombinar; algunas mquinas requieren chaqueta de enfriamiento para absorber el calor

generado.

Con lquidos viscosos la zona de gran turbulencia que rodea al agitador es pequea. Con

lquidos de gran viscosidad se debe emplear grandes rodetes para que el flujo alcance a todos

los puntos del sistema.

Cuando la viscosidad del fluido es baja y el flujo turbulento un impulsor mueve los fluidos


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mediante un aumento de la cantidad de movimiento de las aspas que ejercen una fuerza sobre

el fluido.

En condiciones de viscosidad moderada y el flujo es laminar (NREdel impulsor < 10) el fluido se

desplaza en direccin radial.

Al aumentar la viscosidad de una suspensin es precisa aumentar el dimetro del impulsor.

Este dimetro se puede aumentar hasta 0.7DT y agregar otro impulsor para evitar regiones de

estancamiento en los lechados siendo plstica.

13. CONCLUSIONES

Cuando se usan placas deflectoras, se requiere una mayor potencia porque hay que

vencer las fuerzas del fluido asociados con la gravedad, y las fuerzas radiales chocan

con las paredes de las placas deflectoras lo que hace que disminuya dicha fuerza y se

requiera de una mayor potencia.

Las correlaciones de Np vs. NRe experimentales poseen buena relacin con las curvas

tericas sin embargo la teora nos muestra como varia Np vs. NRe para diferentes tipos

de forma pero usando una misma posicin del impulsor en el eje (altura respecto al

fondo), pero no muestra como varan estas variables adimensionales para cambios en

la posicin.

La potencia terica determinada para distintas condiciones ( con o sin uso de placas

deflectoras) esta prximo al valor de la potencia experimental determinada a partir de la

lectura del torque y la velocidad de giro, sin embargo se debe realizar un modelamiento

en base a las curvas adimensionales determinadas experimentalmente para mejorar la

correlacin de Np cuando no se emplean placas deflectoras, es decir calcular los

valores de a, b para la correlacin de m, que es el exponente de el NFr y que permite

corregir el valor de Np y as determinar un valor terico de la potencia consumida mas

preciso. Cuando se usan buffles, se requiere una mayor potencia porque hay que

vencer las fuerzas del fluido asociados con la gravedad y las fuerzas radiales chocan

con las paredes de los buffles lo que hace que disminuya dicha fuerza y se requiera de

una mayor potencia.

Para eliminar los remolinos en los agitadores de turbina, pueden emplearse rodetes

cerrados y anillos difusores.

Para reducir los remolinos existen otros mtodos aparte de la colocacin de placas

deflectoras, se puede disponer del rodete separado del centro del tanque, y luego

inclinarlo segn un plano perpendicular a la direccin del movimiento.

Los agitadores de paleta no dan lugar a corrientes verticales, por lo que no son

eficaces para poner slidos en suspensin. Las hlices son muy buenos porque


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mantienen en suspensin partculas pesadas.

Las potencias obtenidas con el uso de placas deflectoras son mayores debido a que el

lquido encuentra mayor resistencia al movimiento inducido por el agitador, lo cual

eleva el costo de operacin.

Los rdenes de porcentaje de error (altos), en el clculo de la potencia se deben a las

imprecisiones de los diferentes instrumentos de medicin, aunque este error va

disminuyendo al aumentar la velocidad de giro. Adems como ya se explico no

podemos hacer una comparacin con una medida terica porque estas no existen,

todas las grficas que se encuentran en bibliografa representan valores obtenidos a

partir de datos experimentales que no necesariamente estn sujetos a las mismas

condiciones con las que se trabajo en el laboratorio (esto se refiere directamente a los

factores de forma).

Se requiere mayor potencia al aumentar el dimetro del rodete, pues este nuevo rodete

va a tener un peso mayor que el anterior.

Un aumento de la altura del rodete respecto a la base del tanque aumenta la necesidad

de potencia al hacer ms difcil la agitacin. Para un mismo valor del nmero de

Reynolds se disipan mayores potencia a medida que aumenta el valor de S2 = E/D.

No existen valores de potencia enteramente tericos para los diversos juegos de

factores de forma a los que estuvimos sujetos podemos representar nuestras propias

variaciones de la funcin de potencia con respecto al nmero de Reynolds.

9.- BIBLIOGRAFIA

PRINCIPIOS DE OPERACIONES EN INGENIERIA QUIMICA.

Foust, Editorial Continental S.A. Ao 1987, Pag. : 569571

OPERACIONES BASICAS DE LA INGENIERIAQUIMICA

Warren L. McCabe, Julian C. Smith

Editorial Reverte S.A. Ao 1981, Barcelonaespa_4, Pag.: 254283

CHEMICAL ENGINEERING

Julio # 19, 1976, Pag.: 141,142,143

OPERACIONES BASICAS DE LA INGENIERIAQUIMICA

George Granger Brown, Editorial Marin S.A., Buenos Aires

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