Los problemas fundamentales de la mezcla y agitación de líquidos tienen que ver con la mecánica de las corrientes de fluidos y los medios por los cuales se mezclan.
Se mueve. La mezcla se logra mediante la transferencia de material a través de la transferencia de momento y la turbulencia. La agitación es el resultado del movimiento turbulento de un fluido. En la mayoría de las operaciones de mezcla a gran escala, se utiliza un impulsor giratorio para generar flujo de líquido. La turbulencia puede generarse de cuatro maneras: por la acción del álabe del impulsor sobre el líquido; por la fricción del líquido contra las paredes del tanque; por el paso del líquido alrededor de una obstrucción; o por corrientes de alta velocidad que se mueven adyacentes a corrientes de baja velocidad. Este último mecanismo implica una discontinuidad en la velocidad del flujo y desempeña el papel más importante en la creación de turbulencia y agitación en mezcladores de hélice y turbina.
El tanque de mezcla debe ser cilíndrico con eje vertical; el fondo puede ser plano, cóncavo o cónico. Una profundidad de líquido igual al diámetro del tanque es recomendable, pero puede alcanzar hasta dos diámetros. En tanques grandes, la profundidad del líquido puede ser menor, pero no se puede lograr una buena mezcla si es demasiado baja. Se deben evitar los tanques cuadrados o rectangulares, ya que a menudo es difícil asegurar un movimiento adecuado del fluido en las esquinas.
The impeller causes fluid motion and generates, together with the wall, the principal lines of flow through the liquid. When a single impeller of any shape or size is rotated on the center line of a smooth-wall cylindrical tank, the flow motion which is set up is a rotary swirling or vortex motion. The flow is circular and there is practically no vertical motion. The liquid moves as in a merry-go-round, and there is little chance for mixing because liquid is not forced sideways or vertically. If, however, there are obstructions on the wall of the tank or elsewhere, different impellers will give either of two different principal types of flow patterns. The marine-type propeller produces axial flow: the flow leaves the impeller in the direction of the axis of rotation. The flow pattern is illustrated in Fig. 4. It should be noted that there are vertical and lateral-flow lines: liquid is moved up, down, and horizontally, providing good top-to-bottom turnover, and this motion is conducive to good mixing. Note that propellers are almost always operated to discharge downward, and, when two are used on one shaft, they both discharge downward.
When flat paddles or turbines are rotated with obstruction in the liquid, the liquid moves from the turbines in a plane perpendicular to the axis of rotation. Such motion has been called radial motion, and any impeller which generates this type of flow is classed as a radial-flow impeller.
Ordinarily, impeller shafts enter through the top surface of the liquid, centered, and baffles are used. However, propellers can be used to give axial flow, top-entering without baffles, or side-entering without baffles, in off-centered positions.
The first consideration for mixing in a process is the choice of the flow pattern best suited to the operation. If solids are to be suspended, vertical flow currents must be developed to oppose the settling velocity of the particles, as in Figs. 4, 5, and 6. Turbines and paddles are effective at low rotational speeds and are preferred for large tanks, since they permit the use of long shafts without submerged bottom bearings.
The power requirements for mixing depend upon the flow pattern desired, the velocities of flow which must be obtained at particular parts of the liquid, and the turbulent energy required. The velocity of flow is dependent upon the quantity of material in motion and the area through which it moves. Thus, a large quantity of flow produced by a small-diameter propeller will result in high velocities over small areas. Such flow will produce high intensity turbulence, but the scale of the turbulence may be low. On the other hand, low velocities of flow may be produced by a large-quantity flow produced by a large-diameter impeller.
Data are available for the flow produced in baffled tanks by square-pitch three-blade
marine-type propellers manufactured by Mixing Equipment Co., Inc.,
Q = K N D³…………………………………………………………………(1)
Donde Q es el caudal en pies cúbicos por segundo, N es rps, D es el diámetro de la hélice en pies cúbicos, y la constante K para el agua es 0,4. La ecuación muestra que el caudal varía directamente con la velocidad del impulsor y con el cubo del diámetro. Si se duplica el tamaño de la hélice y se mantiene constante la velocidad, el caudal se multiplicará por ocho.
La ecuación 1 se puede utilizar para el flujo en tanques con deflectores de turbinas de palas planas e impulsores de otras formas mediante el uso de un valor adecuado para la constante K. El valor de K para una turbina con seis palas planas, como la que se muestra en la figura 2, es 0,5.
Potencia necesaria para impulsar los impulsoresLa potencia necesaria para impulsar un impulsor giratorio es una función de su forma, tamaño (D), velocidad (N) y ubicación, y de las propiedades del fluido (densidad p y viscosidad µ), y de los accesorios y configuración del tanque.
Cuando el valor de (D²Np/µ), el número de Reynolds, es mayor que 5000, y la superficie del líquido no se arremolina en un vórtice, sino que fluye, se puede asumir con seguridad que el movimiento del fluido es completamente turbulento. Para estas condiciones, la potencia se puede calcular mediante
P = K/gc p N³ D5……………………………………………………………….(2)
Donde P es la potencia en ft-lb por segundo, gc es la constante de gravedad y K es una constante (véase la Tabla I). La ecuación muestra que, en condiciones de deflectores, si se duplica la velocidad de cualquier impulsor, la potencia necesaria para girarlo aumentará (2)³, u ocho veces. Además, si un impulsor de dimensiones similares tiene el doble de tamaño que uno más pequeño, requerirá (2)³, o 32 veces la potencia, para girarlo a la misma velocidad que el más pequeño.
Para condiciones viscosas, cuando el número de Reynolds es menor que 10,
La potencia impuesta por un impulsor da como resultado un flujo contra una altura total
P = Q p H………………………………………………………………………………[4]
Donde H es la altura total en pies e incluye todas las alturas estáticas, de presión, de velocidad y turbulentas. La turbulencia inicial en una corriente proveniente de un impulsor es proporcional a H; por lo tanto, se puede aplicar la misma potencia para producir un caudal alto con una altura baja (o turbulencia), o un caudal bajo con una altura alta (o turbulencia).
Por ejemplo, una hélice de cierto tamaño que opera a 420 rpm producirá una unidad de caudal por unidad de altura. Si se opera un impulsor grande, de 1,52 veces el diámetro del primero, este debe girar a 210 rpm para generar la misma potencia. Esto resultará en un aumento del caudal del 74 % (Q = 1,74) y una disminución de la altura al 58 % de la presente con la hélice más pequeña. Estas relaciones se pueden derivar de la ecuación 2, lo que resulta en
N° = Dr -5/3…………………………………………………………………….[5]
Donde el subíndice r indica la relación entre el tamaño grande y el pequeño. Estas relaciones son la base para la selección del equipo de mezcla y agitación adecuado y para la ampliación de los resultados experimentales a equipos de gran tamaño.
( original )