Agitación y Mezaclado de Fluidos

Diseño de equipos para la agitación y mezclado de fluidos

La agitación influye directamente en el mezclado, pero a diferencia de los procesos químicos, su papel durante el crecimiento de organismos es crucial, ya que permite una distribución adecuada de nutrientes y temperatura. Sin embargo, un exceso de agitación puede generar estrés en los organismos o incluso provocar la ruptura de las células, lo que afecta negativamente la producción de metabolitos biológicos, como enzimas y proteínas. Por lo tanto, es esencial tener en cuenta la agitación al trabajar en biorreactores, ya que es un factor clave para optimizar y aumentar la producción de biomoléculas. Además, comprender el cálculo del coeficiente de transferencia volumétrica de oxígeno es vital para el diseño de estos sistemas.

Importancia de la agitación

La agitación en las operaciones unitarias es fundamental para asegurar una mezcla eficiente de componentes en diversos procesos industriales, tanto en fases líquidas como en sistemas heterogéneos. Su importancia radica en que facilitar la homogeneización de concentraciones, temperaturas y velocidades dentro de un sistema, lo que permite optimizar las tasas de reacción, transferencia de calor y masa, y la distribución uniforme de reactivos o productos.

En procesos químicos, biotecnológicos y de ingeniería de alimentos, la agitación se utiliza para mejorar el contacto entre reactivos y acelerar las reacciones químicas. En operaciones como la cristalización, la evaporación, la fermentación y la destilación, una agitación adecuada garantiza que los gradientes de temperatura y concentración sean minimizados, reduciendo la formación de puntos calientes o fríos que puedan interferir con el proceso. Asimismo, la agitación promueve la dispersión de fases inmiscibles, como en las emulsiones o suspensiones, evitando la sedimentación de sólidos o la separación de fases.

Propósito de los agitadores

Conocer, distinguir y diferenciar los principales sistemas se agitación y mezclado estudiados desde el punto de vista de una operación unitaria.

Identificar los principales equipos de agitación, las diferentes configuraciones de los biorreactores donde la agitación y mezclado es fundamental y los métodos para estimar el coeficiente de transferencia de oxígeno conocido como KLa.

También para mantener sólidos en suspensión, es mantener los sólidos en movimiento, a cierta altura homogeneizada, para que se puedan efectuar los procesos químicos deseados.

Tanque de agitación

El tanque agitado tiene como objetivo lograr la mezcla deseada en un bioproceso, procurando al mismo tiempo un consumo mínimo de energía. Esta configuración es la más común en procesos biológicos y está equipada con deflectores y un agitador encargado de realizar la mezcla. Una parte significativa de la energía utilizada en un proceso biológico se destina a la agitación. A medida que los microorganismos o los organismos crecen, la viscosidad del medio tiende a aumentar, a veces de manera considerable. Este aumento en la viscosidad puede reducir significativamente la disponibilidad de oxígeno en el medio de producción. Si la presencia de oxígeno es crucial para nuestro proceso, es necesario incrementar la agitación, lo que conlleva un mayor consumo de energía y, en consecuencia, un aumento en los costos de producción. Sin embargo, es importante tener en cuenta que una agitación excesiva puede resultar perjudicial para la mayoría de los microorganismos. Existen varias estrategias que se pueden implementar para evitar un consumo de energía desproporcionado, siendo una de ellas la selección adecuada del sistema de agitación, lo cual es fundamental en el diseño de tanques agitados.

Patrones de velocidad y gradientes de velocidad

La imagen muestra un esquema de patrones de velocidad y gradientes dentro de un tanque con agitación mecánica, un componente clave en procesos industriales, incluido el tratamiento de aguas residuales. A continuación, describo los principales aspectos:

Deflectores:

Los deflectores están ubicados en las paredes del tanque y evitan que el líquido gire como un todo junto con el eje.

Promueven la formación de turbulencia y mezcla más eficiente.

Distribución de velocidades:

Las flechas dentro del tanque indican la dirección y magnitud de la velocidad del flujo.

Los valores junto a las flechas representan velocidades relativas o gradientes.

Por ejemplo, en la parte inferior se observa un valor alto (0.7) lo que indica mayor velocidad cerca del impulsor.

A medida que el flujo se aleja del impulsor, la velocidad disminuye progresivamente (por ejemplo, 0,4, 0,2).

Eje del impulsor:

El eje transmite el movimiento al impulsor, generando un flujo centrífugo que distribuye el líquido hacia las paredes del tanque.

Remolino:

Cerca del eje y la superficie libre del líquido, puede formarse un remolino, especialmente si no se controlan bien las condiciones de operación.

Impulsor:

Ubicado en el centro del tanque, el impulsor es el responsable de generar la energía mecánica que induce el movimiento del líquido. La mayor velocidad se observa cerca de esta zona.

Gradientes de velocidad:

Los números pequeños (por ejemplo, 0,2 o 0,25) indican zonas con menor velocidad y mayor estabilidad.

Los gradientes de velocidad más elevados indican mayor turbulencia, lo cual es importante para la dispersión eficiente de partículas o gases en el proceso.

Este tipo de patrones es relevante para procesos de mezcla y transferencia de masa, asegurando una distribución homogénea del contenido del tanque. ¿Te gustaría algún análisis adicional relacionado con su aplicación en el tratamiento de aguas o el cálculo de parámetros específicos?

Equipos de agitación

La importancia de la agitación y el mezclado en los sistemas biológicos es momento de analizar los diferentes sistemas de agitación disponibles para el diseño de un biorreactor. Si bien no existe un sistema de agitación ideal, es posible optimizar su operación para mejorar significativamente el mezclado. La selección de un sistema de agitación tiene como objetivo lograr una mezcla homogénea dentro del biorreactor, lo que se consigue mediante la generación de flujos turbulentos, cuya relevancia ya hemos abordado.

Existen diversos criterios a considerar para clasificar los agitadores, entre los más importantes están el tipo de flujo que se busca generar, la viscosidad del fluido, la relación entre el diámetro y el tamaño del tanque del reactor, la velocidad tangencial que se quiere inducir en el fluido, el tipo de flujo deseado (laminar o turbulento), y la geometría del fondo del reactor.

Tipos de agitadores industriales

Los agitadores industriales, como los que brindamos en Gargil, son herramientas esenciales en una amplia gama de procesos industriales. Su principal función es facilitar la mezcla y la homogeneización de sustancias dentro de un sistema, y se emplean con diferentes finos según la naturaleza del proceso. Por ejemplo, son indispensables para la disolución eficiente de productos sólidos en líquidos, asegurando una distribución uniforme y evitando la sedimentación de partículas.

Agitador de paletas: Los agitadores de paletas realizan el proceso de mezcla mediante el uso de dos palas de forma rectangular. Son empleados combinados en la industria química y son especialmente adecuados para recipientes de gran altura, ya que permiten la instalación de las paletas en dos o tres niveles diferentes, optimizando el mezclado en estos ajustes.

Las paletas también pueden ajustarse a la forma del fondo del tanque, de manera que, al moverse, raspan la superficie o pasan muy cerca de ella con una separación mínima. Los agitadores configurados de esta manera se conocen como agitadores de ancla. Se utilizan cuando es necesario evitar que sólidos se acumulen sobre superficies donde se transfiere calor, como en reactores con chaqueta o camisa. Sin embargo, ningún hijo es considerado como agitador muy eficiente. Para mejorar la agitación, estos dispositivos suelen combinarse con otros tipos de agitadores de palas, que operan a mayor velocidad y generalmente giran en sentido opuesto. El criterio de diseño sigue lo mencionado previamente. Es importante tener precaución al clasificar los agitadores de palas, ya que los dispersores también se incluyen en esta categoría.

Agitador de turbinas: El agitador de turbinas opera bajo el principio de una bomba centrífuga. Es un equipo de alta velocidad en el que el líquido en el recipiente es agitado por cuchillas especiales que giran, transmitiendo una gran energía al fluido y generando una mezcla intensa y eficiente. Un agitador de turbinas es un tipo de equipo utilizado en procesos industriales para mezclar líquidos y facilitar la transferencia de masa y calor. Funciona a través del principio de la bomba centrífuga, donde el líquido es impulsado por un conjunto de cuchillas o palas que giran a alta velocidad. Este movimiento rotatorio genera un flujo turbulento, lo que permite una mezcla eficiente de los componentes del líquido, así como la dispersión de sustancias, la disolución de sólidos y la homogenización de emulsiones.

Los agitadores de turbinas son especialmente útiles en aplicaciones que requieren una agitación intensa y rápida, como en la industria química, farmacéutica y alimentaria. Su diseño puede variar en función de las necesidades del proceso, incluyendo la forma y el número de cuchillas, así como la disposición de las mismas en el impulsor. Además, son efectivos para trabajar con líquidos de diferentes viscosidades y son capaces de generar flujos axiales y radiales, lo que contribuye a una circulación uniforme del medio en el tanque o biorreactor.

Agitador de hélices: El agitador de hélice es un equipo industrial que utiliza una hélice con un número variable de palas (dos, tres, cuatro, etc.), las cuales están curvadas para permitir que el líquido circule tanto en dirección vertical como horizontal. Este tipo de agitador garantiza una circulación completa del fluido dentro del recipiente, utilizando una cantidad mínima de energía mecánica para lograr una mezcla eficaz.

Los agitadores de hélice producen flujos axiales y se utilizan principalmente en situaciones que requieren altas velocidades de agitación, siendo adecuados para líquidos de baja viscosidad. El tamaño del agitador es crucial: para velocidades altas de agitación (1.150 o 1.750 rpm), se emplean agitadores más pequeños, mientras que, para velocidades más bajas, entre 400 y 800 rpm, se utilizan agitadores más grandes. Estos aspectos son importantes ya que las células suelen experimentar estrés cuando la velocidad de agitación supera los 500 rpm. Los flujos generados por los agitadores de hélice se inician desde el agitador y se desplazan a través del líquido hasta ser redirigidos por el fondo o las paredes del tanque. Este proceso puede mejorarse si el biorreactor está equipado con deflectores o "bafles", lo que optimiza el mezclado en todo el medio de producción.

Consumo y correlaciones de potencia

El consumo de potencia en agitadores es un aspecto fundamental para garantizar una mezcla eficiente y evitar un consumo energético innecesario. A continuación, detallo cómo se calcula el consumo de potencia, los factores que lo afectan y sus aplicaciones:

El consumo de potencia (P) se puede calcular mediante la ecuación de potencia adimensional:

P=Np⋅ρ⋅N3⋅D5P

Donde:

P: Potencia consumida (W)

Np: Número de potencia (adimensional), depende del tipo de impulsor y régimen de flujo

ρ: Densidad del líquido (kg/m³)

N: Velocidad de rotación (revoluciones por segundo, rps o rev/s)

D: Diámetro del impulsor (m)

Los factores que afectan al consumo:

Tipo de Flujo:

Flujo laminar: Np es inversamente proporcional al número de Reynolds.

Flujo turbulento: Np tiende a ser constante.

Viscosidad del Fluido (μ):

En líquidos viscosos, el número de Reynolds (Re) es bajo, y el consumo de potencia aumenta.

Número de Reynolds: Re=ρ⋅N⋅D2/μ

Tipo de Impulsor:

Los impulsores de paletas planas tienen menor Np que los impulsores tipo turbina.

Ejemplos de impulsores: Turbina de Rushton, hélices, paletas inclinadas.

Presencia de Baffles (deflectores):

Con baffles, se evita el flujo circular y se mejora la turbulencia, aumentando el consumo de potencia, pero mejorando la eficiencia de mezcla.

Nivel del Líquido:

Tanques parcialmente llenos pueden tener menor eficiencia y potencia consumida.

Los efectos de los factores de forma, S1, S2, …,Sn sobre NP en la ecuación son algunas veces pequeños y otras muy grandes. A veces, dos o más factores están relacionados entre si; es decir, el efecto de variar S1 puede depender de la magnitud de S2 o S3. Con una turbina de palas planas que opera a elevados números de Reynolds en tanques deflectores, los efectos de modificar la geometría del sistema se resumen como siguiente:

Al disminuir S1, la relación entre el diámetro del impulsor y el diámetro del tanque, Np aumenta cuando las placas deflectoras son pocas y estrechas, mientras que Np disminuye cuando las placas son muchas y anchas. Por lo tanto, los factores de forma S1 y S5 están interrelacionados. Con cuatro placas deflectoras y S5 igual a 1/12, como ocurre frecuentemente en la práctica industrial, una modificación de S1 casi no tiene efecto sobre Np.

El efecto de modificar S2, la holgura, depende del diseño de la turbina. Al aumentar S2 aumenta Np para una turbina de disco. En una turbina de palas inclinadas, al aumentar S2 disminuye considerablemente Np; mientras que para una turbina abierta de palas rectas Np disminuye ligeramente.

Con una turbina abierta de palas rectas, el efecto que produce la variación de S4, la relación entre la anchura de las palas y el diámetro del impulsor, depende del número de palas. Para una turbina de seis palas, Np es directamente proporcional a S4; mientras que para una turbina de cuatro palas, Np aumenta con S41.25 Para turbinas de palas inclinadas, el efecto de la anchura de la pala sobre el consumo de potencia es mucho menor que para turbinas de palas rectas.

Dos turbinas de palas rectas instaladas sobre el mismo eje consumen del orden de 1.9 veces la potencia de una sola turbina, siempre que el espacio entre los dos impulsores sea al menos igual al diámetro del impulsor. Dos turbinas poco separadas entre sí pueden consumir hasta 2.4 veces la potencia de una sola turbina.

Calculo del consumo de potencia (energía)

La potencia consumida al líquido se calcula aplicando la ecuación:

Y según una relación para Np. Arreglando la ecuación se obtiene:

P=Np⋅ρ⋅N3⋅D5P

Para números de Reynolds bajos, las líneas de Np contra Re coinciden para un tanque con o sin placas deflectoras, y la pendiente de la línea en coordenadas logarítmicas es -1 por tanto:

En tanques con placas deflectoras, para número de Reynolds superiores a aproximadamente 10 000, el número de potencia es independiente del número de Reynolds y la viscosidad ya no influye. En este intervalo, el flujo es totalmente turbulento y la ecuación queda expresada como:

Mezcla y mezclado

Una mezcla es la combinación de dos o más componentes que se unen sin llegar a reaccionar químicamente entre sí. En este tipo de combinación, no se forman enlaces químicos y cada componente conserva sus propiedades químicas originales. Sin embargo, algunas mezclas pueden ser reactivas, es decir, que bajo ciertas condiciones ambientales sus componentes pueden interactuar, como ocurre con la mezcla aire-combustible en un motor de combustión interna. Las mezclas representan una combinación física de sustancias que conservan su identidad y pueden presentarse en forma de aleaciones, soluciones, suspensiones o coloides.

Este tipo de mezcla se obtiene mediante procesos mecánicos en los que se combinan elementos o compuestos sin que ocurran cambios químicos. A pesar de que las propiedades químicas de los componentes permanecen intactas, las propiedades físicas de la mezcla, como el punto de fusión, pueden diferir de las de los ingredientes individuales. Las mezclas se pueden separar en sus componentes mediante procedimientos físicos, como destilación, disolución, separación magnética, flotación, tamizado, filtración, decantación o centrifugación. Un caso especial lo constituyen los azeótropos, mezclas líquidas que requieren procesos de separación más complejos para aislar sus componentes.

En la siguiente figura se presentan los resultados para varios sistemas, graficando nTₜ contra Re. Para una turbina en un tanque con placas deflectoras, con Da/Dt = 1/3 y Dt/H = 1, el valor de nTₜ para Re > 2000 es 36, comparado con el valor predicho de la ecuación anterior de 9 × 4.3 = 38.7.

Los tiempos de mezcla son apreciablemente mayores cuando los números de Reynolds están comprendidos en el intervalo de 10 a 1000, aunque el consumo de potencia no es muy diferente que el correspondiente al intervalo de flujo turbulento.

Bibliografía

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