Auto Instrument | La agitación es más que simplemente remover materiales: 

Guía completa sobre los principios y tipos de agitación

Introducción

En combinación con las condiciones reales de funcionamiento de los tanques de reacción química, el equipo técnico de Auto Instrument analiza la lógica de funcionamiento de los equipos de agitación y corrige la idea errónea de que «una mayor velocidad de rotación equivale a un mejor rendimiento de mezcla». Esta guía ayuda a los ingenieros de procesos y equipos a comprender los principios de agitación y a seleccionar adecuadamente los impulsores y los parámetros de funcionamiento.

Muchos equipos de campo se han encontrado con este problema: aparecen vórtices evidentes en el tanque de agitación, pero el sedimento se acumula en el fondo. Al aumentar la velocidad de rotación, la corriente del motor sigue aumentando, pero la mezcla irregular de los materiales no mejora. La estructura del impulsor, la altura de instalación, la viscosidad del material y el patrón de flujo dentro del tanque determinan directamente el rendimiento de la agitación. Incluso con la misma potencia del motor y velocidad de rotación, los impulsores de diferentes diseños pueden generar estados de flujo muy distintos.

1. Funciones del proceso de los equipos de agitación

La agitación impulsa el flujo de material mediante rotación mecánica, burbujeo de gas o chorro de líquido para lograr un contacto suficiente entre materiales multifásicos, de modo que se completen los procesos de mezcla, dispersión, transferencia de calor y transferencia de masa. Los objetivos comunes del proceso se enumeran a continuación:

· Mezcla de líquidos: Elimine las diferencias de concentración dentro del tanque mediante la circulación del fluido;

· Suspensión de sólidos: Impulsa el flujo del líquido para evitar la sedimentación y la acumulación de partículas sólidas;

· Dispersión líquido-líquido: Se rompe un líquido en diminutas gotitas y se dispersan en otro líquido mediante fuerza de cizallamiento;

· Dispersión gas-líquido: Romper las burbujas para ampliar la superficie de contacto entre el gas y el líquido;

· Transferencia de calor y masa: El flujo continuo de materiales en circulación mejora la eficiencia del intercambio de calor y la transferencia de masa.

Los distintos objetivos de proceso requieren diferentes fluidos. La mezcla de líquidos prioriza el caudal de circulación; la suspensión de sólidos se centra en la velocidad de flujo en el fondo del tanque; la dispersión líquido-líquido requiere una resistencia al corte local suficiente. En muchos procesos de reactor, se utilizan instrumentos de medición junto con el sistema de agitación para monitorizar las condiciones del material en tiempo real. Para aplicaciones con lodos, se emplean densímetros de lodos en algunos proyectos. Los densímetros químicos se suelen combinar con tanques de agitación para procedimientos de síntesis y dosificación. Como fabricante de densímetros, hemos observado numerosos casos prácticos en los que el rendimiento de la agitación afecta directamente a la estabilidad del muestreo y la medición de los densímetros de líquidos industriales en línea.

2. Principales tipos de agitación

Según la fuente de accionamiento, la agitación se divide en tres categorías: agitación mecánica, agitación por gas y agitación por chorro. La agitación mecánica utiliza un motor para impulsar la rotación del impulsor. Los tipos comunes de impulsores incluyen paletas, hélices, turbinas, anclas y cintas helicoidales.

1. Agitador de paletas Consta de un eje agitador y paletas, incluyendo paletas planas, inclinadas y de palas inclinadas. Presenta una estructura simple y un fácil desmontaje y mantenimiento, siendo adecuado para la disolución, dosificación y mezcla de líquidos de viscosidad baja a media.

2. Agitador de hélice Con un impulsor tipo hélice, genera un fuerte flujo axial. El líquido se desplaza axialmente y luego refluye, creando una circulación a gran escala. Es ideal para la mezcla de líquidos de baja viscosidad, la disolución y las aplicaciones convencionales de suspensión de sólidos.

3. Agitador de turbina Estructura multipalas, que incluye turbinas de palas rectas, turbinas de palas inclinadas y turbinas de disco. La turbina de disco de palas rectas produce principalmente flujo radial; la turbina de palas inclinadas genera un flujo combinado axial y radial. Su capacidad de transporte y corte está determinada por el ángulo y la estructura de las palas.

4. Agitador de ancla Las palas giran cerca de la pared interior del tanque con un gran diámetro de agitación y una baja velocidad de funcionamiento, actuando principalmente sobre los materiales que rodean la pared del tanque. Una mayor viscosidad exige un mayor par motor del eje de agitación, por lo que se debe reservar un margen suficiente para la carga del motor y del reductor.

5. Agitador de cinta helicoidal Las palas espirales están dispuestas en dirección axial. La rotación impulsa los materiales en esa dirección, generando circulación y reflujo dentro del tanque. Se utiliza ampliamente para la agitación de materiales de alta viscosidad.

6. Agitación por gas El gas comprimido pasa a la fase líquida a través de dispositivos de distribución de gas. Las burbujas ascendentes impulsan la circulación del líquido, al tiempo que se produce la transferencia de masa gas-líquido.

7. Agitación por chorro El fluido presurizado se pulveriza a través de boquillas mediante una bomba de circulación, arrastrando el medio circundante para lograr la circulación en el tanque. El ángulo de las boquillas, el caudal de circulación y las pérdidas en la tubería afectan directamente los resultados de la agitación. Para medios que contienen partículas sólidas, se deben evaluar previamente los riesgos de desgaste y obstrucción de las boquillas.

3. Principios básicos del campo de flujo de la agitación

La agitación mecánica transfiere energía mecánica del impulsor a los materiales, generando tres patrones de flujo: axial, radial y tangencial. Generalmente, varios campos de flujo se superponen y coexisten dentro del tanque.

1. Flujo axial Los materiales se desplazan verticalmente a lo largo del eje de agitación, generando una amplia circulación dentro del tanque y permitiendo el intercambio de materiales a diferentes alturas. Posee una gran capacidad de transporte, ideal para la mezcla de líquidos, la suspensión de sólidos y la transferencia de calor.

2. Flujo radial El líquido es proyectado desde el impulsor hacia la pared del tanque, rebota hacia arriba y hacia abajo tras chocar contra ella y regresa al impulsor. Los impulsores que generan flujo radial producen una fuerte cizalladura y turbulencia local, más adecuadas para procesos de dispersión de gotas y burbujas.

3. Flujo tangencial Los materiales giran circunferencialmente alrededor del eje de agitación. Un flujo tangencial excesivo crea vórtices superficiales, donde los materiales giran como un todo con poco intercambio vertical. La instalación de deflectores en la pared del tanque puede suprimir eficazmente la rotación tangencial y mejorar la circulación general.

En los tanques reales, coexisten simultáneamente flujos axiales, radiales y tangenciales. La intensidad del flujo viene determinada por el tipo de impulsor, la posición de instalación y los accesorios del tanque.

4. Relación entre la velocidad de rotación y la potencia de agitación

El diámetro del impulsor, la velocidad de rotación y las propiedades del material modifican el consumo de energía de la agitación. En condiciones turbulentas, la fórmula de potencia del eje es:P = Np × ρ × n³ × D⁵ P — Potencia del eje del impulsor (W) Np — Número de potencia (adimensional) ρ — Densidad del líquido (kg/m³) n — Velocidad de rotación del impulsor (r/s) D — Diámetro del impulsor (m)

Con una estructura de impulsor, tanque y material fijos, la potencia es aproximadamente constante. La potencia de agitación es proporcional al cubo de la velocidad de rotación. Cambiar el diámetro del impulsor también altera drásticamente el consumo de energía. La potencia varía según la estructura y requiere un cálculo específico. Una mayor velocidad de rotación no siempre es mejor. Una velocidad excesivamente alta puede provocar la entrada de aire en la superficie del líquido, formación de espuma, vibraciones del equipo y sobrecarga del motor. Esta fórmula solo calcula la potencia del eje del impulsor. La selección del motor también debe tener en cuenta las pérdidas de transmisión y la carga operativa real.

5. Lógica de selección para agitadores

Para la selección, se deben confirmar tres condiciones básicas: características del material, objetivos de agitación del proceso y estructura del reactor. El tipo, tamaño y parámetros de operación del impulsor se determinan según las condiciones de trabajo reales, considerando la viscosidad, densidad y contenido de sólidos del material, las dimensiones del tanque y el rendimiento de mezcla requerido. Cabe destacar que el estado de agitación afecta directamente a los instrumentos de medición en línea. Una agitación excesiva provoca interferencias en la medición, mientras que una agitación insuficiente produce estratificación del material; ambas situaciones afectan la estabilidad de la lectura de los densímetros en línea e instrumentos similares.

6. Conclusión

Los impulsores de paletas y hélices son excelentes para la circulación y mezcla de líquidos; los impulsores de turbina son adecuados para la dispersión líquido-líquido y gas-líquido; los impulsores de ancla y de cinta helicoidal se utilizan principalmente para el procesamiento de materiales de alta viscosidad. El rendimiento real de un equipo de agitación no puede evaluarse únicamente por la velocidad de rotación del motor y la corriente de funcionamiento. Debe evaluarse de forma integral en función de las propiedades del material, la configuración del impulsor y los resultados de las pruebas del proceso.

Como fabricante de densímetros, Auto Instrument suministra densímetros en línea, densímetros de líquidos, densímetros industriales de líquidos en línea, densímetros de lodos y densímetros químicos. Estos productos se adaptan a diversos reactores de agitación para la detección de materiales en tiempo real durante el proceso, lo que permite a los ingenieros de procesos supervisar las condiciones de los materiales dentro de los tanques.