Agitación Y Mezcla 11r5y

Universidad Centroccidental “Lisandro Alvarado” Decanato de Agronomía Programa de Tecnología e Ingeniería Agroindustrial

Profesor: Daniel E. Roberti Pérez

2005

Módulo Instruccional

Operaciones Unitarias I

Operación Unitaria Agitación y Mezcla de Materiales Introducción Casi todos los componentes de la naturaleza se pueden mezclar y el mezclador depende de la naturaleza de la sustancia que se quiere mezclar. Sistemas de líquido-líquido (miscibles y no-miscibles), líquido-gas y líquido-sólido (suspensión) son mezclados generalmente en tanques con los rodetes que aportan la energía de mezclado. El producto de esta mezcla es casi siempre un liquido, una suspensión o un lodo y estos tanques permiten el uso de aparatos para el retiro o el aporte de calor en los casos en el que el mezclado se realizaba con alguna reacción química. Esta operación es una de los procesos fundamentales en el procesamiento de los alimentos, ya que es una etapa previa para otros procesos o preparan mezclas que son de importante uso en la industria, como por ejemplo, la preparación de la cal para el proceso de clarificación en la producción de azúcar a partir de caña.

Prof: Ing. Daniel Roberti Pérez

Agitación y Mezcla

Módulo Instruccional

Operaciones Unitarias I

Concepto de Agitación y Mezcla El propósito fundamental de una operación de agitación o mezcla en la industria de los alimentos es reducir las diferencias existentes en propiedades físicas como el color, concentración, textura, temperatura entre otros; y esta reducción de las diferencias se logra mediante corrientes de flujos producidas por procedimientos mecánicos. Los diferentes componentes a mezclar pueden existir en alguno de los tres estados de la materia: se puede mezclar sólido-sólido, sólido-líquido, gas-líquido y líquido-líquido, donde en este último caso: pueden ser miscibles o no miscibles. Se entiende por agitación a la operación por la cual se crean movimientos violentos generalmente circulares a través de procedimientos mecánicos situando las partículas o moléculas de una o más fases obteniendo el fin pretendido en el mínimo tiempo y mínimo de aportación energética. Cuando la materia que recibe este movimiento violento se trata de una sustancia única, se está hablando de agitación; si son dos o más sustancias sean o no miscibles entre sí (líquidos miscibles: agua-vinagre), se trata de una mezcla. Los fines de la agitación son: 1. Poner en suspensión partículas sólidas. 2. Agitar líquidos miscibles (etanol-agua) 3. Dispersar un gas en el seno de un líquido en forma de pequeñas burbujas. 4. Dispersar un líquido en otro no miscible con él, para formar una emulsión. 5. Favorecer la transmisión de calor entre el foco caliente y el foco frío. Para lograr este tipo de operación de Agitación o Mezcla se utilizan una gran diversidad de aparatos donde los más utilizados son los de tipo rotatorio que consisten en un cuerpo giratorio llamado rodete (agitadores), que entra en movimiento impulsado por un eje acoplado a un motor. Existen varios tipos de rodetes y entre los más comunes están:

¾ Agitadores de hélice: está constituido por una hélice de dos, tres o hasta cuatro palas, análoga a las aspas de un ventilador. Es un agitador de flujo axial pero junto a las paredes del deposito se hace tangencial y opera a altas velocidades, utilizado para fluidos poco viscosos. Son de poco precio, pequeño consumo, gran rendimiento y eficaces para tanques de gran tamaño. A la relación existente entre la distancia en como se mueve el líquido axialmente y el diámetro del agitador se conoce como paso de hélice. Si esta distancia es igual se dice que tiene paso cuadrado o 1:1; si es el doble se dice que el paso es 2:1. Prof: Ing. Daniel Roberti Pérez

Agitación y Mezcla

Módulo Instruccional

Operaciones Unitarias I

¾ Agitadores de paleta: el tipo fundamental de estos agitadores consiste en una o más series de brazos horizontales montados sobre un eje vertical cada serie llevando dos tres o más brazos (paletas) y están colocados frontalmente o levemente inclinados. Los agitadores de este tipo giran a velocidades bajas y moderadas impulsando al líquido radial y tangencialmente, sin movimiento vertical (cuando están colocados frontalmente) y son menos efectivos y requieren más energía que los de hélice o turbina. Cuando se desea evitar el deposito de sólidos sobre una superficie de transmisión de calor se usa un agitador de ancla, pero no son buenos mezcladores. ¾ Agitadores de turbina: son en esencia rodetes de bombas centrifugas giran a velocidades elevadas y moderadas sobre ejes centrados en el tanque, son ideales para un amplio intervalo de viscosidades. Las corrientes principales son radiales (flujo perpendicular al eje radial) y tangenciales. Los agitadores de turbina están especialmente indicados para trabajar con líquidos viscosos y con papillas espesas y para la dispersión de gases en líquidos, siendo de poco consumo. Estas últimas dan lugar a la formación de vértices o remolinos que se deben evitar con placas deflectoras o anillos difusores. Tabla Nº1. Ventajas y desventajas de algunos tipo de agitadores Agitadores

Ventajas

De paletas

Económica. Buen flujo radial y rotacional.

De paletas múltiples De Hélice De turbina

Limitaciones Escaso flujo perpendicular; elevado riesgo de formación de torbellino a velocidades elevadas.

Buen flujo en las tres direcciones.

Más cara, requiere mayor potencia.

Buen flujo en las tres direcciones. Muy buena mezcladora.

Más cara que la mezcladora de paletas. Cara. Cierto riesgo de atasco.

FUENTE: Fellows, Peter. Tecnología del Procesamiento de los Alimentos. Pág. 107

Algunos tipos de rodetes

Prof: Ing. Daniel Roberti Pérez

Agitación y Mezcla

Módulo Instruccional

Operaciones Unitarias I

Los rodetes utilizados en agitación y mezcla de materiales producen una diversidad de tipos de flujos. El primer tipo de flujo es el radial y actúa en dirección perpendicular al eje. El segundo tipo de flujo es el longitudinal o axial y actúa en dirección paralela al eje y el tercer tipo es tangencial o rotacional y actúa en dirección tangencial a la trayectoria circular descrita por el rodete. Cuando el eje es vertical el flujo tangencial y radial están sobre el plano horizontal mientras que el flujo longitudinal esta en el plano vertical. Los flujos radiales y longitudinales son efectivos y muy útiles dando un flujo necesario para que se produzca la mezcla. El flujo tangencial es generalmente perjudicial para la mezcla, pues sigue una trayectoria circular alrededor del eje y origina un vórtice (remolino) en la superficie del líquido, por lo que estratifica y crea diferentes niveles de sustancias sin mezclar, sin que exista flujo longitudinal entre un nivel y otro.

Las formas de evitar un remolino o vortice va a depender del tamaño de tanque; si son tanques pequeños se dispone el rodete separado del centro del tanque. En tanques de mayor tamaño, los agitadores se montan en la parte lateral del tanque, con el eje en un plano horizontal, pero formando cierto ángulo con el radio. En tanques de gran tamaño, con agitadores verticales, el método más conveniente de reducir la formación de remolinos es la instalación de placas deflectoras, para impedir el flujo rotacional, sin afectar el flujo radial y longitudinal.

Tanque Pequeño

Prof: Ing. Daniel Roberti Pérez

Tanque Mediano

Agitación y Mezcla

Módulo Instruccional

Operaciones Unitarias I

Tanque Grande

Las Placas Deflectoras son barreras u obstáculos que se colocan paralelos al eje del mezclador sobre las paredes del tanque, como se ve en la figura superior. La placa deflectora inhibe el flujo tangencial (interrumpe), sin intervenir con el flujo radial.

Actividades de Control 1. En qué se diferencia la Agitación de la Mezcla? 2. Cuales son los tipos de rodetes más usados y describa sus características. 3. Porqué debe evitarse los remolinos y como se evitan?

CONSUMO DE POTENCIA EN TANQUES AGITADOS La potencia o energía introducida al agitador dependerá de la velocidad de rotación del motor, la configuración del agitador (tipo) y propiedades físicas de la mezcla. Existen tres números adimensionales que nos ayudarán en el calculo de la potencia. Número de potencia NPo=((P.gc)/(n3Da5ρ))

(1)

Número de Reynolds NRE=((n.Da2. ρ )/µ) (2) Número de Froude Prof: Ing. Daniel Roberti Pérez

Agitación y Mezcla

Módulo Instruccional

Operaciones Unitarias I

NFR= ((n2Da)/g) (3) La formula para el cálculo de potencia es la siguiente: Φ= NPO/NFRm (4) m=a-lgNRE/b (5) (a y b tabla N°2) Método Clásico. Condiciones 9 Si el número de Reynolds es menor de 300 o si el tanque tiene Placas Deflectoras La ecuación para el cálculo de potencia sale de la ecuación 4, con la diferencia de que en estas condiciones el número de Froude no interviene en el proceso por lo que queda: Φ= NPO (6) donde Φ: Factor de potencia 9 Si el número de Reynolds es mayor de 300 y el Tanque no presenta Placas Deflectoras. En estas condiciones la ecuación para el cálculo de la potencia de los equipos utilizados en agitación y mezcla viene dada por la formula 4. Φ= NPO/NFRm (4) En la bibliografía pueden encontrarse representaciones logarítmicas del factor de potencia frente al número de Reynolds que son llamadas “Gráficas de Potencia” para configuraciones especiales de mezcladores. Estas gráficas son independientes del tamaño del recipiente. Las graficas 2 o 3, son gráficas de potencia y dependen del tipo de agitador. La manera de buscar el factor de potencia es entrando con el número de Reynolds hasta cortar con la curva correspondiente al tipo de recipiente y se lee en el eje Y el factor de potencia. Las graficas necesarias son:

Figura 2. Función de Potencia frente a Número de Reynolds para una turbina de 6 palas

Prof: Ing. Daniel Roberti Pérez

Agitación y Mezcla

Módulo Instruccional

Operaciones Unitarias I

Figura 3. Función de potencia frente a número de Reynolds para agitadores de hélice de tres palas

Tabla N° 2. Constantes a y b Figura 2 3 3 3

Línea B B C D

a 1 1.7 0 2.3

b 40 18 18 18

Método rápido de resolución de problemas de agitación Para este método se utilizará la siguiente tabla para las constantes Kt y Kl Tabla 3. Valores de Kt y Kl

Prof: Ing. Daniel Roberti Pérez

Agitación y Mezcla

Módulo Instruccional

Operaciones Unitarias I

Para su uso se debe primero cumplir con algunas condiciones: Cuando el número de Reynolds sea menor de 10 (NRE<10) Se utilizará la siguiente formula, ya que el flujo es laminar y la densidad deja de ser un factor importante. NPO.NRE=Kl Cuando el NRE>10000 y el tanque posea placas deflectoras Se utilizara la siguiente formula, la función potencia es independiente del número de Reynolds y la viscosidad deje de ser un factor importante, por lo tanto: NPO=KT Diseño de Tanques de Agitación y Mezcla Para el diseño de tanques de agitación y mezcla podemos tomar en cuenta ciertos tips que son: 1. Generalmente tanques cilíndricos son mejores que tanques rectangulares o cuadrados. 2. En los casos en el que la agitación no requiera remolino (Agitación de líquidos) puede usarse placas deflectores o motores descentrados. 3. Si se desea mezclar sólidos, el remolino es necesario, por lo que un tanque sin Placas Deflectoras se puede usar. 4. Si se requiere de la utilización de tanques rectangulares o cuadrados es mejor montar el mezclador centrado en el mismo. Cuando se diseñan tanques, existen una serie de medidas que hay que tomar en cuenta, estas son:

Prof: Ing. Daniel Roberti Pérez

Agitación y Mezcla

Módulo Instruccional

Operaciones Unitarias I

Actividades de Control 1. Cuales son los parámetros del diseño de los tanques de agitación? 2. Cuales son los métodos de resolución para el cálculo de la potencia de equipos de agitación y mezcla? 3. Porqué, en el método clásico, cuando el tanque tiene placas deflectoras el número de froude desaparece?

Como calcular la potencia en un ejercicio de agitación y mezcla. 1. Leer y entender lo que se está pidiendo en el ejercicio, anotar los datos necesarios: diámetro del agitador, densidad y viscosidad de la solución, velocidad a la que gira el agitador y saber si el tanque utilizado tiene o no placas deflectoras. 2. Calcular el número de Reynolds (formula 2). 3. Conociendo el número de Reynolds y si el tanque tiene o no placas deflectoras, se decide que condiciones se cumplen para conocer la manera de cómo se va a trabajar. 4. Si las condiciones son tales que se debe trabajar por el método largo se busca la gráfica necesaria, dependiendo del tipo de rodete, y con el número de Reynolds se corta la curva correspondiente al tanque con o sin placas deflectoras y este corte se lleva horizontalmente al eje de las Y para leer el factor de potencia. 5. Si la grafica utilizada es la del rodete de hélice de tres palas, se debe calcular el valor de S1 (S1=Dt/Da) para decidir que curva utilizar. 6. Una vez encontrado el factor de potencia, se calcula el número de Froude, solo en el caso de que el tanque no presente Placas Deflectoras, y de la ecuación 4 se despeja el número de Potencia. 7. Del número de potencia, formula 1, se despeja la potencia expresándola en las unidades respectivas de energía. 8. Si las condiciones son tales que se puede realizar el problema por el método rápido; primero de decide cual de las dos condiciones se cumple y luego en la tabla 3 se busca el valor respectivo de Kt o Kl dependiendo del tipo de rodete y de la condición cumplida. EMULSIFICACIÓN Los procesos de emulsificación juegan un papel muy importante en la tecnología de alimentos. Entre las emulsiones alimenticias más comunes se encuentran la leche, la mantequilla, los helados, la margarina, etc. La emulsificación se puede definir como aquella operación en la que dos líquidos normalmente inmiscibles se mezclan íntimamente; uno de los líquidos (la fase discontinua,

Prof: Ing. Daniel Roberti Pérez

Agitación y Mezcla

Módulo Instruccional

Operaciones Unitarias I

dispersa o interna) se dispersa en forma de pequeñas gotas o glóbulos en el otro (fase continua, dispersante o externa). En la mayoría de las emulsiones los dos líquidos utilizados son agua y aceite, aunque, sin embargo, rara vez es agua pura o aceite puro. La fase acuosa puede consistir en una disolución de sales, azúcar u otros productos orgánicos o coloidales (sustancias hidrófilas). La fase grasa puede estar constituida por aceites, hidrocarburos, ceras, resinas u otras sustancias que se comportan como aceites (sustancias hidrófobas). Para poder preparar la emulsión estable es preciso añadir un tercer tipo de sustancias denominada agente emulsionante. Al mezclar agua y aceite se pueden producir dos tipos de emulsiones. El aceite se convierte en la fase dispersa, dando una emulsión de aceite en agua (o/w). El agua es la fase dispersa, produciendo una emulsión de agua en aceite (w/o). La emulsión formada tiene tendencia a exhibir la mayoría de las propiedades del líquido que forma la parte externa. Una emulsión de aceite en agua puede diluirse en agua, ser coloreada con colorantes solubles en agua y presentar la conductividad eléctrica que corresponde a la fase acuosa. Por otra parte, una emulsión de agua en aceite solo se puede diluir con aceite y ser coloreada con colorantes liposolubles y presentar una conductividad eléctrica pequeña. Entre los factores que influyen en el tipo de emulsión formada cuando se mezclan aceite y agua se encuentran: el tipo de agente emulsionante utilizado, las proporciones relativas de las fases y el método de preparación de la emulsión. Los agentes emulsificantes relativamente hidrofilitos forman, en general, emulsiones o/w, mientras que los hidrofobicos o lipofilicos, favorecen la formación de emulsiones w/o. Agentes emulsificantes. Los agentes emulsificantes tienen las siguientes funciones durante la emulsificación: 9 Formar la emulsión, reduciendo la tensión interfacial entre los líquidos a emulsionar. 9 Proteger la emulsión formada previniendo la coalescencia de las gotas de la fase interna. Las sustancias utilizadas como agentes emulsionantes son muy numerosas y variadas: sustancias naturales como las proteínas, fosfolipidos y esteroles; gran variedad de sustancias sintéticas como los ésteres de propilenglicol, ésteres sorbitanicos de los ácidos grasos, ésteres celulósicos, carboximetil celulosa y muchas mas; sólidos finamente divididos como las bentonitas o el negro de humo. Un agente emulsionante debe, en la medida de lo posible, ser específico en lo que se refiere a la clase de emulsión que produce. En el caso de emulsiones de alimentos el agente debe ser no toxico. Los agentes emulsionantes deben ser relativamente inodoros, incoloros e insípidos, además de física y químicamente estables en las condiciones de manufactura, transporte y almacenamiento a utilizar. Deben ser de bajo precio. Método de emulsificación Para formar una emulsión hay que hacer trabajo sobre el sistema a fin de superar la resistencia a la creación de nueva superficie (proveniente de la tensión interfacial). Teóricamente este trabajo de emulsificación es equivalente al producto entre la nueva Prof: Ing. Daniel Roberti Pérez

Agitación y Mezcla

Módulo Instruccional

Operaciones Unitarias I

superficie creada y la tensión interfacial. Además, se ha de suministrar energía para mantener los líquidos en movimiento y superar la resistencia por fricción. Por norma general el trabajo sobre el líquido se hace sometiéndolo a agitación violenta. La clase de agitación mas adecuada para la emulsificación es aquella que cizalla las grandes gotas de la fase interna. Por esta acción las gotas se deforman y rompen en otras más pequeñas y más finamente dispersas. Si las condiciones son adecuadas la película protectora de agente emulsionante se absorbe en la interfase y se forma una emulsión estable. El tiempo necesario para que se forme la emulsión varía con la formulación de la emulsión y la técnica empleada y se debe determinar experimentalmente. En cada caso hay un tiempo óptimo por debajo del cual se forman sólo emulsiones relativamente inestables. Si la agitación se continúa mucho mas tiempo del correspondiente a éste optimo, la estabilidad de la emulsión puede de nuevo sufrir, ya que la película protectora puede resultar deteriorada cuando la agitación es excesiva. Al formular una emulsión se debe considerar ciertos puntos: 9 El agente emulsionante utilizado debe favorecer el tipo de emulsión requerida, es decir, o/w ó w/o. 9 La relación de volumen de la fase (p/v) es decir, el porcentaje en volumen de la fase interna, regula el tipo de emulsión formado. La fase presente en mayor proporción tiende a convertirse en la fase externa. Las emulsiones con relaciones p/v superiores al 50% son difíciles de producir y manipular. 9 Se debe especificar la temperatura de emulsificación. La tensión interfacial y la viscosidad disminuyen al crecer la temperatura. Del límite superior de temperatura depende la sensibilidad al calor de los ingredientes. Temperaturas hasta de 70°C son corrientes para los productos lácteos, mientras que muchos productos que contienen sólidos de la yema del huevo, por ejemplo la mayonesa, se emulsifican a temperaturas mas bajas. Por regla general, es mejor preparar las dos fases por separado. Casi siempre se añade el agente emulsionante a la fase externa, aunque hay excepciones a ello. Algunas gomas y coloides hidrófilos se deben dispersar en la fase oleosa para minimizar el hinchamiento y la formación de grumos. Cuando se lleva a cabo la premezcla de las fases corrientemente se añade la fase interna gradualmente a la fase externa, mientras ésta esta siendo agitada. Equipos para emulsificar Entre los equipos que se utilizan para preparar una emulsión tenemos las mezcladores de bandeja y de hoja en z, las mezcladoras de gran velocidad del tipo turbina y hélice. Además se utilizan las homogeneizadoras de presión, los molinos coloidales y los aparatos de emulsificación ultrasónica. Industrialmente la preparación de las emulsiones puede efectuarse en equipos con funcionamiento discontinuo o continuo. En los últimos años el procedimiento continuo se ha desarrollado mucho industrialmente, pudiendo afirmarse que hoy el 90% de la producción se elabora por este sistema. Aplicaciones de la emulsificación en la industria de los alimentos

Prof: Ing. Daniel Roberti Pérez

Agitación y Mezcla

Módulo Instruccional

Operaciones Unitarias I

Mantequilla: es un ejemplo único de la tecnología de la emulsificación. La materia prima es la leche, es decir, una emulsión de grasa en agua. El producto final, la mantequilla, se clasifica corrientemente como una emulsión de agua en grasa. Es decir, durante la elaboración de la mantequilla tiene lugar una inversión de las fases. Margarina: es básicamente una emulsión w/o hecha con una mezcla de grasa y aceites en leche o agua con agentes emulsionantes y otros aditivos. Crema para ensaladas y mayonesa: las dos son emulsiones de grasa en agua. La primera suele contener alrededor de 30-40% de grasa y la emulsión se ve afectada por la homogenización a presión. La mayonesa suele contener más de un 70% de aceites y, en virtud de la naturaleza inestable de un sistema con un cociente p/v tan alto suele prepararse emulsionando cuidadosamente a baja temperatura. Salchichas y pastas de carne: son ejemplo de productos carnicol en los que es importante la emulsión de la grasa tanto para la textura del producto como en cuanto se refiere al comportamiento durante el tratamiento térmico. Se logra una emulsificación satisfactoria mediante el uso correcto de las picadoras y otros instrumentos especializados. Tortas y productos de panadería: se ven también afectados por el grado de emulsificación de la grasa en el resto de los componentes de la formula. Una emulsificación inadecuada puede dañar la estructura de la corteza y dar origen a tortas de tamaño y volumen inadecuado. Helados: es una emulsión de aceite en agua que contiene del 10-12% de grasa., dispersa en una solución acuosa. Esta solución acuosa contiene proteínas y algunas sales inorgánicas en estado coloidal, así como también carbohidratos y sal.

Actividades de Control 1. Qué es la emulsificación y describa sus tipos? 2. Como se logra la emulsificación. 3. Qué productos agroindustriales se obtienen por emulsificación? 4. Realice los ejercicios que se muestran utilizando la metodología explicada

Prof: Ing. Daniel Roberti Pérez

Agitación y Mezcla

Módulo Instruccional

Operaciones Unitarias I

Ejercicios. 1. Un agitador de turbina de seis palas planas en un tanque de 1,83m de diámetro, con diámetro de turbina 0.61m y situado a 0.61m del fondo, con un ancho de palas de 6plg. El tanque esta lleno hasta la altura de 1.83m con NaOH al 50% a 65,6°C con µ= 12 y ρ= 1498Kg/m3. La turbina gira a 90rpm. El tanque tiene placas deflectoras. Que potencia se requiere para la operación de agitación? 2. Realizar el mismo ejercicio pero el tanque no tiene placas deflectoras 3. Se tiene un tanque de 1,2m de diámetro y 1,8m de altura se llena hasta 1,2m con goma latex a µ=1000 y ρ= 750Kg/m3; el tanque no tiene placas deflectoras y el agitador es uno de tres palas con 30cm de diámetro y a 30cm del fondo. Se dispone de un motor de 10CV. El paso de helice es 1:1. Determinar si el motor es adecuado para moverlo a 1200rpm. 4. Cuál será la velocidad máxima de giro que puede tener el agitador del ejercicio anterior, si el líquido se cambia por otro de µ=100 e igual densidad. (Ejercicio que se debe resolver por el método del ensayo y error).

Prof: Ing. Daniel Roberti Pérez

Agitación y Mezcla