¿Qué es un reactor de agitación?

¿Qué es un reactor de agitación?

Respondiendo a la pregunta central:¿Qué es un reactor agitador, y cómo el diseño del agitador influye en el rendimiento de mezcla, la transferencia de calor y el rendimiento de reacción en un recipiente a presión codificado por ASME?Un reactor de agitación es un recipiente de presión agitada codificado en la sección VIII de la ASME en el que un eje de perno accionado por motor crea movimiento de fluido para mezclar, dispersar, mejorar la transferencia de calor,y la homogeneización de la reacciónEl rendimiento se rige por el *número de potencia Np* = P/(ρN3D5), que oscila entre 0,3 (hélice marina) y 5,0-6,0 (turbina Rushton), el *número de Reynolds* Re = ρND2/μ (regimen turbulento Re > 104),y la *velocidad de punta* v_tip = πND (2-6 m/s)Los sellos mecánicos de API 682 contienen fluido de proceso a presiones de diseño de 0,1 a 10 MPa, mientras que la potencia por unidad de volumen es de 0.1-5 kW/m3 garantiza una entrada de energía adecuada para el objetivo *tiempo de mezcla* de 5-60 segundos.

1Principios de diseño del agitador central

El rendimiento de mezcla de un reactor agitador depende de la geometría del impulsor, la velocidad de rotación, la geometría del recipiente (baffles, relación D/T) y las propiedades del fluido.Tres principios de ingeniería rigen el diseño y la selección del agitador:

• Hidrodinámica del impulsor y número de potencia:El *número de potencia Np* = P/(ρN3D5) es el coeficiente de resistencia sin dimensiones del impulsor, determinado experimentalmente para cada geometría.0 a 6.0El impulsor de cuchilla inclinada (4 cuchillas a 45°, bombeando hacia abajo o hacia arriba) tiene Np = 1.27 a uno.64La hélice marina tiene Np = 0,2-0.45En Re > 104 (totalmente turbulento), Np es constante independientemente de la velocidad; en Re < 10 (laminario), Np = K/Re (donde K es una constante geométrica),lo que significa que la potencia es proporcional a la viscosidad más que a la densidad.
• Modelo de flujo y tiempo de mezcla:El flujo del impulsor se caracteriza por el * número de flujo Nq* = Q/(ND3), donde Q es la velocidad de descarga del impulsor.El tiempo de mezcla * θ = V/(Nq·ND3·N) = K/N (en flujo completamente turbulento)El tiempo de mezcla es inversamente proporcional a la velocidad), donde K depende de la geometría del impulsor-vaso (típicamente 4-10 para configuraciones estándar)..45·d_p^0.2·D^(-0.85) predice la velocidad mínima para sólidos simplemente suspendidos (sin sólidos en el fondo del recipiente), donde S es una constante dependiente de la geometría.El número de campo Ca = Gt (gradiente de velocidad * tiempo) caracteriza la intensidad de floculación en los reactores de tratamiento de agua..
• Diseño mecánico del sello y del eje:El eje del agitador penetra en la cabeza superior o inferior del recipiente, lo que requiere un sello mecánico para contener el fluido de proceso.Plan 53 (doble sellado con líquido de barrera a presión a 0.15-0.3 MPa por encima de la presión del recipiente, ideal para fluidos tóxicos o valiosos) proporciona cero fugas de proceso; el Plan 52 (sellación tándem sin presión con fluido tampón) se utiliza para el servicio de riesgo moderado;El plan 11 (solo sello con lavado del recipiente) sirve para líquidos benignos.La velocidad crítica del eje debe ser de al menos 1,4* velocidad máxima de funcionamiento para evitar la resonancia.reducir la desviación y permitir mayores ratios L/D, pero requiere material compatible con el proceso y reemplazo periódico.

2. Principales tipos de impulsores de reactor de agitación

Los motores de reactor de agitación se seleccionan en función del objetivo dominante de mezcla (mezcla, dispersión de gases, suspensión sólida o transferencia de calor) y del rango de viscosidad del fluido de proceso.Tres familias principales de impellers cubren la mayoría de las aplicaciones:

• Impelladores de turbina de Rushton (de flujo radial):La turbina de disco de 6 palas (Rushton) tiene Np = 5.0-6.0 y genera un fuerte flujo radial: el fluido se extrae a lo largo del eje del eje, acelerado radialmente hacia afuera por las puntas de las palas,y recircula de nuevo al impulsor a través de la pared del recipiente y deflectoresEste patrón de disipación de alto corte y de alta energía es óptimo para la transferencia de masa gas-líquido (kLa hasta 0,2 s−1 a un flujo de gas de 2-4 vvm) y la dispersión líquido-líquido immiscible (tamaño de gotita 50-500 μm).Las barreras de los recipientes (4 en 90°), anchura = T/12) evitar el remolino y convertir el flujo tangencial en recirculación vertical.con velocidades de punta de 3 a 6 m/s para el impulsor generador *números de Reynolds* Re > 5*104 para mezcla turbulenta en fluidos de baja viscosidad (< 1, 000 cP).
• Impelladores con cuchilla inclinada (de flujo axial):El impulsor de 4 hojas inclinado a 45° (Np = 1,27-1,64) genera un flujo axial, bombeando el fluido hacia abajo (o hacia arriba cuando se invierte).Circulación eficiente del bulto para la mezcla (tiempos de mezcla 50-80% más cortos que el Rushton a la misma potencia)En el caso de los motores de cilindrada, se prefieren los motores de cilindrada axial para: fermentación (bajo corte,Dispersión suave de los gases)Varias ruedas de cuchillas inclinadas en un eje común (2-3 unidades, espaciadas en 1.5* diámetro del impulsor) se amplían las zonas mixtas en los buques de gran altura (H/D > 1.5), logrando una concentración uniforme en todo el volumen del recipiente.
• Las partidas de los equipos de ensayo y de los equipos de ensayo de las partidas de los equipos de ensayo y de los equipos de ensayo de las partidas de los equipos de ensayo y de los equipos de ensayo de las partidas de los equipos de ensayo y de los equipos de ensayo de las partidas de los equipos de ensayo y de los equipos de ensayo de las partidas de los equipos de ensayo y de los equipos de ensayo.Para los fluidos viscosos (1 000 a 50 000 cP) en los que Re < 100 (transición al régimen laminar), los impulsores de estrecha franja ̇ cinta helicoidal (Np = 100-200 en el flujo laminar, tono = diámetro, ancho de la cinta = 0).1*D) o anclaje (Np = 50-150, D = 0,95*T) √ barrer toda la pared del vaso. Escalas de potencia como P = Kp·μ·N2·D3 (lineal con la viscosidad en el régimen laminar).Estos impulsores proporcionan: distribución uniforme de las temperaturas para las reacciones de polimerización, ausencia de zonas de estancamiento (críticas para los productos sensibles térmicamente) y coeficientes de transferencia de calor de pared de 200-400 W/m2K (vs.50-100 W/m2K para los recipientes sin barreras)Las velocidades operativas típicas son de 10 a 50 RPM con una potencia por unidad de volumen de 0,5 a 2 kW/m3.

Tipo de impulsor del reactor de agitación Matriz de comparación

Preguntas frecuentes (FAQ)

P: ¿Cuál es el número de potencia Np y cómo se utiliza para dimensionar el agitador?

R: El número de potencia Np = P/ ((ρN3D5) es el coeficiente de resistencia adimensional de una geometría de la manivela específica.6La potencia del motor del agitador se calcula como P = Np * ρ * N3 * D5,Luego multiplicado por un factor de seguridad (1Por ejemplo, una turbina Rushton con D = 0,5 m, N = 3 rps (180 RPM), en agua (ρ = 1.000 kg/m3) saca P = 5,5 * 1.000 * 27 * 0,03125 = 4.640 W ≈ 4.6 kW.El motor tendría un tamaño de 50,5-6,0 kW (con un factor de seguridad de 1,2-1,3*).

P: ¿Por qué se requieren deflectores en los reactores agitados con turbinas o impulsores de cuchillas inclinadas?

R: Sin deflectores, el impulsor giratorio crea un vórtice que hace que toda la masa del fluido gire como un cuerpo sólido (flujo tangencial),sin recirculación vertical, la mezcla es efectivamente cero a pesar de la potencia de entrada. Los deflectores (4 a 90°, anchura = T/12 a T/10, altura = profundidad total del líquido) convierten el flujo tangencial en recirculación vertical, creando el patrón de flujo toroidal que logra una suspensión sólida de mezcla,y transferencia de calorSin deflectores, el número de potencia cae al 10-20% del valor de deflector, y el *número de Reynolds* debe superar un umbral mucho más alto para una mezcla efectiva.Se requieren siempre deflectores para turbinas y rotores de cuchillas inclinadas en fluidos de baja viscosidad (Re > 300)Los impulsores de estrecha distancia (ancla, cinta helicoidal) en fluidos viscosos no requieren deflectores.

P: ¿Cómo se determina la velocidad de suspensión Njs para mezclar sólido-líquido?

A: La correlación de *Zwietering* Njs = S·μ^0.1·[g·(ρs-ρl) /ρl]^0.45·dp^0.2·D^(-0.85) predice la velocidad mínima del agitador a la que ningún sólido permanece inmóvil en el fondo del recipiente durante más de 1-2 segundos.. S es una constante geométrica (2.0-4.5 para los recipientes de confusión estándar con D/T = 0.33-0.5), μ es la viscosidad del líquido, ρs y ρl son las densidades sólidas y líquidas, dp es el diámetro de la partícula mediana de masa,y D es el diámetro del impulsorEl funcionamiento de 10-20% por encima de Njs asegura una suspensión sólida robusta; el funcionamiento por debajo de Njs resulta en acumulación de sólidos, área de reacción reducida y posible formación de puntos calientes en reacciones exotérmicas.

P: ¿Qué disposición mecánica de sellado se recomienda para un fluido tóxico o peligroso de proceso?

R: API 682 Plan 53 (sella doble presurizada) se recomienda para líquidos tóxicos, peligrosos o regulados por el medio ambiente.o fluido de transferencia de calor sintético) se mantiene a 0.15-0.3 MPa por encima de la presión del recipiente, asegurando que cualquier fuga de la cara del sello sea un fluido de barrera en el proceso (no un fluido de proceso en la atmósfera).El líquido de barrera circula a través de un recipiente de sellado con control de nivel (alarma de bajo nivel = fuga de sellado exterior), un transmisor de presión (alarma de baja presión = fuga de sello interior) y un anillo de bombeo o una bomba de circulación externa.con un sello típico MTBF (tiempo medio entre fallos) de 2 a 5 años.

Las etiquetas:Reactor de acero inoxidable,Sistema de reactor químico,Reactor químico industrial