Diseño de reactores con agitación en procesos químicos

El diseño de agitadores y reactores comienza definiendo el rendimiento del proceso y las condiciones de operación. Los resultados son los datos de ingeniería básicos para el reactor y el agitador incluyendo las dimensiones principales de todos los componentes, tipo de impulsor, número de impulsores, tamaño y velocidad o entrada de energía.

El siguiente paso es encontrar el equilibrio ideal entre los requerimientos de proceso y una solución mecánica, económica del sistema recipiente – agitador. Ya que el agitador se conecta vía una brida de montaje, el recipiente y el agitador no pueden tratarse como unidades separados porque sus diseños influyen mutuamente entre sí.

Además de estos componentes agitadores clave, una variedad de equipos auxiliares necesitan también ser considerados. Por ejemplo, los soportes del recipiente pueden tomar diseños en forma de faldón o soporte. Los intercambiadores de calor pueden dividirse en tipos externo e interno. El diseño de un intercambiador de calor, puede clasificarse por estar hechos de haces de placas, serpentín o tubos. Hay muchos más aspectos que tienen que ser considerados. Si el diámetro de la boca de hombre se restringe por necesidades estructurales o mecánicas, por ejemplo, esto tendrá un impacto directo en el diseño del impulsor para asegurar que los impulsores se inserten en el reactor. Si la boca de hombre es demasiado pequeña, el eje del impulsor puede ser un diseño de sujeto, dividido o las aspas pueden estar atornilladas.

Diseño asistido por ordenador

El uso del computador es una herramienta imprescindible para el diseño mecánico de los reactores agitados y sus componentes internos. Por lo tanto, el uso de simulaciones numéricas, por ejemplo dinámica de fluidos computacional (CFD) y análisis de elementos finitos (FEA).

Los modelos de flujo complejos en reactores agitados pueden computarse y visualizarse pueden computarse y visualizarse con cálculos CFD. Esto se hace no solamente para facilitar la comprensión de los mecanismos hidrodinámicos, sino que los datos CFD pueden usarse para la determinación de los coeficientes de transferencia de calor de los intercambiadores de calor complejos. Las cargas hidráulicas, tales como las distribuciones de presión y fuerzas basadas en velocidades de flujo local, se calculan por CFD y luego se usan como entrada de FEA. Las ventajas generales de las simulaciones numéricas incluyen lo siguiente:

• Tiempo de desarrollo reducido, para un acceso más rápido al mercado.

• Dimensionado específico de recipientes y sus componentes.

• Mejoras en la seguridad.

• Incremento en la fiabilidad y seguridad operacional.

Actuación de las cargas en el sistema

Cada diseño mecánico comienza con la evaluación y definición de las cargas relevantes que actúan en la estructura. Esto es especialmente verdad para la mezcla, un proceso altamente dinámico en el que, además de las cargas estáticas, fuerzas dinámicas considerables pueden tener un efecto significativo en la estructura del recipiente.

Fundamental en un diseño fiable es el conocimiento exacto del número y naturaleza de las fuerzas estáticas y dinámicas y momentos actuando en el recipiente y sus componentes internos (bafles, intercambiadores de calor, dispositivos de alimentación, y así sucesivamente) y en el mismo agitador. Las cargas estáticas típicas son peso, presión del recipiente y la temperatura del reactor con su expansión térmica.

Las fuerzas hidráulicas dinámicas son generadas por el agitador en sí mismas, actualmente en las aspas del impulsor. Dependiendo de la geometría de las aspas, que definen la dirección del flujo, hay tres grupos principales de impulsor:

• Con dirección del flujo axial.

• Con dirección del flujo radial.

• Con dirección del flujo axial y radial.

Grandes diámetros de eje, así como sellos mecánicos grandes y caros, los rodamientos y otras piezas en caso de diseñar agitadores, dependiendo de las propiedades del material estructural. Para eliminar estas desventajas, puede considerarse el uso de un rodamiento inferior constante – que es un rodamiento adicional en el extremo del eje del tanque, lubricado por el fluido de proceso.

El uso de un rodamiento inferior constante tiene ventajas en costes. Por ejemplo, con un eje de 10 m de longitud, los costes de fabricación del agitador completo pueden reducirse aproximadamente un 35 %. El ahorro que puede conseguirse por la reducción del diámetro del eje desde 240 mm a 180 mm comparado con un eje de 5 m solamente proporcionaría un ahorro del 10 %.

Vibración y resonancia

Cuando se actualizan reactores existentes para alcanzar una productividad más alta, es crítico valorar el dimensionado libre de resonancia del sistema recipiente-agitador para un alto nivel de seguridad operacional. En primer lugar el espectro de excitación debe ser conocido claramente, ya que la excitación puede ser causada por la velocidad del eje, por el paso a través de las aspas o por el espectro del vórtice turbulento. Los efectos de resonancia son a menudo causa de ruido o vibraciones inaceptables que generan un daño estructural de los componentes. Esto puede originar daño estructural de los componentes, parada no planificada en la planta o daños por seguridad.

Diseño por fatiga

Al menos el 90 % de los fallos en ingeniería mecánica se deben a la fatiga, y sólo el 10 % se deben a sobrecarga estática. Esto significa que la rotura mecánica puede ocurrir incluso a través aunque la resistencia estática del componente, o el límite elástico, no hayan sido alcanzados. La causa común de este tipo de fallos son microgrietas, que se originan por cargas cíclicas. El nivel de tensión total no causará que falle un componente, sino un rango de intensidad de tensión, repetido frecuentemente – que puede causarse cuando operan en condiciones de resonancia.

Las cargas dinámicas se inducen como resultado de la rotación de un agitador en componentes estructurales próximos de un reactor agitado. Con respecto a la fatiga, son críticos la interface entre el agitador y el reactor o la conexión entre la carcasa del recipiente y el soporte de todos los componentes internos.

Bibliografía: Mechanical Design Aspects for High-Performance Agitated Reactors. Chemical Engineering April 2010