Evaluación hidrodinámica de la mezcla de fluidos monofásicos en tanques de mezcla mediante CFD.

Abstract

Los procesos de mezcla mecánica tienen amplia aplicabilidad en las áreas de química e ingeniería. A pesar de que el proceso de mezcla mecánica se ha estudiado, aún no se comprende completamente su comportamiento ya que estas unidades están influenciadas por factores hidrodinámicos relacionados con la turbulencia. En este estudio se evaluó el comportamiento hidrodinámico de un tanque de mezcla y su relación con el diseño mediante la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD). En el proceso de calibración se obtuvo un buen ajuste en los perfiles de la velocidad axial con un modelo transitorio y una malla combinada, donde el tamaño de los elementos corresponde aproximadamente al 2% del diámetro del tanque. El modelo que generó mejores resultados para resolver la superficie libre fue el VOF (Volume of fluid) implícito. El modelo que mejor resolvió la turbulencia fue el κ-ε estándar y, la rotación del impulsor se abordó con el método de SM (Sliding Mesh). Posteriormente, se evaluó el efecto en las variables hidrodinámicas en los siguientes escenarios: un tanque diseñado con los rangos de diseño sugeridos en la literatura; variaciones de los parámetros de diseño T/H y W/D; un tanque de perímetro rectangular; diferentes formas del fondo y diferentes criterios de escalado. Se encontró que las variables hidrodinámicas son sensibles a las variaciones en el diámetro, alto y ancho del impulsor. En cuanto a los criterios de diseño es recomendable trabajar con una relación de T/H=0.7 y se sugiere no usar una relación inferior a W/D=0.2. El tanque con perímetro rectangular presentó un alejamiento del 24% en la distribución volumétrica de la tasa de disipación de energía cinética turbulenta con respecto a la geometría circular, sin embargo presentó valores en las variables turbulentas recomendados para la mezcla. La forma geométrica del fondo que presenta menos zonas muertas en el fluido, es el fondo redondeado, y no se recomienda construir fondos con esquinas redondeadas. Se encontró que el criterio de escalado que más se asemeja al modelo es el de la Velocidad en la Punta del Impulsor.

Abstract: Mechanical mixing process has wide applicability in chemistry and engineering. Despite the process have been studied, its behavior has not been fully understood since the units are influenced by hydrodynamic conditions. This study evaluates the hydrodynamic behavior of a mixing tank and its relation with its design by computational fluid dynamics. A high adjustment was achieved in the calibration process for the axial velocity profiles with a transient model and a combined mesh, in which element size are approximately 2% of the tank diameter. Free surface better results were obtained by implicit VOF model. The model with the best performance for the turbulence was the Standard κ-ε and Sliding Mesh model was used to about the impeller rotation. Then, Hydrodynamic variables effect was evaluated through different scaling criteria, a rectangular perimeter tank, a variation of design parameters T/H and W/D, different bottom forms and a tank designed with literature suggested ranges. It was found that the scaling criteria that most resemble the model are Power number and Velocity in Impeller tip. The rectangular perimeter tank presented a 24 % error from volumetric distribution of turbulent kinetic energy dissipation rate related to circular geometry. A T/H=0.7 ratio is recommended as design criteria, while a ratio lower than W/D=0.2 is not suggested. Fewer dead zones in the fluid are obtained with a rounded shaped bottom and construction of rounded corner bottoms is not recommended. It was found that hydrodynamic variables are sensitive to changes in impeller's diameter, width, and height.