Simulación de la distribución de tiempo de residencia en un tanque agitado empleando CFD

Abstract

En este estudio se analizó la distribución del tiempo de residencia (RTD) en tanques agitados mediante el uso de simulación por dinámica de fluidos computacional (CFD). Se emplearon tanques de 1, 5 y 100 litros, bajo diferentes condiciones operativas y geométricas, evaluando el impacto de variables como la velocidad de agitación, la posición del agitador y el tiempo de retención, con el objetivo de estudiar el comportamiento fluidodinámico en estos sistemas. Las velocidades de agitación fueron 144, 246 y 399 rpm para el tanque de 1 L, de 59, 89 y 142 rpm para el tanque de 5L, y de 9, 14 y 22 rpm para el tanque de 100 L, obteniendo números de Reynolds aproximados a 8000, 12000 y 20000 respectivamente. Los resultados experimentales de RTD se obtuvieron usando pigmento rojo como trazador y un sistema de captura económico, los cuales fueron comparados con los resultados de las simulaciones CFD. La validación de los modelos numéricos mostró una alta concordancia entre los resultados simulados y experimentales, especialmente al utilizar el modelo de turbulencia k-ε estándar, con ajustes de malla que optimizaron la precisión de las simulaciones. En particular, se observó que la configuración geométrica del tanque y la velocidad de agitación influyen directamente en la eficiencia de la mezcla y en la RTD, con valores de desviación estándar menores al 5% entre los datos simulados y experimentales. Estos resultados subrayan la capacidad de CFD como herramienta precisa y eficaz para predecir el comportamiento fluidodinámico en tanques agitados, y su utilidad en el diseño y la optimización de estos sistemas en aplicaciones industriales (Texto tomado de la fuente).

In this study, the residence time distribution (RTD) in stirred tanks was analyzed using computational fluid dynamics (CFD) simulation. Tanks of 1, 5 and 100 liters were used under different operating and geometric conditions, evaluating the impact of variables such as stirring speed, stirrer position and retention time, in order to study the fluid dynamic behavior in these systems. Stirring speeds were 144, 246 and 399 rpm for the 1 L tank, 59, 89 and 142 rpm for the 5 L tank, and 9, 14 and 22 rpm for the 100 L tank, obtaining Reynolds numbers of approximately 8000, 12000 and 20000 respectively. RTD experimental results were obtained using red pigment as tracer and an inexpensive capture system, which were compared with the results of CFD simulations. The validation of the numerical models showed a high agreement between simulated and experimental results, especially when using the standard k-ε turbulence model, with mesh adjustments that optimized the accuracy of the simulations. In particular, it was observed that the geometric configuration of the tank and the stirring speed directly influence the mixing efficiency and the RTD, with standard deviation values less than 5% between the simulated and experimental data. These results underline the capacity of CFD as an accurate and effective tool to predict the fluid dynamic behavior in stirred tanks, and its utility in the design and optimization of these systems in industrial applications.