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CONCEPTOS BASICOS Y SIMULACIÓN COMPUTACIONAL DE MEZCLADORES - CFD Alberto Patricio, Ing. Arume Victor Kanehiro, Ing. Diaz Samuel, Ing.
11/11/2014 - 13/11/2014
Contenidos •
Introducción
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Características
•
Procesos de mezclado
•
Proceso de simulación
•
CFD en mezcladores
•
Demostración caso practico - CFX
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Preguntas
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Introducción
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•
Tanques de mezcla se utilizan ampliamente en la industria química, petroquímica, farmacéutica, de alimentos y bebidas, petróleo, etc.
•
La eficiencia de mezcla tiene un gran impacto en el costo de producción y la calidad del producto. •
Definición de las condiciones de funcionamiento y tipo adecuado de impulsor;
•
•
Menor tiempo posible mezcla.
Generalmente
los
proyectos
de
sistemas
agitadores se basan en modelos empíricos y experimentales. •
Donde se hacen simplificaciones en las predicciones para determinar el tiempo y el nivel de la mezcla;
Introducción
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•
La aplicación de energía al sistema es de vital importancia a fin de obtener un mezclado optimo.
•
La disipación de esta energía depende de varios factores: –
Tipo de impulsor utilizado
–
Rotación
–
Características físicas de los materiales
–
Forma del tanque
–
Posición del impulsor
CFD es una poderosa herramienta, capaz de llenar el espacio en blanco entre los modelos experimentales y aplicaciones industriales!
Procesos de mezclado Mezclado simple de fluido s solub les. Ejemplo: mezcla de productos derivados del petróleo. Objetivo: Reducir las faltas de uniformidad. Por lo general, no implica ni la transferencia de masa ni reacciones química. Dificultades: Puede ser difícil de lograr cuando las relaciones densidad o viscosidad es alta. Puede ser difícil de conseguir si uno líquido tiene una fracción de volumen pequeño. • • •
Mezc la Líqu ido -lí qu id o in m is ci ble. Ejemplo: extracción con disolvente, emulsificación, etc. Objetivos: Dispersar las gotas de líquido en una fase líquida continua. Aumentar zona interfacial. Por lo general, implica transferencia interfacial de masa. • •
•
Mezc la s ólid o-l í q ui do . Ejemplo: cristalización, reacción de catalización con sólidos, etc. Objetivos: Suspender partículas sólidas en un líquido. Lograr la uniformidad. En tiempos determinados. Por lo general, implica la reacción química y la transferencia de masa interfaz. • • •
Mezc la de g as -líqu id o. Ejemplo: la oxidación, hidrogenación, fermentaciones biológicos, etc. Objetivo: dispersar burbujas de gas en una fase líquida continua. Por lo general, implica la transferencia de masa y reacciones químicas. •
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Características •
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Tanque – La elección de las dimensiones de tanque es uno de los factores mas
importantes en la eficiencia del proceso; – La relación entre el diámetro y la altura dependerá del proceso que se desee
realizar; – Para los procesos que se producen en régimen turbulento, se colocan bafles en
las paredes del tanque, no así cuando se tiene un proceso laminar.
Generar un patrón mas caótico;
Evitar un patrón de flujo tangencial.
Tanque
Características
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Impulsores
•
– Diámetros y demás características geométricas son responsables por la caracterización
del flujo y capacidad de mezcla, clasificado de acuerdo con el régimen de mezcla.
Ré g im en l am in ar
Los impulsores como ancla o de hélice se utilizan normalmente para este régimen.
Diámetro muy cerca del diámetro del tanque.
Mezcla se produce disipación de impulso debido principalmente en las regiones álabes del rodete.
Alta componente tangencial, por lo tanto los deflectores no son necesarios.
Ré g im en Tu rb ul en to
Este régimen no necesita un gran diámetro del impulsor debido a la alta tasa de disipación de energía turbulenta, y, por supuesto, debido al gran movimiento de fluido generada por el impulsor.
Los flujos se caracterizan como axial y de flujo radial (característica de flujo realizado por geometrías del impulsor).
Impulsores
Características •
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Impulsores
Tipo de impulsores
Curve blade
kpc-kroma
Anchor (Ancla)
lightnin A320
Rushton
Spearhead
Smith
Características
•
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Reynolds –
Numero adimensional utilizado para determinar el régimen de mezclado
–
En sistemas de mezclado, el numero de Reynolds es definido como: D = Diámetro del impulsor N = Velocidad de rotación (en RPS)
Re < 10, Régimen LAMINAR (Predominan la fuerzas viscosas) 10 < Re < 10000, Régimen de TRANSICION 10000 < Re , Régimen TURBULENTO (Predominan la fuerzas inerciales)
Características •
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Numero de Froude – Incluye las fuerzas gravitacionales e inerciales que actúan sobre el sistema,
normalmente usado para evaluar efectos de superficie libre, vórtices centrales, etc. La naturaleza del movimiento (rápido o tranquilo) depende de si el numero de Froude es mayor o menor que la unidad.
D = Diámetro del impulsor N = Velocidad de rotación (en RPS) g = Aceleración de la gravedad
•
Otros números importantes en estos sistemas - Numero de potencia
- Numero de bombeado
Características Flujo radial El flujo principal generado por el sistema tiene la tendencia a ser perpendicular al eje del impulsor. La masa líquida tiende a ser conducido a las paredes del tanque.
•
Este tipo de im puls ores m uestra las sig uientes características prin cipalm ente: • •
•
•
Se utilizan prin cipalm ente a:
•
Alto consumo de energía; Más capacidad de dispersión; Más agresivo para los productos.
Dispersión gaseosa; La transferencia de masa; Agregados de materiales sólidos (disolución); Instalaciones de tanques con bajo nivel de líquido.
Ejemp los de im pulsores que g eneraron flujos radiales:
Turbina Rushton Turbina Smith Turbina spearhead Tipo straight baffles
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Características Flujo axial La mayor parte del flujo tiende a ser paralelo al eje del impulsor. Tiene la tendencia de propulsar la masa líquida a la parte inferior del tanque. •
Este tipo de impu lsores muestra las siguientes carac terístic as p rin cip alm ente:
•
Menos consumo de energía. Gran alcance en la distribución de flujo en el interior del tanque.
Baja agresividad a los productos .
Se utilizan prin cipalm ente a: • • •
•
Mezcla de productos líquidos. Los sólidos en suspensión. El intercambio de calor.
Ejemp los de im pulsores de flujo axial : • • •
Hojas rectas curvas Tipo de Impulsor KPC Tipo de Impulsor Lightnin
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Características Flujo tangencial Estos son impulsores que trabajan preferentemente en fluidos de alta viscosidad , por lo tanto generalmente operan en régimen Laminar.
•
No generan cantidad de mov imiento en dirección axial o radial, sino im puls an la masa de liquid o de man era circular al rededor d el tanqu e.
•
Este tipo de imp ulsores mu estra las siguientes carac terístic as pr inc ipalm ente: • • •
•
Alto consumo de potencia Baja velocidad de rotación Alto torque de actuación
Ejemplos de impu lsores de flujo tangencial: •
Impulsores tipo ancla
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El Proceso de Simulación •
Alto número de prototipos
•
Optimización manual
•
Alto costo (prototipos y ensayos)
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El Proceso de Simulación •
Pre-optimización con simulación
•
Menor número de prototipos y ensayos
•
Mayor calidad
•
Reducción de costos
•
Reducción de tiempos
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Optimización
El Proceso de Simulación
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Volumen de control*
Unsteady
Advection
Diffusion
Generation
El Proceso de Simulación GEOMETRÍA
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1.Geometría
2.Malla
3.Set-up
4.Resolución
- DesignModeler - SpaceClaim - BladeGen
MALLADO
RESULTADOS
- Meshing - ICEM CFD - TurboGrid
- CFD-Post - EnSight
SOLUCIÓN
SETUP
- Fluent - CFX - Mechanical - nCode
- Fluent - CFX - Mechanical - nCode
ANSYS Workbench
5.Resultados
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CFD EN MEZCLADORES
Caso 1 Mezclado entre aire y agua •
La geometría se compone de: – Tanque – Ductos de Inyección de aire – 4 bafles – Impulsor y eje
•
Objetivo: – Evaluar el patrón de flujo dentro del tanque, de un fluido multifásico.
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Caso 1
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Caso 1
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Caso 2
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Objetivo Desarrollar a través de CFD y Software de optimización, un impulsor de alta eficiencia y bajo consumo energético para la suspensión de sólidos. Los softwares utilizados han sido:
-
Geometria: SpaceClaim
-
Malla: ICEM CFD
-
Pre-Solver-Post: CFX
-
Optimizacion: modeFRONTIER
Caso 2
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Modelos de turbulencia Existen diversos modelos para la turbulencia, desde modelos simples denominados “ zeroequation”, de dos ecuaciones hasta modelos más complejos donde se resuelve todo el tensor de Reynolds. El modelo utilizado en estos casos fueron K-e y SST.
Caso 2
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Parametrización A fines de realizar un proceso de optimización del mezclador, se deben definir las variables a modificar. En este caso el tanque es de dimensiones constantes y el impulsor ha sido parametrizado con 7 funciones. 1234567-
Relación diámetro del impulsor / diámetro del tanque Cuerda raíz Cuerda puntera Angulo de ataque en raíz Angulo de ataque en puntera Perfil aerodinámico en raíz Perfil aerodinámico en puntera
Caso 2
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Mallado Hay dos factores esenciales para el correcto modelado de la turbulencia, estos son: 1-Distancia entre el primer nodo de la capa limite y la pared del perfil; 2-Cantidad mínima de nodos de capa limite.
Para el modelo seleccionado de turbulencia, SST es necesario contar con un Y+ cercano a la unidad. Este factor está definido como:
A su vez, la altura total esta dada de la siguiente manera:
donde “q” es la razón de crecimiento de la capa limite, la cual tiene un criterio de 1.3 como máximo para CFD.
Caso 2
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Optimización Se utiliza un algoritmo multi-objetivo creado por Holland, denominado MOGA-II que determina un conjunto de soluciones denominadas “Frontera de Pareto”, esto es un conjunto de posibles soluciones dentro de las variables objetivo seleccionadas.
Funciones objetivo 1. Relación entre el número de bombeado y el número de potencia. Maximizada 2. La varianza de concentración de sólidos en el tanque. Minimizada
Variables de salida Para la correcta definición del modelo más óptimo en cada iteración de la optimización, se fueron midiendo las siguientes variables: 1. Numero de potencia 2. Numero de bombeado 3. “Swirl” medio en el tanque 4. Velocidad media en el tanque 5. Concentración máxima en el tanque 6. Varianza de concentración de sólidos en el tanque 7. Eficiencia de bombeado 8. Valor medio de y+ en la superficie del impulsor 9. Valor medio de y+ en la superficie del tanque 10. Numero de nodos en la malla c omputacional
Caso 2
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Resultados Luego de la optimización, la varianza de concentración fue reducida en 48.5% y la eficiencia de bombeado aumento un 410%. ORIGINAL
OPTIMIZADO
Caso 2
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Resultados Líneas de corriente ORIGINAL
OPTIMIZADO
Caso 2
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Comparación de tiempos de mezclado Se realizó además un estudio de tiempos de mezclado (simulación transitoria, dependiente del tiempo). El resultado de este estudio mostró que el impulsor optimizado presenta una reducción del 30% en el tiempo necesario para realizar una buena homogeneización. ORIGINAL
OPTIMIZADO
Caso 2
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Cálculos estructurales A través de las posibilidades de ANSYS Multiphisics podemos extrapolar los resultados de CFD como condición de carga en un análisis estructural. Modos de vibración
Presiones sobre el perfil
Tensiones equivalentes de Von-Mises
Deformaciones
Caso 2 Cálculos estructurales Para realizar la validación de los resultados, se procedió a la medición del número de potencia, los cuales presentaron un error medio del 6%.
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DEMO - CFX
Demostración práctica •
Simulación
de
un
tanque
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mezclador,
considerando superficie libre (interface entre liquido y gas) •
Este tipo de analisis es utilizado cuando se desea btener, por ejemplo, la deformación de la zona de interface.
•
Esta geometría simplificada contiene: – Tanque – Impulsor
•
La
solución
estacionario.
será
obtenida
en
estado
Iniciando el proceso de simulación
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•
Abrir CFX-Pre
•
Click New Simulation
•
Simulation type
General
Importar el mallado
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•
Click en boton derecho mesh
•
Tipo de archivo
Import mesh
Depende, puede ser cualquier
tipo de mallado, ya sea de Meshing, ICEM, etc. •
Seleccionamos el mallado correspondiente CFX.mshdb
Creación del dominio
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Crear el dominio
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Tanto el agua como el aire serán fluidos continuos.
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Se deben colocar los parámetros de Bouyancy (gravedad)
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Y colocar el movimiento del dominio como rotación.
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Modelos del fluido
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Se realiza un modelado multifáscio homogéneo. FREE SURFACE MODEL.
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No hay transferencia de calor.
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Modelo de turbulencia K-e.
Modelos especificos del fluido
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El modelo de Bouyancy será seteado para ambas faces como “Density
Difference”
Modelos de interface entre fluidos
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Seteamos la tensión superficial con un
coeficiente de 0,072 [N/m]
Condición de cotorno - wall
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Tipo de condición de contorno Wall (Pared)
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Ubicación “tank_wall”
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No slip wall (Paredes sin deslizamiento)
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Counter Rotating Wall (Ya que las paredes del tanque son estacionarias!)
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Condición de contorno - impulsor
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Tipo
de
contorno
Condición Wall
•
Ubicación “impelidor ”
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No slip wall
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de
Condición de contorno - top
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Tipo de Condición de contorno
Wall
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Ubicación “top”
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Free slip wall (No hay corte en este contorno)
Expresiones
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A fin de definir condiciones iniciales del modelo (Pueden utilizarse para muchas otras funcionalidades, por ej. Monitores, generar variables nuevas, etc.). En este caso tenemos; Fracción volumétrica de agua inicial. Fracción volumétrica de aire inicial. Altura inicial de agua. Presión inicial en el tanque. •
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