Comprensión del número de Reynolds para tanques de mezcla

El número de Reynolds ayuda a determinar cómo se mueve el fluido dentro del depósito (o en una tubería).

Para simplificarlo, el número de Reynolds indica si el líquido quiere fluir fácilmente o resistirse al movimiento y cuándo se producirá la transición.

Diseñar un agitador sin tener en cuenta el número de Reynolds a menudo conduce a:

• Mezcladora sobredimensionada y consumo innecesario de energía
• Mezcladora de bajo rendimiento con zonas muertas y malos resultados de proceso
• Mayor desgaste del equipo, mantenimiento y costes de funcionamiento

La optimización del diseño del impulsor y de los parámetros de funcionamiento para obtener el régimen de caudal adecuado proporciona un rendimiento superior y una eficacia a largo plazo.

Al seleccionar o diseñar un mezclador de tanque, el número de Reynold ayuda a predecir cómo responderá el fluido a la agitación y si el mezclador puede lograr la mezcla, dilución, suspensión u homogeneización deseadas.

Define el régimen de flujo, de laminar a turbulento. Conocer el régimen de flujo es crucial para elegir el tipo de impulsor adecuado y la velocidad de rotación de la mezcladora , garantizando una transferencia óptima de energía sin derroches.

En la mezcla industrial, el flujo turbulento suele ser el régimen deseado, porque reduce las zonas de estancamiento y mejora la transferencia de masa.

Dado que el número de Reynolds es adimensional, es independiente del sistema de unidades o del tamaño relativo del sistema. El único requisito es mantener la coherencia de las unidades, por ejemplo, utilizando unidades del SI como en nuestro ejemplo.

Al mezclar en un depósito, el número de Reynolds (Re) nos indica cómo fluirá el fluido. La aparición del movimiento turbulento corresponde a un número de Reynolds de aproximadamente 3.000.

A medida que aumenta este número, aumentan las turbulencias, lo que provoca cambios notables en el aspecto de la operación de mezcla. Este se vuelve completamente turbulento para un número de Reynolds superior a 6.000.

• Re < 3.000: el flujo es laminar.

El flujo es lento, suave y estratificado, lo que significa que dos flujos separados se mueven en la misma dirección en capas paralelas, lo que implica una mezcla lenta.

Esto ocurre con fluidos muy viscosos como adhesivos, polímeros, lodos de aguas residuales o cremas. Se utilizan impulsores de bajo cizallamiento para evitar dañar el producto. 

• 3.000 < Re < 6.000: el flujo es transitorio, inestable, entre los dos estados.

Esto ocurre con fluidos de viscosidad media, como jarabes y lodos.

• Re > 6.000 el flujo es turbulento. En la mezcla industrial, el flujo turbulento es generalmente la condición ideal a alcanzar.

En régimen turbulento, el fluido no fluye en capas. El flujo es caótico, enérgico, implica una mezcla enérgica, mucho más rápida para permitir una buena dispersión y mantener en suspensión.

Este es el régimen de flujo más común en la industria donde se utilizan mezcladoras industriales. El agua y los disolventes, por ejemplo, son productos poco viscosos que se mezclan fácilmente.

Ejemplo de cálculo con agua:

Agua a 20 °C: ρ ≈ 1000 kg-m-³, μ ≈ 0,001 Pa-s

• Diámetro del impulsor: D = 2 m
• Velocidad de rotación del mezclador: 180 rpm. Entonces N = 180/60 = 3 s-¹

Con Re = 12.000.000: el flujo es turbulento. Se espera una fuerte mezcla, una buena suspensión (con la debida holgura fuera del fondo y deflectores).

El número de Reynolds influye directamente en varios parámetros a la hora de seleccionar y diseñar un mezclador:

Tipo de impulsor

• Bajo Re / Flujo laminar: Se utilizan impulsores de flujo radial como ancla, cinta helicoidal, doble helicoidal. Se prefieren los impulsores de gran diámetro.
• Flujo de transición: Turbinas de álabes inclinados o rodetes de flujo axial Axial Impellers for High-Efficiency Mixing , a menudo de varias etapas.
• Alta Re / Flujo turbulento: Impulsores de flujo axial como los hidroplanos o impulsores de flujo radial como las turbinas Rushton.

Diámetro del impulsor (D)

Un impulsor más grande aumenta el número de Reynolds (como D²), lo que conduce a una mezcla más eficaz.

• Un mayor diámetro del impulsor aumenta fuertemente la Re.
• Anclajes con una relación D/T típicamente que oscila entre 0,7 y 0,95.
• Los impulsores de flujo axial como el HXP suelen tener una relación D/T que oscila entre 0,3 y 0,5.

Velocidad de rotación de la mezcladora (N) y potencia del motor

Aumentar la velocidad de rotación de la mezcladora (N) incrementa el número de Reynolds y empuja el flujo hacia la turbulencia:

• Aumentar N para empujar hacia la turbulencia cuando sea factible.
• Un Re bajo favorece un par elevado y una velocidad baja, lo que implica aumentar la potencia del motor. Ajuste en función de los límites de potencia y de par .

Viscosidad del fluido (μ)

Los fluidos muy viscosos, es decir, con un Re bajo, son más difíciles de mezclar y corren el riesgo de formar zonas de estancamiento.