Titulo:
Simulación dinámica computacional en tanques agitados de fondo cónico con turbina Rushton y de palas inclinadas
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Sumario:
La Dinámica de Fluidos Computacional (CFD en inglés) es una herramienta de uso frecuentepara la optimización y mejora de procesos. En este trabajo se utilizó la simulación CFD paraanalizar la potencia más apropiada en sistemas agitados con tres diferentes tipos de conosen el fondo del tanque y con dos tipos de impulsores: turbina de 4 palas inclinadas a 45°(impulsor axial) y turbina Rushton estándar (impulsor radial). La simulación se realizó en untanque agitado con un diámetro de 27 cm y se analizó diferentes proporciones del diámetroy altura del cono. Además, se evaluaron 4 velocidades de giro (50, 100, 300 y 600 rpm) paradescribir el estado de transición a turbulento. Se utilizó el modelo de esfuerzo de Reynolds(RSM en inglés) con un sis... Ver más
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20
2023-12-19
4010 pp. 1
22
Revista EIA - 2023
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Simulación dinámica computacional en tanques agitados de fondo cónico con turbina Rushton y de palas inclinadas Computational fluid dynamics simulation in cone-bottom stirred tanks with a Rushton and pitchedblade turbines La Dinámica de Fluidos Computacional (CFD en inglés) es una herramienta de uso frecuentepara la optimización y mejora de procesos. En este trabajo se utilizó la simulación CFD paraanalizar la potencia más apropiada en sistemas agitados con tres diferentes tipos de conosen el fondo del tanque y con dos tipos de impulsores: turbina de 4 palas inclinadas a 45°(impulsor axial) y turbina Rushton estándar (impulsor radial). La simulación se realizó en untanque agitado con un diámetro de 27 cm y se analizó diferentes proporciones del diámetroy altura del cono. Además, se evaluaron 4 velocidades de giro (50, 100, 300 y 600 rpm) paradescribir el estado de transición a turbulento. Se utilizó el modelo de esfuerzo de Reynolds(RSM en inglés) con un sistema de referencia móvil. Los resultados de este estudio indicanque hay disminución de la potencia con el impulsor de tipo axial a bajos números de Reynoldsmientras que para el impulsor de tipo radial se presenta un aumento en los valores de potenciacuando se incluye el cono dentro del tanque. Al incrementar el número de Reynolds se tieneun incremento exponencial de la potencia-volumen de cada impulsor. Además, la inclusiónde un impulsor de 4 palas inclinadas en un régimen entre laminar y transición evidencia unahorro significativo en el consumo de potencia y para regímenes turbulentos la inclusión degeometrías en el fondo del tanque afecta el consumo de potencia. Finalmente, los resultadosson validados utilizando datos experimentales y muestran que las desviaciones absolutas sonmenores al 4 %. Computational Fluid Dynamics (CFD) is a tool frequently used for the optimizationand improvement of industrial processes. In this work, the CFD simulation is used foranalyzing the appropriate power in stirred-tank systems with three different types of conesat the bottom of the tank and with two types of impellers: 45° pitch 4- bladed turbine (axialimpeller) and Rushton standard turbine (radial impeller). The simulation was carried out ina stirred tank with a diameter of 27 cm and with different cone diameters and height ratiosare analyzed. Also, 4 rotation speeds (50, 100, 300, and 600 rpm) were evaluated to describethe transition to turbulent states. Reynolds Stress Model (RSM) and the Moving ReferenceFrame are used. The results show that the power decrease with the axial impeller whenthis is operated at low Reynolds number values meanwhile the radial impeller presented anincrease in the values of power when the cone is introduced inside the tank. By increasingthe Reynolds number an exponential increase in the power volume of each impeller ismade. Also, the inclusion of a 4-impeller blade inclination between laminar and transitionshows a significant saving in power consumption and for turbulent regimes, the inclusionof geometries in the bottom of the tank affects power consumption. Finally, the results arevalidated using experimental data and show that the absolute deviations are below 4 %. Cardona Palacio, Luis Fernando Arismendy, Juan E. Quintana Marín, German Camilo Alzate Gil, Hader Humberto Hincapié, Diego A. Tanques agitados; Dinámica de Fluidos Computacional modelos de turbulencia número de potencia turbina Rushton impulsor axial Reynolds RSM optimización procesos Stirred tanks Computational Fluid Dynamics turbulence models power number Rushton turbine axial impeller Reynolds RSM optimization processes 20 40 Núm. 40 , Año 2023 : Tabla de contenido Revista EIA No. 40 Artículo de revista Journal article 2023-12-19 00:00:00 2023-12-19 00:00:00 2023-12-19 application/pdf Fondo Editorial EIA - Universidad EIA Revista EIA 1794-1237 2463-0950 https://revistas.eia.edu.co/index.php/reveia/article/view/1676 10.24050/reia.v20i40.1676 https://doi.org/10.24050/reia.v20i40.1676 spa https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 Revista EIA - 2023 Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0. 4010 pp. 1 22 ANSYS. (2009a). 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A comparative study of three turbulence-closure models for the hydrocyclone problem. International Journal of Mineral Processing, 77(4), pp. 217–230 https://doi.org/10.1016/j.minpro.2005.06.007 Dong, J.; Hu, B.; W Pacek, A.; Yang, X.; Miles, N. (2016). The Effect of Bottom Shape and Baffle Length on the Flow in Stirred Tanks in Turbulent and Transitional Flow. International Academy of Mechanical and Mechatronic Engineering, 10(9), pp. 1644–1653 https://doi.org/10.5281/zenodo.1126537 Guha, D.; Ramachandran, P. A.; Dudukovic, M. P.; Derksen, J. J. (2008). Evaluation of Large Eddy Simulation and Euler-Euler CFD for Solids Flow Dynamics in a Stirred Tank Reactor. American Institute of Chemical Engineers AIChE, 54(3), pp. 766–788 https://doi.org/10.1002/aic.11417 Joshi, J. B.; Nere, N. K.; Rane, C. V.; Murthy, B. N.; Mathpati, C. S.; Patwardhan, A. W.; Ranade, V. V. (2011a). CFD simulation of stirred tanks: Comparison of turbulence models. Part I: Radial flow impellers. 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Chemical Engineering Science, 56(12), pp. 3751-3770 https://doi.org/10.1016/S0009-2509(01)00089-6 Motamedvaziri, S.; Armenante, P. M. (2012). Flow regimes and surface air entrainment in partially filled stirred vessels for different fill ratios. Chemical Engineering Science, 81, pp. 231–250 https://doi.org/10.1016/j.ces.2012.05.050 Naeeni, S. K.; Pakzad, L. (2019). Droplet size distribution and mixing hydrodynamics in a liquid–liquid stirred tank by CFD modeling. International Journal of Multiphase Flow, 120, p. 103100 https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2019.103100 Ochieng, A., & Onyango, M. S. (2008). Homogenization energy in a stirred tank. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 47(9-10), pp. 1853-1860. https://doi.org/10.1016/j.cep.2007.10.014 Ochieng, A.; Onyango, M. S.; Kumar, A.; Kiriamiti, K.; Musonge, P. (2008). Mixing in a tank stirred by a Rushton turbine at a low clearance. 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Laser-Doppler measurements of turbulent-flow parameters in a stirred mixer. Chemical Engineering Science, 44(10), pp. 2207–2221 https://doi.org/10.1016/0009-2509(89)85155-3 Wutz, J.; Waterkotte, B.; Heitmann, K.; Wucherpfennig, T. (2020). Computational fluid dynamics (CFD) as a tool for industrial UF/DF tank optimization. Biochemical Engineering Journal, 160, p. 107617 https://doi.org/10.1016/j.bej.2020.107617 https://revistas.eia.edu.co/index.php/reveia/article/download/1676/1561 info:eu-repo/semantics/article http://purl.org/coar/resource_type/c_6501 http://purl.org/coar/resource_type/c_2df8fbb1 http://purl.org/redcol/resource_type/ART info:eu-repo/semantics/publishedVersion http://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85 info:eu-repo/semantics/openAccess http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 Text Publication |
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La Dinámica de Fluidos Computacional (CFD en inglés) es una herramienta de uso frecuentepara la optimización y mejora de procesos. En este trabajo se utilizó la simulación CFD paraanalizar la potencia más apropiada en sistemas agitados con tres diferentes tipos de conosen el fondo del tanque y con dos tipos de impulsores: turbina de 4 palas inclinadas a 45°(impulsor axial) y turbina Rushton estándar (impulsor radial). La simulación se realizó en untanque agitado con un diámetro de 27 cm y se analizó diferentes proporciones del diámetroy altura del cono. Además, se evaluaron 4 velocidades de giro (50, 100, 300 y 600 rpm) paradescribir el estado de transición a turbulento. Se utilizó el modelo de esfuerzo de Reynolds(RSM en inglés) con un sistema de referencia móvil. Los resultados de este estudio indicanque hay disminución de la potencia con el impulsor de tipo axial a bajos números de Reynoldsmientras que para el impulsor de tipo radial se presenta un aumento en los valores de potenciacuando se incluye el cono dentro del tanque. Al incrementar el número de Reynolds se tieneun incremento exponencial de la potencia-volumen de cada impulsor. Además, la inclusiónde un impulsor de 4 palas inclinadas en un régimen entre laminar y transición evidencia unahorro significativo en el consumo de potencia y para regímenes turbulentos la inclusión degeometrías en el fondo del tanque afecta el consumo de potencia. Finalmente, los resultadosson validados utilizando datos experimentales y muestran que las desviaciones absolutas sonmenores al 4 %.
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Computational Fluid Dynamics (CFD) is a tool frequently used for the optimizationand improvement of industrial processes. In this work, the CFD simulation is used foranalyzing the appropriate power in stirred-tank systems with three different types of conesat the bottom of the tank and with two types of impellers: 45° pitch 4- bladed turbine (axialimpeller) and Rushton standard turbine (radial impeller). The simulation was carried out ina stirred tank with a diameter of 27 cm and with different cone diameters and height ratiosare analyzed. Also, 4 rotation speeds (50, 100, 300, and 600 rpm) were evaluated to describethe transition to turbulent states. Reynolds Stress Model (RSM) and the Moving ReferenceFrame are used. The results show that the power decrease with the axial impeller whenthis is operated at low Reynolds number values meanwhile the radial impeller presented anincrease in the values of power when the cone is introduced inside the tank. By increasingthe Reynolds number an exponential increase in the power volume of each impeller ismade. Also, the inclusion of a 4-impeller blade inclination between laminar and transitionshows a significant saving in power consumption and for turbulent regimes, the inclusionof geometries in the bottom of the tank affects power consumption. Finally, the results arevalidated using experimental data and show that the absolute deviations are below 4 %.
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Canadian Journal of Chemical Engineering, 96(8), pp. 1-12 https://doi.org/10.1002/cjce.23135 Martínez, F. M.; Valencia, A. (2010). Estudio numérico de la fluidodinámica de un estanque de agitación utilizando método de mallas deslizantes (Tesis de pregrado en Ingeniería Civil), Chile, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Departamento de Ingeniería Mecánica, Chile, p. 90. https://repositorio.uchile.cl/handle/2250/103931 McCabe, W. L.; Smith, J. C.; Harriot, P. (2007). Operaciones Unitarias En Ingeniería Química. McGraw Hill, pp. 260-281. Micale, G.; Montante, G.; Grisafi, F.; Brucato, A.; Godfrey, J. (2000). CFD Simulation of Particle Distribution in Stirred Vessels. Chemical Engineering Research and Design, 78(3), pp. 435-444 https://doi.org/10.1205/026387600527338 Montante, G.; Lee, K. C.; Brucato, A.; Yianneskis, M. (2001). Numerical simulations of the dependency of flow pattern on impeller clearance in stirred vessels. 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