Estudio experimental sobre el comportamiento de flujo y suministro de potencia de fluidos viscoelásticos agitados por un agitador de haz transversal de tres niveles con palas inclinadas.

Abstract

[ES] Esta tesis trata sobre procesos de mezcla en los que uno o más de los líquidos de mezcla tienen propiedades de flujo viscoelástico. Los principales fluidos seleccionados en este estudio se utilizan particularmente en la industria de alimentos, polímeros y biotecnología. Los ejemplos de aplicación típicos son los reactores de biogás, la fermentación con Xanthomonas campestris así como la polimerización en masa de estireno a poliestireno. En los procesos de agitación, cuando se utilizan fluidos viscoelásticos, las propiedades de flujo observadas difieren considerablemente de las presentes en los fluidos newtonianos, lo que da como resultado un peor rendimiento de mezcla. Actualmente, no existen correlaciones generalmente válidas para predecir la entrada de energía en función del número de Reynolds (reología, geometría y velocidad de rotación) o para escalar el proceso de agitación cuando se utilizan fluidos viscoelásticos. Además, también existe una falta de comprensión sobre cómo las propiedades reológicas afectan el comportamiento de estos fluidos. Para estudiar y comprender el comportamiento del flujo que presentan este tipo de fluidos, se van a realizar dos experimentos principales. Por un lado, se estudiará el patrón de flujo utilizando PIV estéreo con resolución de fase. La velocimetría por imagen de partículas (PIV) es una técnica no invasiva con la que se puede obtener el campo de velocidad en fluidos transparentes. Se utiliza un plano vertical de un rayo láser pulsado para iluminar las partículas fluorescentes dispersas en la solución viscoelástica, que son grabadas por dos cámaras. Comparando las posiciones de las partículas entre dos fotogramas consecutivos capturados por las cámaras, se puede calcular el movimiento del líquido (correlación cruzada) y luego también el campo de velocidad tridimensional. Por otro lado, al mismo tiempo, la potencia necesaria se puede registrar con un sensor de par. Finalmente, una vez que se obtienen y analizan los resultados; el objetivo principal es correlacionarlos con los datos reológicos y valorar el posible escalado del proceso. Además, para estudiar el proceso de escalado, las mediciones de torque también se probarán en un set más pequeño con los mismos fluidos.

[EN] This thesis is about mixing processes in which one or more of the mixing liquids have viscoelastic flow properties. The main fluids selected in this study are particularly used in the food, polymer and Biotechnology industry. Typical application examples are the biogas reactors, fermentation with Xanthomonas campestris as well as the bulk polymerization of styrene to polystyrene. In stirred processes, when using viscoelastic fluids, flow properties observed differ considerably from the ones Newtonian fluids present, resulting into a worse mixing performance. Currently, no generally valid correlations for predicting power input as a function of Reynolds number (rheology, geometry and rotational speed) or for upscaling the stirring process when viscoelastic fluids are used exist. Besides, there is also a lack of understanding on how rheological properties affect these fluids behavior. In order to study and understand the flow behavior this kind of fluids present, two main experiments are going to take place. On the one hand, the flow pattern is going to be studied making use of phase resolved stereo PIV. Particle Image Velocimetry (PIV) is a non-invasive technic with which the speed field in transparent fluids can be obtained. A vertical plane of a pulsed laser beam is used in order to illuminate fluorescent particles dispersed in the viscoelastic solution, which are recorded by two cameras. Comparing particle positions between two consecutive frames captured by the cameras, the movement of the liquid can be calculated (cross-correlation), and then also the three-dimensional velocity field. On the other hand, at the same time, the power needed can be recorded with a torque sensor. Eventually, once the results are obtained and analyzed; the main goal is to correlate them with rheological data and asses the possibility of scaling the process. In order to study the scaling process, torque measurements will be also tasted in a smaller set with the same fluids.