Impulsores. Los impulsores o agitadores para tachos, cuando se diseñan adecuadamente, pueden mejorar significativamente el desempeño de los evapo-cristalizadores. La circulación forzada mejora la transferencia de calor y reduce la duración de cada ciclo de cocimiento, contribuyendo por lo tanto a mejorar la capacidad. También se ha demostrado que los impulsores ayudan a mejorar la calidad del azúcar de alta pureza (Rein 1988), esto como consecuencia de que una mejor circulación lleva a tener condiciones de cristalización más homogéneas dentro del tacho. Sin embargo, un impulsor nunca puede compensar totalmente el hecho de tener un tacho mal diseñado.
La primera etapa de los ciclos de cocimiento se caracteriza por una elevada tasa de evaporación. Dado que la evaporación es intensa, los impulsores no tienen mucho efecto durante este periodo; el efecto de la circulación mecánica es pequeño en comparación con la circulación producida por las burbujas de vapor. A medida que la altura de la masa cocida se incrementa, la presión hidrostática de la masa sobre los tubos de la calandria es mayor, incrementando la temperatura en los tubos y llevando así a una reducción en la diferencia
de temperatura entre masa cocida y vapor calefactor. Durante las últimas etapas del ciclo de cocimiento la tasa de evaporación es mínima, resultando en una baja generación de burbujas. El efecto de la circulación forzada se torna importante en este periodo, y esto se refleja en mayores coeficientes de transferencia de calor en comparación con los tachos de circulación natural (Austmeyer 1986).
En general no existe un acuerdo con respecto a la efectividad económica de los impulsores mecánicos. Su instalación brinda todas las ventajas asociadas con una buena circulación que han sido mencionadas previamente y promueve la circulación al final de la templa. En contraste, elevados costos de capital, entradas de aire y un elevado consumo de potencia, particularmente al final de la templa, están en contra del uso de impulsores mecánicos. Los beneficios en términos de calidad de azúcar usualmente justifican la instalación de impulsores en los cocimientos de refinerías. Sin embargo, en el caso de tachos para cocimientos de alta calidad en azúcar crudo, que cuentan con un diseño adecuado, el uso de impulsores es frecuentemente injustificado.
Los impulsores mecánicos permiten lograr una transferencia de calor aceptable con menores diferencias de temperatura. El uso de vapores de menor presión se hace entonces posible, permitiendo reducir la demanda de vapor de la fábrica de
azúcar.
Los impulsores hacen posible el uso de tubos de descenso de menor diámetro, permitiendo así la instalación de mayor área de transferencia de calor en un tacho de cierto diámetro. El impulsor se instala dentro del mismo tubo de descenso cuando se trata de un impulsor de flujo axial (impulsor de alabes sesgados o tipo marino), o de otro modo se ubica justo por debajo del tubo de descenso en el caso de impulsores de flujo radial. Experiencias con impulsores Kaplan (flujo mixto) y de tipo axial-helicoidal han sido descritas por Purdham y Cox (1990). Diagramas de estos dos tipos de impulsor se presentan en la Figura 15.18.
La potencia instalada debe estar en un rango de 1.0 a 1.7 kW/m3. Tippens (1972) declare que impulsores con potencia instalada 1.6 kW/m3 han brindado buenos resultados. La potencia P en W consumida por un impulsor de diámetro d que rota a n s está dada por la relación:
(formula)
Ne es el número de Newton, que es un número adimensional que depende del tipo de impulsor y su número de Reynolds, con un valor cercano a la unidad para condiciones turbulentas, como es el caso de los cocimientos de alta pureza. El valor de Ne alcanza mayores valores cuando el número de Reynolds es menor (Austmeyer 1986). Para este caso el número de Reynolds
está dado por: (fomrmula)
Para esta fórmula se utiliza la viscosidad efectiva , que está basada en la tasa media de deformación cortante, la cual se sugiere esta alrededor de 11 • /;, donde n es la frecuencia del impulsor (Wilkens et al. 2003). Para valores de Re < 100, Ne = c/Re, en cuyo caso:
(formula)
c es una constante dependiente del tipo de impulsor utilizado y que tiene valores alrededor de 100. Esto aplica usualmente para los cocimientos de baja pureza. Rackemann et al. (2006) dieron a conocer valores de esta constante que varían entre 60 y 140, confirmando la relación anterior.
La forma de la ecuación (15.35) es similar a la esperada para las bombas centrifugas, aunque la dependencia sobre el diámetro del impulsor es algo mayor en esta ecuación. En la práctica la potencia máxima se utiliza únicamente al final del ciclo de cocimiento al concentrar cerca del contenido de sólidos final de la masa cocida; por esta razón en algunos casos se emplean motores de dos velocidades.
La velocidad de punta se debe mantener por debajo de cierto límite máximo designado, o de lo contrario se presenta formación de falso grano. Van der Poel et al. (1998:786)
recomendaron una velocidad máxima de punta de 5.8 m/s, y Kuijvenhoven (1983) una velocidad máxima de 10 m/s. En la práctica se ha encontrado que velocidades de punta por debajo de 7 m/s brindan buenos resultados.
Cada impulsor debe ser diseñado individualmente para el tacho en particular y su tipo de cocimiento. No existe un diseño universal de impulsor utilizable para toda aplicación. Casi nunca es posible transferir un impulsor de un tacho a otro sin que sea necesario rediseñar el sistema, cuando se quieren obtener resultados óptimos.
Inyección de vapor. La instalación de un tubo burbujeador debajo de la calandria para inyectar vapor de baja presión es otra alternativa para ayudar a la circulación en evapo- cristalizadores, mediante reducción de la densidad efectiva de la masa cocida en la calandria, promoviendo pruebas de flotación y mejorando la circulación, particularmente cuando la cabeza hidrostática es más elevada al final del ciclo de cocimiento.
La simplicidad, bajo costo, y ausencia de partes móviles hacen que esta alternativa sea particularmente fácil de poner en práctica. Frecuentemente se aplica para tachos de conocimientos de baja pureza, mientras que son innecesarios en el caso de tachos de alta pureza bien diseñados.
que pasa a través de la masa cocida sin causar ningún sobrecalentamiento o disolución de los cristales. Una ventaja de los burbujeadores de vapor es que pueden ser detenidos en cualquier momento, lo cual no es posible con los impulsores mecánicos, y además pueden ser ajustados para lograr el grado de circulación deseado. Estudios CFD han indicado que la lasa dc circulación puede ser incrementada sustancialmente (Rein el al. 2004). Por lo tanto el efecto do la inyección de vapor, conocida frecuentemente como "steam jigger", es permitir una mayor altura de templa o de la masa cocida, y adicionalmente reducir la duración del ciclo tie cocimiento.
El dimensionamiento de sistemas promotores de circulación por inyección de vapor debe basarse en una máxima lasa de 25 kg/h por m' de volumen de masa cocida del tacho. La dimensión del tubo burbujeador y el número de agujeros se determinan a partir del flujo de vapor requerido. El diámetro del tubo debe ser tal que la caída de presión a través del mismo sea inferior al 10 % de la caída de presión a través de cada agujero. Este es el mismo criterio requerido para el diseño de los anillos de alimentación de evaporadores y las ecuaciones de la Sección 12.7.5 pueden ser utilizadas para ello. Esto asegura que el flujo a través de cada agujero es aproximadamente igual. Para los evapo- cristalizadores más grandes, el uso de un solo anillo
burbujeador puede no ser satisfactorio, sino que se requieren arreglos distintos que permitan producir una distribución uniforme del vapor por debajo de la calandria.
Inyección de aire.
La inyección de aire en lugar del vapor ha sido adoptada en algunas fábricas españolas. La inyección de aire comprimido de 750 KPa precalentado hasta 65-70 °C por debajo de la calandria de tachos de masa A se ha reconocido como efectiva para reducir los tiempos de cocimiento en un 11 % e incrementar el recobrado sin ningún efecto apreciable sobre el vacío del tacho (Stobie 1999). Sin embargo, es la opción requiere una bomba de vacío o eyector mucho más grande para remover la cantidad adicional de aire.