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Instrumentación de un equipo de agitado con fines didácticos Télécharger gratuit Extenso SOMI Durango pdf
SOMI
CONGRESO DE INSTRUMENTACION
XXX Edicion, Durango, Dgo., Mexico, octubre 2015
LLni/CI
CENTRO BE CIEHOAS APuCAOAS
Y OESARROUO TECNOtOCICO
Instrumentacion y control de un prototipo de mezclado
con fines didacticos
Garcia Lopez Jorge Isaac, Bazan Ramirez Miguel Angel, Cordova-Aguilar Maria Soledad
Universidad Nacional Autonoma de Mexico
Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnologico
Circuito Exterior s/n, Coyacan, Ciudad Universitaria, 04510 Ciudad de Mexico, D.F.
jorgeisaac_59@hotmail.com, guelmi.nazab@gmail.com, marisol. cordova @ccadet.unam.mx
RESUMEN
En las universidades y centros de investigacion se requiere de la tecnologfa en laboratories
como apoyo en el proceso de aprendizaje, sin prescindir de la interaction entre alumnos y
profesores. Ademas, es necesaria una actualizacion y mantenimiento constante dado su
continuo uso en el desarrollo de practicas que permiten recrear fenomenos fisico-
quimicos. Lo anterior, deriva en la necesidad de desarrollar un equipo que sea capaz de
reproducir los procesos de mezclado industriales a escala, como apoyo en el proceso de
aprendizaje de ciertos parametros como consumo de potencia y la visualizacion del
fenomeno de mezclado. Se desarrollo la electronica y la interfaz requerida para el control
de las operaciones del prototipo, para el control de velocidad del agitador asi como el
registro de la medicion del par de torsion necesario para el calculo de potencia
administrada al sistema y la adquisicion de imagenes del proceso, con las cuales sera
posible determinar diametros promedio de objetos dispersos. Asi mismo, se llevo a cabo
la caracterizacion del sistema con dos fluidos de prueba (polientilenglicol y glicerina) y tres
geometrias de agitadores (Rushton, Scava, Helicoidal), obteniendo como resultados el
consumo de potencia en funcion de la velocidad angular del agitador ademas de la
obtencion de imagenes en video para evaluar tiempos de mezclado.
PALABRAS CLAVE: instrumentacion, prototipo de mezclado, interfaz electronica
1 INTRODUCCION
El desarrollo de las diferentes tecnologias (mecanica, electrica, quimica, etc.) a lo largo de
la primera mitad del siglo XX dio lugar a una paulatina elevacion de la complejidad de los
procesos industriales, haciendo necesario que ciertas variables fisicas tengan que ser
monitoreadas y controladas de forma sistematica y de manera mas precisa. En las
industrias quimica, de alimentos, farmaceutica, de papel, de plastico, petroquimica y
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minera, entre otras, la operacion de mezclado, desempena un papel fundamental, ya que
se requiere de la dispersion y homogenizacion de varias fases. Con fines didacticos, se hizo
el desarrollo de un prototipo experimental a escala que permita reproducir los procesos
de mezclado industriales, demostrar visualmente la manera en que se Neva a cabo el
mezclado y permita al usuario asociar otros parametros de importancia como la potencia
y la eficiencia segun el tipo de agitador y su velocidad. Se implemento una tecnica
sencilla, que permite reforzar el proceso de aprendizaje sobre los parametros
involucrados en el mezclado como: el consumo de potencia y la visualizacion del
fenomeno de mezclado. La presente propuesta tiene como fin controlar y monitorear el
sistema de mezclado asi como la adquisicion y procesamiento de datos. Para el lo se
implemento la electronica y la interfaz desarrollada en una PC, para el funcionamiento del
prototipo, el control de velocidad del agitador asi como el registro del par de torsion y la
adquisicion de imagenes del proceso.
2 DESCRIPCION DEL PROTOTIPO
El prototipo esta compuesto de tres subsistemas; el mecanico, el electrico electronico y la
interfaz. Estos subsistemas se interconectan como se muestra en la figura 1.
Dispositivo
Mecan
Ml
M2
d-n
Celda de
carga
Electronica
Fuente de
energia
Acondicionamiento
de senales
n
^-i — j
■ i
Etapa de
A
1
—
i.
■ i
' i
■ i
potencia
l
Interfaz de
Usuario
D
Figura 1. Diagrama general del prototipo.
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Cabe mencionar que las camaras que se utilizan para grabar las imagenes del experimento
estan conectadas directamente al equipo de computo, donde se muestra la interfaz de
usuario, por lo que estas no entran en el bloque de electronica.
3 DESCRIPCION ELECTRICA-ELECTRONICA.
El sistema electronico se compone de 6 elementos: el microcontrolador, el sistema de
alimentacion o fuente de energia, la etapa de potencia, el acondicionamiento de senales,
actuadores y sensores (figura 1). Es importante mencionar que los actuadores y sensores
estan montados en la parte mecanica.
El microcontrolador MSP430 LaunchPad de Tl tiene como funcion reconocer y activar los
motores que dan movimiento a la estructura, es decir, acciona el motor que esta
conectado al tornillo sinfin y posicionar el agitador dentro del recipiente asi como
controlar la velocidad del agitador. Estas instrucciones son emitidas desde la interfaz de
usuario en una PC desde se esta emitiendo un protocolo de comunicacion al
microcontrolador. Una vez que establece la comunicacion, se decodifica que instruccion
es la que tiene que ejecutarse y se realiza.
Por otro lado, la fuente de energia tiene como objetivo proveer de voltaje a los circuitos
logicos con 6 V, mientras que a los motores les brinda un voltaje de 24 V y 12 V. Ademas
resiste los picos de corriente de hasta 7 A. El objetivo de la etapa de potencia es
aprovechar el voltaje obtenido de la fuente y activar los motores, separando los voltajes
altos de alimentacion de las senales de activacion de los motores lo que permite que la
etapa de potencia funcione del mismo modo que un relevador.
El acondicionamiento de senales sirve para filtrar y amplificar las senales de los sensores y
tener una mejor lectura. Las senales que lee el microcontrolador son 5, dos senales por
motor que pertenecen a los canales de los encoders (decodificadores) y la serial de la
celda de carga. Este ultimo, a diferencia de los encoders que son senales digitales, es una
serial analogica (voltaje). El sensor de presion o celda de carga tiene como finalidad
transformar la fuerza que percibe, en un voltaje proporcional a la deformacion que causa
esta fuerza.
Por ultimo se tienen dos actuadores, que en este caso son motorreductores. El primer
motor (Ml) es el encargado de posicionar al agitador en su altura de trabajo y funciona a
12 V, con un par de torsion de 12.2 kg. cm, una reduccion de 50:1 y una velocidad maxima
200 rpm. Del mismo modo, se tiene el motor (M2) que proporciona la velocidad rotacional
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y potencia que se requiere en el agitador, el cual trabaja a 24 V, con 16 kg. cm, una
reduccion de 49:1 y una velocidad maxima de 150 rpm.
4 DESCRIPCION MECANICA
La estructura que le da soporte al prototipo esta formado por una base fabricada con una
placa de aluminio de dimensiones 200x280x9.5 mm y una columna hecha con una solera
de aluminio de 495x50.8x9.5 mm. La estructura es sostenida por cuatro perfiles cuadrados
del mismo material de 30 mm (figura 2).
Por otra parte, se tiene un sistema de tornillo sinfin acoplado de manera flexible a Ml. El
tornillo esta acoplado de manera concentrica al eje de Ml, tiene un diametro de 12.7 mm,
un paso de 1.954 y una longitud de 85 mm. En ambos extremos del tornillo se encuentran
dos bujes de laton que lo restringen a realizar un movimiento rotacional sobre los ejes
perpendiculares del eje axial de la flecha de Ml. De forma paralela al tornillo, se
encuentra una barra rectificada de acero inoxidable de un diametro de 6.35 mm que
permite el desplazamiento de un rodamiento lineal, con lo que se consigue reducir los
momentos angulares que genera el soporte deM2.
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Figura 2. Diagrama de partes mecanicas del prototipo.
El soporte de M2esta manufacturado en una solera de aluminio de 195x50.8x9.5 mm,
tiene dos barrenos, uno de ellos es para colocar el casquillo que contiene al rodamiento
que permite el paso de la barra rectificada, mientras que el otro barreno Neva un buje
roscado de un diametro de 12.7 mm con un paso de 1.954 mm por donde pasa el tornillo
sin fin. M2 esta conectado a la flecha del agitador mediante un cople flexible de aluminio.
Ademas, para evitar que la flecha tenga momentos angulares sobre los ejes
perpendiculares del eje axial de la flecha, se coloco un buje concentrico a la flecha de M2
en una base en forma de L, la cual a su vez esta sujeta al soporte. Por otro lado, la base de
M2 tiene una escuadra que va por debajo de esta misma, evitando que haya momentos
angulares en la base del motor. Un extremo de la escuadra va directamente soldada a la
base del motor, mientras que el otro extremo Neva soldado un casquillo que contiene un
segundo rodamiento lineal que permite el paso de la barra rectificada. La base del buje
para la flecha del motor, la escuadra y el casquillo son de aluminio y la flecha del agitador
es de acero inoxidable de 6 mm de diametro.
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Del mismo modo, el prototipo cuenta con un tanque cilindrico transparente de vidrio, con
fondo piano, de un diametro interior de 80 mm y una altura de 110 mm. Ademas, el
prototipo tiene una base con rodamiento axial debajo del tanque cilindrico, esta base gira
debido a que el movimiento rotacional que ejerce el agitador sobre liquido es transmitido
a esta base. De este modo se calcula un par de torsion equivalente mediante un brazo de
palanca que ejerce una fuerza sobre la celda de carga. Esta caracteristica es de utilidad
para poder medir la potencia que ejerce el motor sobre el liquido, considerando las
perdidas por el rodamiento. Cabe mencionar que la base tiene un orificio que nos permite
tener una visualizacion de la parte inferior del tanque con la camara.
Por ultimo, la agitacion mecanica se Neva a cabo mediante los impulsores o agitadores,
que son los dispositivos que promueven la dispersion de solidos, liquidos o gases en
liquidos, ademas de aumentar la transferencia de masa. Los agitadores que se
construyeron fueron 3 agitadores de flujo radial y un agitador de cinta helicoidal (figura 3).
Los agitadores de tipo radial se caracterizan por tener 6 paletas como la turbina Rushton,
mientras que los de flujo radial pueden tener de 3 a 4 paletas como una helice o propela
marina.
Figura 3. Agitadores de tipo radial y helicoidal.
5 DESCRIPCION DE LA INTERFAZ.
El medio por el cual el usuario se comunica y maneja el prototipo, se desarrollo en una
plataforma LabVIEW. Esta plataforma permite el desarrollo y diseno de sistemas de
control en tiempo real y simulaciones.
La interfaz tiene como objetivo controlar el sistema mecanico y adquirir imagenes o
frames por segundodel proceso de agitacion. Esta adquisicion se realiza por medio de dos
camaras posicionadas por el frente y debajo del tanque cilindrico. Esta interfaz cuenta con
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una serie de botones de tipo pulsadores y enclavados, que permiten manejar el sistema
mecanico, ademas de mostrar en un display que es lo que estan capturando las camaras.
La interfaz contiene 5 botones con un indicador luminoso, colocados en la parte izquierda
de la pantalla y acomodados en forma de columna (figura 4). Los primeros dos,
empezando por la parte superior, sirven para poder posicionar al agitador y son de tipo
pulsador, el siguiente boton es enclavado y sirve para habilitar la velocidad del agitador, y
por ultimo hay dos botones de tipo pulsador, uno de ellos detiene el agitador y el otro
detiene el proceso completo de agitado para poder habilitar el boton de subir la
estructura. Existe un boton adicional que sirve para el paro de emergencia, este boton es
de tipo pulsador y no tiene indicador luminoso. Del mismo modo, la interfaz contiene una
perilla que permite seleccionar la velocidad de trabajo del agitador en un rango de 0 a 145
rpm.
Seleccionar Microcontrolador
Controles de posicion de agitador
Acceder a la funcion de agitado
Detener el agitado
Terminar proceso
Seleccionar camara
Verificacian
Display
^ — i
Control de velocidad
Paro de emergencia
Figura 4. Interfaz de usuario.
Sin embargo, para poder utilizar estas funciones de los botones, primero se debe
establecer la comunicacion con el microcontrolador mediante un cuadro de texto o
control textual, que te permite seleccionarlo con un identificador o el nombre del
microcontrolador, que en este caso se maneja como COM1, COM2 y asi sucesivamente.
Posteriormentese elige en un cuadro de texto similar,la camara que se va a mostrar en el
display con identificadores tales como caml, cam2, etc.
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Es importante mencionar que este medio de comunicacion contiene otros dos cuadros de
texto que muestran el mensaje que se recibe y se envia al microcontrolador para verificar
que el funcionamiento del sistema esta estable.
6 RESULTADOS
Con el prototipo en funcionamiento se realizaron pruebas preliminares de proceso de
mezclado. Las mezclas que se utilizaron fueron agua o glicerina con verde de bromocresol,
como colorante universal, el cual cambia de tono al modificar el pH. Estas pruebas de
funcionamiento se hicieron utilizando una turbina Rushton. Las condiciones de velocidad
en operacion para ambas mezclas fueron:
Asi mismo se adquirieron imagenes del proceso con glicerina (figura 5). Con ayuda del
rodamiento en la base del tanque, se observo que la mezcla con agua no hizo un
movimiento que pudiera generar una fuerza considerable en el sensor, por el contrario, la
glicerina si ocasiono cierta fuerza de presion en el sensor teniendo una lectura
proporcional a esta fuerza, sin embargo la magnitud del valor de la lectura fue muy
pequeno.
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Figura 5. Imagenes de mezcla de glicerina con verde de bromocresol.
7 CONCLUSIONES
El prototipo del sistema de mezclado opera de manera correcta bajo las especificaciones
establecidas, es decir, se opera en el rango de velocidades de 0 a 145 rpm. La posicion del
agitador respecto al fondo del vaso de mezclado es reproducible. El arreglo del brazo de
palanca y la celda de carga se comporto de la manera en que se esperaba. No obstante la
sensibilidad del sistema no permite adquirir datos para mezclas con muy baja viscosidad
(vg: agua).. Este comportamiento se debe a que la viscosidad del agua no permite tener
un efecto de rotacion considerable en la base del tanque, mientras que para la glicerina si
se ejerce una fuerza de presion en el sensor que permite tener lecturas. Se puede utilizar
el sistema disenado y construido para la visualizacion del mezclado y adquirir imagenes
que demuestran de manera visual como es que la mezcla se va haciendo homogenea en
funcion del fluido de prueba y las diferentes geometrias de agitadores ademas de poder
determinar la potencia suministrada al sistema. Este prototipo es un sistema portatil, por
lo que se puede trasladar a los diferentes ambientes de ensenanza.
A futuro se pretende trabajar con otros fluidos y modificar la celda de carga para evaluar
par de torsion de sensibilidad menor, para sustancias poco viscosas. Asi mismo se
pretende validar los contenidos de los protocolos de practicas en sesiones con estudiantes
y con especialistas de ensenanza.
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AGRADECIMIENTOS
Se agradece a la Dra. Vega-Alvarado por el soporte tecnico en la implementacion de la
tecnica para procesar las imageries de tiempos de mezclado y a la Dl Sandra Angeles por la
carcasa y presentation funcional final del prototipo.
REFERENCIAS
Ascanio, G.,Castro, B. and Galindo, E. (2004) Measurement of power consumption in
stirred vessels: A review. Chemical Engineering Research and Design, 82(A9), 1282-1290.
McCabe, W. L., Smith, J. C., y Harriot, P. (2007). Cap. 9: Agitacion y mezcla de liquidos. En:
Operaciones unitarias en ingenieria quimica (pp. 259 - 309). Mexico: McGraw-Hill
Interamericana.
Middleton, J.C. and Smith, J.M. (2004). Chap. 11: Gas-Liquid Mixing in Turbulent Systems.
In: Paul, E., Atiemo-Obeng, V., Kresta, S. (Eds.), Handbook of Industrial Mixing: Science and
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Nienow, A. W. (1998) Hydrodynamics of stirred bioreactors. Applied Mechanical Reviews
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Resendiz, R., Martinez, A., Ascanio, G. and Galindo, E. (1991) A new pneumatic bearing
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Technology 14:105-108.
Vega-Alvarado L., Taboada B., Hidalgo-Millan A., Ascanio G. (2011) Image analysis method
for the measurement of mixing times in stirred vessels. Chemical engineering Technology
34: 859-866.
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