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1 AGITAÇÃO E MISTURA Operações de mistura encontram-se frequentemente na indústria em processos que envolvem transformações físicas e químicas indústria.

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1 1 AGITAÇÃO E MISTURA Operações de mistura encontram-se frequentemente na indústria em processos que envolvem transformações físicas e químicas indústria alimentar indústria farmacêutica indústria do papel indústria dos plásticos indústria cerâmica … O investimento financeiro (custos de capital e de operação) em processos de mistura é considerável o custo resultante da sua inadequação na indústria dos USA foi recentemente estimado em 1 a 10 biliões de $ por ano Módulo 11

2 2 Fundamental adquirir as bases dos conhecimentos fundamentais em processos de mistura exemplo:- selecção do tipo de agitador para uma dada aplicação - análise do desempenho de instalações existentes

3 3 Os termos agitação, mistura e dispersão têm diferentes significados agitação -processo que permite o movimento global num fluido, promovendo a mistura e a dispersão mistura -combinação numa só massa mixingno início existem 2 ou mais materiais, distintos numa ou mais propriedades (composição, densidade ou temperatura) e após mistura completa existe uma só entidade num estado de uniformidade máximo possível (misturas homogéneas, dissolução de sólidos em líquidos, mistura de dois líquidos com diferentes temperaturas) dispersão –combinação de 2 materiais num produto final onde continuam existir os materiais separados (porções de pequenas dimensões espalhadas umas entre as outras a uma escala que é maior do que as dimensões das moléculas) (suspensão de sólidos, dispersão de gases em líquidos, emulsões)

4 4 A agitação constitui um excelente exemplo onde o escoamento de fluidos ocorre frequentemente em simultâneo com transferência de massa, reacções químicas e transferência de calor Classificar as operações de mistura em termos das fases (sólido, líquido ou gás) envolvidas - classificação geral, independente dos produtos envolvidos ou do tipo de indústria possível definir operações que são comuns a várias indústrias

5 5 mistura de líquidos (miscíveis) processo simples, pois não envolve reacção química (em geral) e transferência de massa interfacial exemplo: - combinação de produtos do petróleo reduzir as variações de concentração para níveis aceitáveis surgem dificuldades quando os líquidos têm viscosidades ou densidades muito diferentes, ou um dos líquidos corresponde a um pequeno volume da mistura final

6 6 mistura sólido - líquido promover a suspensão de partículas num líquido com viscosidade relativamente baixa exemplo: - cristalização - reacção em fase líquida com catalisador sólido transferência de massa e/ou reacção química associada(s) dispersar partículas muito finas em líquidos com viscosidade elevadas exemplo: - incorporação de carbon black na borracha comportamento reológico muito complexo (em geral, envolve fenómenos de superfície e contacto físico)

7 7 mistura gás – líquido gerar uma dispersão de bolhas gasosas numa fase líquida contínua exemplo: - oxidação - hidrogenação - fermentações biológicas transferência de massa associada e por vezes reacção química na fase líquida mistura líquido – líquido (líquidos imiscíveis) criar uma dispersão de gotas de líquido numa fase líquida contínua exemplo: - extracção líquido - líquido - emulsificação transferência de massa associada

8 8 contacto entre 3 fases tópico que mereceu uma atenção e estudo especial nos últimos anos exemplo: - cristalização por evaporação - hidrogenação mistura de sólidos característica principal segregação (tendência de as partículas se separarem de acordo com o tamanho e/ou densidade) a segregação das partículas pede ser causada pela agitação

9 9 segregação em banda resultante da rotação do pó num cilindro quando uma mistura de partículas de diferentes dimensões é derramada sobre um monte, as partículas maiores rodam para as bordas

10 10 Mecanismos de Mistura A agitação de um líquido é, em geral, realizada num contentor equipado com um agitador (hélice, pá ou turbina) movimento global do fluido o agitador ao rodar pequenos turbilhões no fluido A energia mecânica necessária para rodar o agitador é transmitida ao fluido

11 11 Embora muitos equipamentos sejam projectados tendo como base o grau de mistura final, a transferência de massa e as reacções químicas, em alguns casos a transferência de calor é o mecanismo controlante Misturar mais energicamente, ou durante mais tempo, pode ser mais prejudicial do que benéfico exemplo:- bioreactores -cristalizadores -soluções poliméricas -misturas sólidas

12 12 os regimes podem ser caracterizados laminar turbulento transição mistura laminar associada normalmente a líquidos com elevada viscosidade (> 10 Pa s) forças de inércia pequenas face à acção da elevada viscosidade os agitadores devem constituir uma significante proporção do contentor para que haja movimento global do fluido

13 13 os agitadores possuem dimensões comparáveis às dos tanques

14 14 próximo das superfícies que rodam existem grandes gradientes de velocidade (elevadas tensões de corte) deformações dos ele- mentos de fluido e estiramento u y t1t1 t2t2 t3t3 t4t4 diminuição da espessura aumento da área nas dispersões e emulsões são frequentemente este tipo de esforços (que resultam das tensões de corte e alongamento) que reduzem o tamanho de bolhas e gotas

15 15 simultaneamente a diferença de concentrações entre os diferentes elementos é reduzida devido à difusão molecular, essencialmente quando a área disponível para a difusão aumenta mistura turbulenta em termos práticos, o movimento global do fluido em tanques de mistura é turbulento se a viscosidade do fluido é < 10 mPa s a inércia transmitida ao fluido pelo agitador é suficiente para este circular facilmente através do tanque e regressar ao agitador o nível de mistura é superior junto do agitador elevada taxa de tensão de corte devido aos vórtices aí formados

16 16

17 17 a difusão turbilhonar (convecção) existente promove a mistura processo mais rápido do que o associado à mistura laminar o escoamento é tridimensional as condições fronteira não são conhecidas (em geral) considerar em simultâneo equações para a transferência de momento, massa e calor mistura turbulenta: a intensidade de turbulência varia muito significativamente com a localização a abordagem usando a análise dimensional foi tentada e verificou-se a sua aplicação com êxito Dificuldades:

18 18 A diversidade de equipamento de mistura disponível reflecte a enorme variedade de aplicações nas diferentes indústrias seleccionar o tipo de sistema de agitação que permite obter o resultado final eficientemente (baixos custos de capital e de operação) tanques de agitação mecânica misturadores de jacto in-line static mixers in-line dynamic mixers moinhos de dispersão válvulas homogeneizadoras extrusoras … Equipamento – Sistemas de Agitação Mecânica

19 19 cada tipo de sistema de agitação apresenta ainda diferentes configurações Sistemas de Agitação Mecânica B largura dos anteparos C distância entre o fundo do tanque e a linha central do agitador D diâmetro do agitador T diâmetro interno do tanque W largura do agitador Z altura do fluido no tanque

20 20 a razão Z/T é em geral igual a 1 gama de variação:0,5 Z/T 1,0 plana base do tanque cilíndricocôncava (dished) –suspensão de sólidos cónica a gama de variação da razão C/T é normalmente 0,1 C/T 0,4

21 21 anteparos para impedir a formação de vórtice central quando os fluidos de baixa viscosidade são agitados num tanque cilíndrico com o agitador montado axialmente

22 22 existência do vórtice central desvantagensvantagem - baixo grau de mistura (fluido e - submersão dos sólidos em aplicações onde agitador possuem a mesma velocidade são usadas suspensões angular) - captura de ar pelo líquido - nível do líquido sobe junto às paredes do tanque 4 anteparos equidistantes fixados na superfície interna da parede do tanque B/D 1/12turbinas, pás B/D 1/18hélices em geral, os anteparos não são necessários em aplicações com fluidos de elevada viscosidade

23 23 agitadores a configuração do agitador tem um forte impacto nas características da agitação e nas necessidades energéticas

24 24 Turbina

25 25 Turbina Hélice Pá

26 26

27 27 o tipo de agitador a usar depende fortemente da viscosidade do líquido hélice turbina pá âncora (anchor) (5 a 50 Pa s) fita helicoidal (helix) viscosidade aumenta velocidade de rotação aumenta os agitadores usados em mistura turbulenta normalmente possuem D/T igual a 1/3 gama de variação:0,2 D/T 0,5

28 28 notar que os agitadores usados em mistura laminar possuem normalmente dimensões comparáveis à do tanque 0,7 D/T 1,0 o agitador mais usado é provavelmente a turbina com 6 lâminas implantadas no disco (agitador de Rushton) o padrão de escoamento em torno do agitador tem sido objecto de estudo de muitos investigadores (técnicas de visualização e outras) complexos sistemas turbilhonares e jactos de elevada velocidade foram observados nas vizinhanças do agitador

29 29 vórtices existentes atrás das lâminas da turbina de Rusthon

30 30 -agitador de Rushton utilizado na dispersão de gases em líquidos -hélice (3 lâminas) usada na mistura de líquidos de baixa viscosidade -agitador montado centralmente (vertical) – o normal - agitador montado inclinado -agitador montado de lado (horizontal) - múltiplos agitadores implantados no mesmo veio -diversos agitadores montados separadamente no mesmo tanque

31 31 mistura turbulenta: o padrão de escoamento do fluido num tanque agitado depende do tipo de agitador escoamento axialescoamento radial a hélice cria um fluxo global axial (usada em suspensões de sólidos)

32 32 a turbina de lâminas planas cria um forte fluxo radial para fora (existem zonas de recirculação na porção superior e inferior do tanque)

33 33 o padrão de escoamento pode ser alterado modificando a geometria do agitador -se as lâminas da turbina forem inclinadas uma forte componente axial é originada o agitador tipo âncora promove o movimento do fluido junto às paredes do tanque região perto do veio está praticamente estagnada (escoamento tangencial)

34 34 para promover o movimento ascendente / descendente do fluido deve-se usar o agitador tipo fita helicoidal

35 35 seleccionando a apropriada combinação dos componentes do equipamento o engenheiro de projecto garantirá que o tipo de escoamento resultante seja adequado ao seu objectivo final Claramente, o tipo de escoamento do fluido depende da geometria do agitador/tanque/anteparos e da reologia do fluido

36 36 Tanque de agitação com um líquido Newtoniano de densidade e viscosidade conhecimento da potência (P) necessária para rodar o agitador é essencial no projecto do motor/caixa de transmissão P = f(,, N, g, D, T, W, H, outras dimensões) Variáveis de Projecto e Números Adimensionais N velocidade de rotação

37 37 usando a análise dimensional, o número de variáveis que descreve o problema pode ser diminuído - número de potência (Po) - número de Reynolds (Re) - número de Froude (Fr)

38 38 Fr é usado para ter em conta o efeito do comportamento da superfície livre do líquido (vórtice central) no Po pode ser desprezado para: -Re pequenos (< 300) -Re elevados nas aplicações em que se usam anteparos Po = f(Re, razões geométricas) para sistemas geometricamente semelhantes Po = f(Re)

39 39 Curva típica de potência região laminar Po = K / Re (Re < 10) (K – constante que depende da geometria do sistema) região turbulenta Po = constante (Re > 10 4 )

40 40 Curvas de potência para diferentes tipos de agitadores

41 41 indicadores da potência consumida em certas aplicações baixa potênciasuspensões de sólidos leves0,2 kW/m 3 mistura de líquidos pouco viscosos potência moderadadispersão de gases0,6 kW/m 3 contacto líquido/líquido suspensões de sólidos com peso moderado potência elevadasuspensões de sólidos pesados 2 kW/m 3 emulsões dispersão de gases potência muito elevadamistura de pastas 4 kW/m 3

42 42 Tempo de mistura período de tempo medido a partir do instante em que foi adicionado o traçador até que o conteúdo do tanque atinja o grau de mistura especificado o traçador possui a mesma e do líquido e é miscível com este operação simples de mistura C concentração de equilíbrio

43 43 o tempo de mistura depende ainda da técnica experimental usada para detectar o traçador experiência para determinar o tempo de mistura: (mistura turbulenta num tanque agitado) um ácido, ou uma base, é adicionado a um tanque que contém uma solução com um indicador

44 44 experiência para determinar o tempo de mistura: (mistura laminar num tanque agitado) podem existir localmente zonas ainda não misturadas quando o resto do fluido já está bem misturado ao fim de 10 minutos estas zonas podem demorar horas a desaparecer turbina de Rushton (6 lâminas) turbina com lâminas inclinadas

45 45 Tanque de agitação com um líquido Newtoniano de densidade e viscosidade o tempo de mistura (t M ) depende das variáveis do processo e de operação t M = f(,, N, g, D, T, W, H, outras dimensões)

46 46 usando a análise dimensional Nt M = f(Re, Fr, razões geométricas) tempo de mistura adimensionalizado para sistemas geometricamente semelhantes e desprezando o efeito de Fr Nt M = f(Re)

47 47 Estudos levados a cabo por diversos autores permitiram estabelecer o seguinte comportamento o número total de revoluções necessário para obter a mistura é constante, quer para regiões de baixos Re (laminar), quer para regiões de elevados Re (turbulento)

48 48 em muitos sistemas (gás-líquido ou líquido/líquido) pode acontecer que o processo não seja controlado pelo tempo de mistura a transferência de massa é a etapa controlante


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