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AGITAO E MISTURA
Mdulo 11
Operaes de mistura encontram-se frequentemente na indstria em processos que envolvem transformaes fsicas e qumicas indstria alimentar indstria farmacutica indstria do papel indstria dos plsticos indstria cermica
O investimento financeiro (custos de capital e de operao) em processos de mistura considervelrecentemente estimado em 1 a 10 bilies de $ por ano
o custo resultante da sua inadequao na indstria dos USA foi1
Fundamental
adquirir as bases dos conhecimentos fundamentais em processos de mistura
exemplo: - seleco do tipo de agitador para uma dada aplicao - anlise do desempenho de instalaes existentes
2
Os termos agitao, mistura e disperso tm diferentessignificadosagitao mistura mixing - processo que permite o movimento global num fluido, promovendo a mistura e a disperso combinao numa s massa no incio existem 2 ou mais materiais, distintos numa ou mais propriedades (composio, densidade ou temperatura) e aps mistura completa existe uma s entidade num estado de uniformidade mximo possvel (misturas homogneas, dissoluo de slidos em lquidos, mistura de dois lquidos com diferentes temperaturas)
disperso combinao de 2 materiais num produto final onde continuam existir os materiais separados (pores de pequenas dimenses espalhadas umas entre as outras a uma escala que maior do que as dimenses das molculas) (suspenso de slidos, disperso de gases em lquidos, emulses)3
A agitao constitui um excelente exemplo onde o escoamento de fluidos ocorre frequentemente em simultneo com transferncia de massa, reaces qumicas e transferncia de calor Classificar as operaes de mistura em termos das fases (slido, lquido ou gs) envolvidas - classificao geral, independentedos produtos envolvidos ou do tipo de indstria
possvel definir operaes que so comuns a vrias indstrias4
mistura de lquidos (miscveis)processo simples, pois no envolve reaco qumica (em geral) e transferncia de massa interfacialexemplo: - combinao de produtos do petrleo
reduzir as variaes de concentrao para nveis aceitveis
surgem dificuldades quando os lquidos tm viscosidades ou
densidades muito diferentes, ou um dos lquidos corresponde a um pequeno volume da mistura final5
mistura slido - lquidopromover a suspenso de partculas num lquido com viscosidade relativamente baixaexemplo: - cristalizao - reaco em fase lquida com catalisador slido
transferncia de massa e/ou reaco qumica associada(s) dispersar partculas muito finas em lquidos com viscosidade elevadasexemplo: - incorporao de carbon black na borracha
(em geral, envolve fenmenos de superfcie e contacto fsico)6
comportamento reolgico muito complexo
mistura gs lquidogerar uma disperso de bolhas gasosas numa fase lquida contnuaexemplo: - oxidao - hidrogenao - fermentaes biolgicas
transferncia de massa associada e por vezes reaco qumica na fase lquida
mistura lquido lquido (lquidos imiscveis)criar uma disperso de gotas de lquido numa fase lquida contnuaexemplo: - extraco lquido - lquido - emulsificao
transferncia de massa associada7
contacto entre 3 fasestpico que mereceu uma ateno e estudo especial nos ltimos anosexemplo: - cristalizao por evaporao - hidrogenao
mistura de slidoscaracterstica principal segregao (tendncia de as partculas sesepararem de acordo com o tamanho e/ou densidade)
a segregao das partculas pede ser causada pela agitao
8
quando uma mistura de partculas de diferentes dimenses derramada sobre um monte, as partculas maiores rodam para as bordas
segregao em banda resultante da rotao do p num cilindro9
Mecanismos de Mistura
A
agitao de um lquido , em geral, realizada num contentor equipado com um agitador (hlice, p ou turbina) movimento global do fluido pequenos turbilhes no fluido
o agitador ao rodar
A energia mecnica necessria para rodar o agitador transmitida ao fluido10
Embora muitos equipamentos sejam projectados tendo como base o grau de mistura final, a transferncia de massa e as reaces qumicas, em alguns casos a transferncia de calor o mecanismo controlante Misturar mais energicamente, ou durante mais tempo, pode ser mais prejudicial do que benficoexemplo: bioreactores cristalizadores solues polimricas misturas slidas
11
os regimes podem ser caracterizados
laminar transio
turbulento
mistura laminar
associada normalmente a lquidos com elevada viscosidade (> 10 Pa s)foras de inrcia pequenas face aco da elevada viscosidade os agitadores devem constituir uma significante proporo do contentor para que haja movimento global do fluido
12
os agitadores possuem dimenses comparveis s dos tanques
13
prximo das superfcies que rodam existem grandes gradientes de velocidade (elevadas tenses de corte) deformaes dos elementos de fluido e estiramentodiminuio da espessura aumento da rea
y u
t1
t2
t3
t4
nas
disperses e emulses so frequentemente este tipo de esforos (que resultam das tenses de corte e alongamento) que reduzem o tamanho de bolhas e gotas14
simultaneamente
a diferena de concentraes entre os diferentes elementos reduzida devido difuso molecular, essencialmente quando a rea disponvel para a difuso aumenta
mistura turbulenta
em termos prticos, o movimento global do fluido em tanques de mistura turbulento se a viscosidade do fluido < 10 mPa sa inrcia transmitida ao fluido pelo agitador suficiente para este circular facilmente atravs do tanque e regressar ao agitador
o nvel de mistura superior junto do agitador de tenso de corte devido aos vrtices a formados
elevada taxa
15
16
a
difuso turbilhonar (conveco) existente promove a mistura processo mais rpido do que o associado mistura laminar Dificuldades:
o escoamento tridimensional as condies fronteira no so conhecidas (em geral) considerar em simultneo equaes para a transferncia de momento, massa e calor mistura turbulenta: a intensidade de turbulncia varia muito significativamente com a localizao
a abordagem usando a anlise dimensional foi tentada e verificou-se a sua aplicao com xito17
Equipamento Sistemas de Agitao Mecnica
A diversidade de equipamento de mistura disponvel reflecte a enorme variedade de aplicaes nas diferentes indstrias seleccionar o tipo de sistema de agitao que permite obter o resultado final eficientemente (baixos custos de capital e deoperao)
tanques de agitao mecnica misturadores de jacto in-line static mixers in-line dynamic mixers moinhos de disperso vlvulas homogeneizadoras extrusoras
18
cada tipo de sistema de agitao apresenta ainda diferentes configuraes
Sistemas de Agitao MecnicaB largura dos anteparos C distncia entre o fundo dotanque e a linha central do agitador D dimetro do agitador T dimetro interno do tanque W largura do agitador Z altura do fluido no tanque
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a razo Z/T em geral igual a 1gama de variao: 0,5 Z/T 1,0 plana cncava (dished) suspenso de slidos cnica
base do tanque cilndrico
a gama de variao da razo C/T normalmente0,1 C/T 0,4
20
anteparospara impedir a formao de vrtice central quando os fluidos de baixa viscosidade so agitados num tanque cilndrico com o agitador montado axialmente
21
existncia do vrtice centraldesvantagens- baixo grau de mistura (fluido e agitador possuem a mesma velocidade angular) - captura de ar pelo lquido - nvel do lquido sobe junto s paredes do tanque
vantagem- submerso dos slidos em aplicaes onde so usadas suspenses
4 anteparos equidistantes fixados na superfcie interna da parede do tanque B/D 1/12 B/D 1/18 turbinas, ps hlices
em geral, os anteparos no so necessrios em aplicaes com fluidos de elevada viscosidade22
agitadores a configurao do agitador tem um forte impacto nas caractersticas da agitao e nas necessidades energticas
23
Turbina24
P
Turbina Hlice25
26
o tipo de agitador a usar depende fortemente da viscosidade do lquido hlice turbina p ncora (anchor) (5 a 50 Pa s) fita helicoidal (helix)viscosidade aumenta velocidade de rotao aumenta
os
agitadores usados em mistura turbulenta normalmente possuem D/T igual a 1/3 gama de variao: 0,2 D/T 0,527
notar
que os agitadores usados em mistura laminar possuem normalmente dimenses comparveis do tanque 0,7 D/T 1,0
o agitador mais usado provavelmente a turbina com 6 lminas implantadas no disco (agitador de Rushton) o padro de escoamento em torno do agitador tem sido objecto de estudo de muitos investigadores (tcnicas de visualizao e outras)
complexos sistemas turbilhonares e jactos de elevada velocidade foram observados nas vizinhanas do agitador28
vrtices existentes atrs das lminas da turbina de Rusthon
29
- agitador de Rushton utilizado na disperso de gases em lquidos - hlice (3 lminas) usada na mistura de lquidos de baixa viscosidade
- agitador montado centralmente (vertical) o normal - agitador montado inclinado - agitador montado de lado (horizontal) - mltiplos agitadores implantados no mesmo veio - diversos agitadores montados separadamente no mesmo tanque30
mistura turbulenta: o padro de escoamento do fluido num tanque agitado depende do tipo de agitador
escoamento axial
escoamento radial
a hlice cria um fluxo global axial (usada em suspenses de slidos)
31
a turbina de lminas planas cria um forte fluxo radial para fora (existem zonas de recirculao na poro superior e inferior do tanque)
32
o
padro de escoamento pode ser alterado modificando a geometria do agitador- se as lminas da turbina forem inclinadas componente axial originada uma forte
o agitador tipo ncora promove o movimento do fluido junto s paredes do tanque regio perto do veio est praticamente estagnada (escoamento tangencial)
33
para promover o movimento ascendente / descendente do fluido deve-se usar o agitador tipo fita helicoidal
34
Claramente, o tipo de escoamento do fluido depende da geometria do agitador/tanque/anteparos e da reologia do fluido
seleccionando a apropriada combinao dos componentes do equipamento o engenheiro de projecto garantir que o tipo de escoamento resultante seja adequado ao seu objectivo final
35
Variveis de Projecto e Nmeros Adimensionais
Tanque de agitao com um lquido Newtoniano de densidade e viscosidade N velocidade de rotao
conhecimento da potncia (P) necessria para rodar o agitador essencial no projecto do motor/caixa de transmisso
P = f(, , N, g, D, T, W, H, outras dimenses)36
usando a anlise dimensional, o nmero de variveis quedescreve o problema pode ser diminudo
2 ND 2 T W H P = f ' ND , , , , , g D D D N 3D5P N 3 D5- nmero de potncia (Po) - nmero de Reynolds (Re) - nmero de Froude (Fr)37
ND2 ND2 g
Fr
superfcie livre do lquido (vrtice central) no Po
usado para ter em conta o efeito do comportamento da
pode ser desprezado para:
- Re pequenos (< 300) - Re elevados nas aplicaes em que seusam anteparos
Po = f(Re, razes geomtricas) para sistemas geometricamente semelhantes
Po = f(Re)38
Curva
tpica de potncia
regio laminar
(Re < 10)
Po = K / Re
(K constante que depende da geometria do sistema)
regio turbulenta
(Re > 104)
Po = constante39
Curvas
de agitadores
potncia
para
diferentes
tipos
de
40
indicadores da potncia consumida em certas aplicaesbaixa potncia potncia moderada suspenses de slidos leves mistura de lquidos pouco viscosos 0,2 kW/m3
disperso de gases 0,6 kW/m3 contacto lquido/lquido suspenses de slidos com peso moderado suspenses de slidos pesados emulses disperso de gases 2 kW/m3
potncia elevada
potncia muito elevada mistura de pastas
4 kW/m3
41
Tempo
de mistura
perodo de tempo medido a partir do instante em que foi adicionado o traador at que o contedo do tanque atinja o grau de mistura especificadoo traador possui a mesma
e do lquido e miscvel com este
operao simples de mistura
C
concentrao de equilbrio42
o tempo de mistura depende ainda da tcnicaexperimental usada para detectar o traadorexperincia para determinar o tempo de mistura: (mistura turbulenta num tanque agitado)
um cido, ou uma base, adicionado a um tanque que contm uma soluo com um indicador
43
experincia para determinar o tempo de mistura: (mistura laminar num tanque agitado)
turbina de Rushton (6 lminas)
podem existir localmente zonas ainda no misturadas quando o resto do fluido j est bem misturado ao fim de 10 minutos estas zonas podem demorar horas a desaparecer
turbina com lminas inclinadas
44
Tanque de agitao com um lquido Newtoniano de densidade e viscosidade
o tempo de mistura (tM) depende das variveis do processo e de operao
tM = f(, , N, g, D, T, W, H, outras dimenses)45
usando a anlise dimensionalNtM = f(Re, Fr, razes geomtricas)tempo de mistura adimensionalizado
para sistemas geometricamente semelhantes e desprezando o efeito de Fr
NtM = f(Re)46
Estudos levados a cabo por diversos estabelecer o seguinte comportamento
autores
permitiram
o nmero total de revolues necessrio para obter a mistura constante, quer para regies de baixos Re (laminar), quer para regies de elevados Re (turbulento)47
em muitos sistemas (gs-lquido ou lquido/lquido) pode acontecer que o processo no seja controlado pelo tempo de mistura a transferncia de massa a etapa controlante
48