2 - agitação e mistura
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Agitação e Mistura
MISTURA A operação de mistura é amplamente utilizada na
indústria farmacêutica com a finalidade de obter produtos uniformes, tanto na forma líquida como sólida
A mistura é uma operação durante a qual se efetua a combinação uniforme de vários componentes de uma formulação
Mistura: distribuição aleatória de duas ou mais fases, inicialmente separadas, umas nas outras e cuja finalidade é promover a homogeneização do sistema.
Agitação e mistura: reorientação de partículas em relação umas as outras, de modo a se obter uniformidade em um sistema
FINALIDADES DA MISTURA E AGITAÇÃO
Promover o contato íntimo entre as substâncias melhor controle de reações químicas, transferência de massa mais eficiente nos
processos de extração destilação, cristalização, secagem, etc)
Preparar materiais com propriedades não necessariamente presentes nos ingredientes - emulsões
Mistura de dois líquidos miscíveis preparo de soluções
Dissolução de sólidos em líquidos preparo de soluções
Dispersar um gás em um líquido como finas bolhas, como oxigênio do ar em uma suspensão de microrganismos para fermentação ou para o processo de lodo ativado no tratamento de efluentes.
Suspensão de finas partículas sólidas em um líquido preparo de suspensões.
Agitação do fluido para aumentar a transferência de calor entre o fluido e uma superfície
FINALIDADES DA MISTURA E AGITAÇÃO
Na indústria farmacêutica a operação de agitação e mistura é amplamente encontrada e indispensável no processo de fermentação (produção de antibióticos) e homogeneização de mistura de componentes constituintes de um determinado produto. Na etapa de agitação e mistura dentro de um biorreator a agitação produz os seguintes efeitos:
dispersão dos reagentes e o máximo de contato entre os mesmos, para que estes possam se transformar em produtos,
dispersão de ar na solução, homogeneização do sistema a fim de igualar a
temperatura no mesmo, dispersão de microrganismos e nutrientes sólidos, etc.
FINALIDADES DA MISTURA E AGITAÇÃO
Fatores que influenciam a escolha de um equipamento de mistura
exigências do processo as propriedades do escoamento dos fluidos do
processo Para líquidos: Viscosidade, densidade, relação
entre as densidades, miscibilidade Para sólidos: granulometria, densidade, relação
entre densidades, forma, aderência, molhabilidade os custos do equipamento e sua manutenção,
tempo requerido e energia necessária para a mistura
os materiais de construção necessários: aço inoxidável acabamento espelhado
Tipos de impulsores: para líquidos pouco viscosos Para líquidos muito viscosos
Tanque Agitado
Tanque Agitado
Tanque Agitado
Impulsor ou rotor instalado em um eixo e acionado por um sistema de motor e redutor de velocidade.
Tanque Agitado
Tanque Agitado
Chicanas ou defletores: Próximo à parede para líquidos de baixa
viscosidade. Afastados da parede para líquidos de
viscosidade moderada. Afastados da parede e inclinados para
líquidos de alta viscosidade.
Descrições Importantes
Propulsores ou hélices: dirigem o fluido para o fundo do tanque, onde a corrente se espalha radialmente em todas as direções e sobe ao longo da parede do tanque retornando a zona de sucção do rotor. São utilizados quando são necessários grandes correntes verticais
Pás: fornecem um bom fluxo radial no plano do rotor, mas não fornecem fluxo vertical, sua principal limitação. Não servem por exemplo para manter sólidos suspensos
Descrições Importantes
Turbina: movimentam o fluido radialmente contra a parede do tanque onde a corrente se divide. Uma parte se dirige ao fundo e volta ao centro do rotor enquanto a outra sobre em direção à superfície e retorna ao rotor por cima (zona de sucção). São geradas duas circulações distintas. Desenvolvem excelente fluxo radial e bons fluxos verticais. Mostram-se eficientes na mistura de líquidos de mesma gravidade específica. Em tanques cilíndricos verticais a ´profundidade do líquido deve ser igual ou maior ao diâmetro do tanque. Se necessário profundidades maiores são montados dois ou mais rotores no mesmo eixo
Descrições Importantes
Chicanas (inibidores de vórtice, dificultores) : são tiras perpendiculares à parede do tanque, geralmente quatro tiras são suficientes, que interferem no fluxo rotacional sem interferir no fluxo radial e axial
Potencia de Agitação
A Potência de agitação depende:
- Tipo de misturador usado- altura da coluna líquida- Freqüência do agitador- Diâmetro do tanque- densidade e viscosidade do líquido.
Equipamentos de Mistura
MISTURAS DE LÍQUIDOS
Mistura de Líquidos
A seleção do tipo de equipamento é determinada pelos fatores: Viscosidade medida da resistência ao
escoamento
Miscibilidade: mistura de líquidos miscíveis e mistura de líquidos imiscíveis emulsificação
Densidade, relação entre as densidades
Mistura de Líquidos
surgem dificuldades quando os líquidos têm viscosidades ou densidades muito diferentes, ou um dos líquidos corresponde a um pequeno volume da mistura final
MECANISMOS DE MISTURA DE LÍQUIDOS
MISTURA POR CONVECÇÃO movimento de porções relativamente grandes do material
que está sendo misturado de um local para outro no sistema.
Predomina em misturadores que movem porções adjacentes de fluido em diferentes direções dispersando o sistema nas três dimensões.
MISTURA TURBULENTA flutuações aleatórias da velocidade no fluido em qualquer
ponto do sistema é um mecanismo efetivo de mistura porque diferenças de velocidade produzem uma distribuição aleatória das partículas do fluido
Conjunto de turbilhões (remoinhos) de tamanhos variados - escala de turbulência distribuição de tamanhos dos redemoinhos
MECANISMOS DE MISTURA DE LÍQUIDOS
MISTURA LAMINAR Ocorre:▪ Quando fluidos altamente viscosos são
misturados▪ Quando a agitação é suave▪ Em camadas de líquidos adjacentes às
superfícies dos equipamentos. requer um tempo muito longo para a completa
homogeneização do sistema.
MECANISMOS DE MISTURA DE LÍQUIDOS
DIFUSÃO MOLECULAR É descrito pela Lei de Fick: a taxa de transporte de
massa (dm/dt) através da área interfacial A é proporcional ao gradiente de concentração (dc/dx).
D é o coeficiente de difusão: depende do tamanho das moléculas que se difundem e também da viscosidade do meio.
A mistura por difusão pode ser bastante demorada pois com o tempo o gradiente de concentração vai se reduzindo
EQUIPAMENTOS PARA MISTURA DE LÍQUIDOS
O equipamento é selecionado considerando a viscosidade dos produtos que serão misturados
A energia para a propulsão necessária para o processo é obtida basicamente através dos seguintes dispositivos: impulsores (agitadores) ; correntes de ar; jatos de líquidos.
IMPULSIONADORES DE LÍQUIDOS
Componentes da velocidade do líquido:
MISTURAS DE LÍQUIDOS DE VISCOSIDADE
PEQUENA A MODERADA
Hélices, Pás, Turbinas
PADRÕS DE FLUXO
O movimento do fluído, ou padrão de fluxo, em um tanque agitado depende do tipo de rotor selecionado, das características do fluído, tamanho e proporções do tanque (geometria, dos inibidores de vórtices (baffles) e do agitador
A velocidade do fluido em qualquer ponto do tanque possui três componentes:
Radial – atua na direção perpendicular ao eixo do rotor Longitudinal – atua na direção paralela ao eixo do rotor Tangencial ou rotacional – atua na direção tangente, o
que propicia um movimento circular ao redor do rotor
PADRÕES DE FLUXO
Fluxo Axial
São aqueles cujas pás fazem um ângulo menor que 9 com o plano de rotação do impulsor
Ex: hélices, turbinas, pás inclinadas
Fluxo Radial
Tem suas pás paralelas ao eixo de rotação. Este fluxo é perpendicular a parede do tanque.
Ex: turbina, pás, âncora, grade
Fluxo Tangencial
Este fluxo atua na direção tangente, o que proporciona um movimento circular ao redor do rotor
Em alguns casos a componente tangencial é desvantajosa, pois tem uma
trajetória circular e cria um vórtexna superfície, não possibilitando a mistura longitudinal entre os níveis
Vórtice
Um vórtex ou vórtice é um escoamento giratório onde as linhas de corrente apresentam um padrão circular ou espiral.
São movimentos espirais ao redor de um centro de rotação.
FORMAÇÃO DO VÓRTICE: Produzido pela ação da força centrífuga que age no líquido em rotação, devido à componente tangencial da velocidade do fluido. Geralmente ocorre em líquidos de baixa viscosidade (com agitação central).
Vórtice é produzido pela ação da força centrífuga que age no líquido em rotação, devido à componente tangencial da velocidade do fluido. Geralmente ocorre para líquidos de baixa viscosidade (com agitação central).
O problema de formaçãode vórtice se resolve:
colocando chicanas (defletores) descentralizar o agitador inclinar o agitador de 15° em relação ao centro do tanque
colocar o agitador na horizontal; Usar defletores
Formação do Vórtice
Vórtice e Defletores
HÉLICES
Para fluidos de baixa viscosidade ˂ ¼ diâmetro do tanque Folhas curtas, girando em alta velocidade (500 a
~10.000 rpm) O padrão de circulação axial. Suspensão de sólidos, mistura de fluidos
miscíveis e transferência de calor. Possui uma ampla faixa de rotações
HÉLICES
Misturadores de Hélices: Hélice Marinha
são utilizados para misturas de sólidos e emulsões.
Geram um nível médio de turbulência. Como são pesados são utilizados quando de pequeno diâmetro, operando a alta velocidade
Misturadores de Hélices: : Impulsor Maxflo
Alto bombeamento.Excelente na suspensão de
sólidos abrasivos e no caso de certa presença de gases
Misturadores de Hélices: Impulsor ChemShear Impeller
Trabalham bem quando é requerido um cisalhamento moderadamente alto, mas com um certo bombeamento que a maioria das turbinas não oferece.
Misturadores de Hélices: Impulsores com alto Cisalhamento
São projetadas para uso em dispersão, dissolução, emulsificação de materiais sólidos/líquidos/gasosos.
Produz alto cisalhamento, bombeamento e redução de tamanhos de aglomerados
Tanque agitado por Hélices
HÉLICES – Padrões de Fluxo
Posição do agitador influencia aeficiência de mistura
MISTURADOES DE PÁS
PÁS - USO
Manipulação de substâncias cristalinas frágeis
Misturas de líquidos miscíveis Preparo de soluções de produtos
sólidos Para melhorar o fluxo do produto são
colocados anteparos ( defletores, chicanas )
Misturadores de Pás: Fita Dupla Helicoidal
Utilizados para mistura de fluidos muito consistentes.
Indicado quando se requer mistura de líquidos e sólidos
Viscosidades entre 5 e 50 Pa.s.
Misturadores de Pás :Fita Helicoidal com parafuso
Usos recomendados: eficiência razoável em altas viscosidades e regime laminar. Tempos de mistura são da mesma ordem ou maiores que os de dupla fita.
Parafuso central efetivamente remove sólidos e fluidos desde a parede, na medida que cria um fluxo axial ascendente
Misturadores de Pás : Ancora
É o mais econômico dos impulsores de pás, trabalhando em regime laminar e com fluidos muito viscosos
Tempos de mistura mais longos que em impulsores de fitas helicoidal
Misturadores de Pás : Ancora
Misturadores de Pás : Parafusos
Tamanho relativo: metade do diâmetro do tanque
Usos recomendados: mistura efeitva em polímeros, alta viscosidade
Bom bombeamento do topo até a base
Adequado para fluídos psedoplásticos
Turbinas de Pás Retas
Grande intervalo de viscosidade: 10-3 <µ< 50 Pa.s (1 <µ< 50 000
centipoises) Os impulsores de pás verticais fornecem
um fluxo radial adequado para agitação de fluidos viscosos.
Os de pás inclinadas apresentam escoamento axial que é útil para suspensão de sólidos, fluidos muito consistentes
Misturadores de Turbina
Impulsor com mais de quatro folhas montadas sobre o mesmo elemento e fixas a um eixo rotatório
Menores que as pás 30 a 50% do diâmetro do tanque Velocidades: 30 – 500rpm
Misturadores de Turbina: Rushton
Estas turbinas de disco e pás são adequadas para agitação de fluidos poucos viscosos e alta velocidade.
Se usam na dispersão de gases em líquidos, na dispersão de sólidos, na mistura de fluidos imiscíveis, e na transferência de calor.
Distribuem a energia de maneira uniforme. O padrão de escoamento é misto. D = 1/3 T
Misturadores de Turbina: : Turbinas de Pás Planas
Mistura de alto custo de energia Emulsão líquido-líquido ou
suspensão de sólidos Não é recomendado para dispersão
de gases
Misturadores de Turbina: Turbinas de Pás Curvas
Impulsor eficiente de escoamento radial
Para operações sensíveis à velocidade e quando se requer altas velocidade na parade no tanque
Misturadores de Turbina: Turbina Smith
Impulsor dipersor de gás Altamente efetiva para dispersão de
volumes altos de gases Pode dispersar 6 vezes mais volume
que a de Rushton Não é muito sensível a mudança de
viscosidade
Misturadores de Turbina: Turbinas de Pás Inclinadas
Pode trabalhar em regime laminar ou turbulento
Bom impulsor quando existe muita variação de viscosidade ao longo do processo, causando variação do regime entre turbulento e laminar
Bom impulsor para suspensão de sólidos
Comparação Hélices/Turbina
HÉLICES Autolimpantes Uso em larga gama
de velocidades Efeito de corte a
altas velocidades Não danificam
partículas dispersas e altas velocidades
Pouco consumo de energia
TURBINAS Excelentes para
produzir circulação Limitadas por estrita
gama de velocidades Geralmente montadas
em eixo vertical Eficientes para fluidos
de alta viscosidade São facilmente
entupidas por partículas sólidas
São de fabrico dispendioso
Projetos de impulsores diversos: Impulsor contracorrente
Impulsor muito eficiente para misturas especiais e para fluidos pseudoplásticos e altas viscosidades
Ação dupla – projeto para diâmetro grandes
Projetos de impulsores diversos: Impulsor contracorrente
Projetada para fornecer alta taxa de oxigenação superficial, com boa mistura.
Objetivo: aeração de águas de grande diâmetro e pás curvas promove aeração
Projetos de impulsores diversos: Impulsor de baixo cisalhamento
Projetado para materiais muito sensíveis ao cisalhamento
Projetado para usos que se faz necessário certa aplicação de cisalhamento
devido à movimentaçãode fluidos requerido para suspender sólidos, dispersar gases, ou misturar líquidos que são sensíveis ao cisalhamento.
Projetos de impulsores diversos: Hydrofoil
Baixo cisalhamento para fluidos de viscosidade (até 2.500cp)
Mistura e suspensão de sólidos.
MISTURADORES PARA PASTAS DE GRANDE
VISCOSIDADE
Misturadores p/ pastas de grande viscosidade
Misturadores p/ pastas de grande viscosidade
Misturador Industrial
Cálculos
A variável mais importante em cálculos envolvendo o processo de agitação e mistura é a Potência necessária para realizar tal dispersão. Cálculos incorretos na etapa de fermentação podem acarretar em:
uma potência menor que a necessária, pode causar a decantação de partículas e/ou microrganismos no recipiente,
uma potência maior que a necessária, aumenta o fluxo de microrganismos (no caso) que através de choques podem romper sua membrana celular perdendo assim sua função ou ainda o descontrole da viscosidade necessária.
Cálculos
Em termos de cálculos, para determinar a potencia necessária de agitação, é preciso saber primeiramente que tipo de movimento (fluxo) que o líquido em agitação apresenta, pois, dependendo deste, será o cálculo da potência.
Um líquido em agitação pode apresentar movimento:
laminar turbulento
A distinção entre esses dois tipos de movimento pode ser observada conforme a figura abaixo:
Cálculos(a) nessa situação, as veias do fluxos (ou lâminas, se considerado o aspecto tridimensional) escoam de maneira uniforme, sem mistura com as demais. Há então a situação de escoamento laminar.(b) Se a vazão é gradualmente aumentada, observa-se que, a partir de determinado valor, o filete de tinta deixa de ser regular, mostrando claras perturbações laterais . Isso significa que a velocidade superou algum valor crítico, provocando instabilidades nas linhas de fluxo. Essa condição é denominada escoamento turbulento.
Passos para a determinação da potencia em um agitador
1º passo: Saber se o fluxo é laminar ou turbulento.
Para tal determinação é necessário encontrar o valor do “Número de Reynoulds”.
No caso de um tanque agitado, a dimensão geométrica de referência é o diâmetro do agitador, representado também pela letra D, e a velocidade de referência é a velocidade da extremidade do agitador que pode ser relacionada com a freqüência de rotação, N. Disto resulta o seguinte número de Reynolds
Passos para a determinação da potencia em um agitador
Onde: Re = número de Reynolds, ρ = densidade = massa específica
(kg/m3) Di = diâmetro do agitador (m) N = velocidade ou freqüência do
agitador (rps - rotações por segundo) μ = viscosidade (kg/m.s)
Passos para a determinação da potencia em um agitador2º passo: Analisar:
Se Reynoulds for um valor muito grande (maior que 104), o fluxo é turbulento,
Se Reynoulds for um valor pequeno (menor que 10), o fluxo é laminar
3º passo: aplicar a fórmula da potencia, Para fluxo laminar: P = Kt. N2.Di3. μ
Para fluxo turbulento: P = KL. N3.Di5. ρ
Onde: P= potencia K = constante dependente da
geometria do recipiente e da forma do agitador
Passos para a determinação da potencia em um agitador
Passos para a determinação da potencia em um agitador
Tipo de Impulsor KL KT
Hélice, passo quadrado , 3 lâminas
41,0 0,32
Hélice, passo 2, 3 lâminas 43,5 1,00
Turbina, 6 lâminas planas 71,0 6,30
Turbina, 6 lâminas curvas 70,0 4,80
Ventilador turbina, 6 lâminas
70,0 1,65
Pás planas, 2 lâminas, W/Da=1/5
36,5 1,70
Turbina sem chicanas 172,5 1,12