AGITAO E MISTURAOperaes 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 cermicaO investimento financeiro (custos de capital e de operao) em processos de mistura considervelo custo resultante da sua inadequao na indstria dos USA foi recentemente estimado em 1 a 10 bilies de $ por ano Mdulo 11

Fundamental adquirir as bases dos conhecimentos fundamentais em processos de misturaexemplo:- seleco do tipo de agitador para uma dada aplicao- anlise do desempenho de instalaes existentes

Os termos agitao, mistura e disperso tm diferentes significadosagitao -processo que permite o movimento global num fluido, promovendo a mistura e a dispersomistura -combinao numa s massamixingno 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)

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

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 final

mistura slido - lquido

promover 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

comportamento reolgico muito complexo(em geral, envolve fenmenos de superfcie e contacto fsico)

mistura gs lquido

gerar uma disperso de bolhas gasosas numa fase lquida contnuaexemplo: - oxidao- hidrogenao- fermentaes biolgicastransferncia de massa associada e por vezes reaco qumica na fase lquidamistura lquido lquido (lquidos imiscveis)

criar uma disperso de gotas de lquido numa fase lquida contnuaexemplo: - extraco lquido - lquido- emulsificao transferncia de massa associada

contacto entre 3 fases

tpico que mereceu uma ateno e estudo especial nos ltimos anosexemplo: - cristalizao por evaporao- hidrogenaomistura de slidos

caracterstica principal segregao (tendncia de as partculas se separarem de acordo com o tamanho e/ou densidade)

a segregao das partculas pede ser causada pela agitao

segregao em banda resultante da rotao do p num cilindroquando uma mistura de partculas de diferentes dimenses derramada sobre um monte, as partculas maiores rodam para as bordas

Mecanismos de MisturaA agitao de um lquido , em geral, realizada num contentor equipado com um agitador (hlice, p ou turbina)

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 controlanteMisturar mais energicamente, ou durante mais tempo, pode ser mais prejudicial do que benfico

exemplo:- bioreactores-cristalizadores-solues polimricas-misturas slidas

os regimes podem ser caracterizados

laminar turbulento transio

os agitadores possuem dimenses comparveis s dos tanques

prximo das superfcies que rodam existem grandes gradientes de velocidade (elevadas tenses de corte) deformaes dos ele- mentos de fluido e estiramentonas disperses e emulses so frequentemente este tipo de esforos (que resultam das tenses de corte e alongamento) que reduzem o tamanho de bolhas e gotas

simultaneamente a diferena de concentraes entre os diferentes elementos reduzida devido difuso molecular, essencialmente quando a rea disponvel para a difuso aumentamistura turbulentaem 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 escoamento tridimensionalas condies fronteira no so conhecidas (em geral)considerar em simultneo equaes para a transferncia de momento, massa e calormistura turbulenta: a intensidade de turbulncia varia muito significativamente com a localizaoa abordagem usando a anlise dimensional foi tentada e verificou-se a sua aplicao com xitoDificuldades:

A diversidade de equipamento de mistura disponvel reflecte a enorme variedade de aplicaes nas diferentes indstriasseleccionar o tipo de sistema de agitao que permite obter o resultado final eficientemente (baixos custos de capital e de operao)

tanques de agitao mecnicamisturadores de jactoin-line static mixers in-line dynamic mixers moinhos de dispersovlvulas homogeneizadorasextrusorasEquipamento Sistemas de Agitao Mecnica

cada tipo de sistema de agitao apresenta ainda diferentes configuraesSistemas de Agitao MecnicaB largura dos anteparosC distncia entre o fundo do tanque e a linha central do agitadorD dimetro do agitadorT dimetro interno do tanqueW largura do agitadorZ altura do fluido no tanque

anteparos

para impedir a formao de vrtice central quando os fluidos de baixa viscosidade so agitados num tanque cilndrico com o agitador montado axialmente

existncia do vrtice central

desvantagensvantagem

- baixo grau de mistura (fluido e - submerso dos slidos em aplicaes onde agitador possuem a mesma velocidade so usadas suspenses angular)- captura de ar pelo lquido- nvel do lquido sobe junto s paredes do tanque4 anteparos equidistantes fixados na superfcie interna da parede do tanque

B/D 1/12turbinas, ps

B/D 1/18hlicesem geral, os anteparos no so necessrios em aplicaes com fluidos de elevada viscosidade

agitadores

a configurao do agitador tem um forte impacto nas caractersticas da agitao e nas necessidades energticas

Turbina

TurbinaHliceP

os agitadores usados em mistura turbulenta normalmente possuem D/T igual a 1/3

gama de variao:0,2 D/T 0,5

notar que os agitadores usados em mistura laminar possuem normalmente dimenses comparveis do tanque

0,7 D/T 1,0o 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 jactosde elevada velocidade foram observadosnas vizinhanas do agitador

vrtices existentes atrs das lminas da turbina de Rusthon

-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 tanque

mistura turbulenta: o padro de escoamento do fluido num tanque agitado depende do tipo de agitador

escoamento axialescoamento radial

a hlice cria um fluxo global axial(usada em suspenses de slidos)

a turbina de lminas planas cria um forte fluxo radial para fora(existem zonas de recirculao na poro superior e inferior do tanque)

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

seleccionando a apropriada combinao dos componentes do equipamento o engenheiro de projecto garantir que o tipo de escoamento resultante seja adequado ao seu objectivo finalClaramente, o tipo de escoamento do fluido depende da geometria do agitador/tanque/anteparos e da reologia do fluido

Tanque de agitao com um lquido Newtoniano de densidade e viscosidade conhecimento da potncia (P) necessria para rodar o agitador essencial no projecto do motor/caixa de transmissoP = f(, , N, g, D, T, W, H, outras dimenses)Variveis de Projecto e Nmeros AdimensionaisN velocidade de rotao

usando a anlise dimensional, o nmero de variveis que descreve o problema pode ser diminudo- nmero de potncia (Po)- nmero de Reynolds (Re)- nmero de Froude (Fr)

Fr usado para ter em conta o efeito do comportamento da superfcie livre do lquido (vrtice central) no Popode ser desprezado para:

-Re pequenos (< 300)-Re elevados nas aplicaes em que se usam anteparosPo = f(Re, razes geomtricas)para sistemas geometricamente semelhantesPo = f(Re)

Curva tpica de potnciaregio laminarPo = K / Re (Re < 10)(K constante que depende da geometria do sistema)regio turbulenta Po = constante (Re > 104)

Curvas de potncia para diferentes tipos de agitadores

indicadores da potncia consumida em certas aplicaesbaixa potnciasuspenses de slidos leves0,2 kW/m3mistura de lquidos pouco viscosos

potncia moderadadisperso de gases0,6 kW/m3contacto lquido/lquidosuspenses de slidos com peso moderado

potncia elevadasuspenses de slidos pesados 2 kW/m3emulsesdisperso de gases

potncia muito elevadamistura de pastas 4 kW/m3

Tempo de misturaperodo de tempo medido a partir do instante em que foi adicionado o traador at que o contedo do tanque atinja o grau de mistura especificadoC concentrao de equilbrio

o tempo de mistura depende ainda da tcnica experimental 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

experincia para determinar o tempo de mistura:(mistura laminar num tanque agitado)

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 desaparecerturbina de Rushton (6 lminas)turbina com lminas inclinadas

Tanque de agitao com um lquido Newtoniano de densidade e viscosidade o tempo de mistura (tM) depende das variveis do processo e de operaotM = f(, , N, g, D, T, W, H, outras dimenses)

usando a anlise dimensionalpara sistemas geometricamente semelhantes e desprezando o efeito de FrNtM = f(Re)

Estudos levados a cabo por diversos autores permitiram estabelecer o seguinte comportamentoo nmero total de revolues necessrio para obter a mistura constante, quer para regies de baixos Re (laminar), quer para regies de elevados Re (turbulento)

em muitos sistemas (gs-lquido ou lquido/lquido) pode acontecer que o processo no seja controlado pelo tempo de misturaa transferncia de massa a etapa controlante