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

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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

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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

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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

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os agitadores possuem dimenses comparveis s dos tanques

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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

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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

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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

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

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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

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Turbina24

P

Turbina Hlice25

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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

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- 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)

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

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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

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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

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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

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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

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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

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