2 - agitação e mistura

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