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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
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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
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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)
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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Mecanismos de MisturaA agitao de um lquido , em geral, realizada num contentor equipado com um agitador (hlice, p ou turbina)
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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
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os regimes podem ser caracterizados
laminar turbulento transio
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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 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
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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
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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:
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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
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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
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anteparos
para 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 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
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agitadores
a configurao do agitador tem um forte impacto nas caractersticas da agitao e nas necessidades energticas
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Turbina
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TurbinaHliceP
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os agitadores usados em mistura turbulenta normalmente possuem D/T igual a 1/3
gama de variao:0,2 D/T 0,5
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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
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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 tanque
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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)
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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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para promover o movimento ascendente / descendente do fluido deve-se usar o agitador tipo fita helicoidal
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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
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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
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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)
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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)
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Curva tpica de potnciaregio laminarPo = K / Re (Re < 10)(K constante que depende da geometria do sistema)regio turbulenta Po = constante (Re > 104)
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Curvas de potncia para diferentes tipos de agitadores
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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
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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
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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
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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
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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 operaotM = f(, , N, g, D, T, W, H, outras dimenses)
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usando a anlise dimensionalpara sistemas geometricamente semelhantes e desprezando o efeito de FrNtM = f(Re)
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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)
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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