UNIVERSIDADE REGIONAL DE BLUMENAU

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS

ENGENHARIA QUÍMICA

AMANDA MADRUGA BUENO

ANA CAROLINE KLEMZ

ANGELA MARCHI KRAUSE

FERNANDA RAQUEL WUST SCHMITZ

GUILHERME DE COSTA

MISTURADORES ESTÁTICOS

BLUMENAU

2012

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AMANDA MADRUGA BUENO

ANA CAROLINE KLEMZ

ANGELA MARCHI KRAUSE

FERNANDA RAQUEL WUST SCHMITZ

GUILHERME DE COSTA

MISTURADORES ESTÁTICOS

Trabalho sobre Misturadores Estáticos,

apresentado na disciplina de Operações

Unitárias II, do curso de Engenharia

Química, na Universidade Regional de

Blumenau.

Professor: Edelberto Luiz Reinehr

BLUMENAU

2012

3

ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 1 Aplicações e características dos misturadores estáticos...................................11

Tabela 2 Parâmetros de mistura e perda de carga para misturadores estáticos em

Regime Laminar..............................................................................................................15

Tabela 3 Parâmetros de mistura e perda de carga para misturadores estáticos em

Regime Turbulento..........................................................................................................15

4

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 Misturador estático Kenics KMS........................................................................7

Figura 2 - Misturador Sulzer SMX....................................................................................8

Figura 3 Misturador Sulzer SMV......................................................................................8

Figura 4 Misturador estático (a) ALETAS e (b) EDA......................................................8

Figura 5 Modelos de misturadores estáticos.....................................................................9

Figura 6 Modelos de misturadores estáticos....................................................................11

Figura 7 Funcionamento do misturador estático.............................................................12

Figura 8 Seções transversais do misturador estático Kenics KMS em processo de

mistura em escoamento laminar......................................................................................13

Figura 9 Seções transversais do misturador estático Sulzer SMX em processo de mistura

em escoamento laminar...................................................................................................13

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SUMÁRIO

CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO .................................................................................... 6

CAPÍTULO 2 - EVOLUÇÃO DOS MISTURADORES ESTÁTICOS ..................... 7

2.1 Tipos e Histórico ......................................................................................................... 7

CAPÍTULO 3 - MISTURADORES ESTÁTICOS ....................................................... 9

3.1 Mecanismo de funcionamento dos misturadores estáticos ........................................ 11

3.2 Eficiência de mistura ................................................................................................. 12

3.2.1 Parâmetros para eficiência da mistura .................................................................... 14

5. CONCLUSÃO ............................................................................................................ 18

REFERÊNCIAS ............................................................................................................ 19

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1. INTRODUÇÃO

Os misturadores estáticos são usados em aplicações industriais para

homogeneização e mistura de líquidos diferentes, gases, gases com líquidos e/ou sólidos

granulados. Tecnologia de pequena manutenção e fácil instalação que proporciona

sensíveis melhoras de processo.

Estes, durante décadas foram estudados e desenvolvidos para uso nas indústrias.

Suas aplicações foram bem estudadas, para poder atender a cada tipo de processo.

Os misturadores estáticos são formados por uma série de elementos geométricos

que fazem a mistura, fixados dentro de um tubo. Eles utilizam a energia do fluxo para

criar a mistura dos corpos e devem funcionar com a menor perda de carga possível.

7

2. EVOLUÇÃO DOS MISTURADORES ESTÁTICOS

2.1 Tipos e histórico

Os primeiros misturadores estáticos foram desenvolvidos no final da década de

1950 para fluidos viscosos, mas somente nos anos 70 é que se iniciou um processo de

estudos e desenvolvimento destes tipos de misturadores (PAHL e

MUSCHELKNAUTZ, 1982 e FERNANDES, 2005).

Taber (1959) utilizou um misturador estático em linha, composto por um metal

espiralado inserido num tubo, para a mistura de resinas viscosas. Nobel (1962)

descreveu um elemento de mistura que permite a divisão do escoamento em um tubo

por meio de dois anéis. Schippers (1965) descreveu o processo de rotação e divisão do

fluxo utilizando elementos de mistura com dutos retangulares. Ingles (1963) utilizou

elementos de mistura compostos por quatro grupos de dutos circulares adjacentes, cada

qual rotacionando o fluxo de líquido em 90º.

Armeniades et al. (1966) desenvolveram um misturador estático com baixa

geração de perda de carga. Esse tipo de misturador foi desenvolvido e utilizado pela

empresa Chemineer Inc. com a marca Kenics. O misturador consiste em elementos

helicoidais com torção alternada, justapostos um com o outro a um ângulo de 90º e

situados dentro de uma carcaça tubular. Os meios fluidos são forçados a se misturarem

mediante uma sequência de divisões e recombinações com a formação de 2n camadas

por n elementos. Cada elemento promove um giro de 180º no fluxo, arranjado em

sequência alternada. O desempenho deste misturador está associado à divisão do fluxo,

bem como a reversão e ação de mistura radial.

Figura 1 – Misturador Estático Kenics KMS

Fonte: Chemineer (2011)

8

Tauscher e Schutz (1973) desenvolveram um misturador estático para regime

laminar de múltiplos canais com baixa geração de perda de carga para a empresa Sulzer

Bros que foi denominado Sulzer SMX. O projeto consistiu em dividir o fluxo de fluido

em correntes individuais forçando-as a se encontrarem transversalmente ao longo dos

elementos de mistura, composto de barras a 45° em relação ao eixo axial do tubo.

Diversas versões deste misturador foram criadas, permitindo seu emprego em fluxos

turbulentos com o misturador estático tipo Sulzer SMV.

Figura 2- Misturador Sulzer SMX Figura 3- Misturador Sulzer SMV

Fernandes (2005) avaliou dois misturadores denominados de ALETAS e EDA,

selecionados em um trabalho anterior. Utilizou a fluidodinâmica computacional para

realizar a otimização dos misturadores estáticos. Realizou ensaios de escoamento

laminar e turbulento nas novas geometrias. Após a análise dos resultados, verificou-se

que o misturador tipo ALETAS é adequado para operar em regime laminar e o EDA

pode ser operado em ambos os regimes. Os misturadores obtiveram desempenho similar

aos misturadores comerciais Kenics e ao Sulzer SMX. A Figura 2.5 ilustra este tipo de

misturadores.

Figura 4 – Misturador estático (a) ALETAS e (b) EDA

Fonte: Fernandes (2005)

9

Liu et al. (2006) estudaram modificações no projeto do misturador estático SMX

para melhorar a mistura e verificaram que todos os três fluxos típicos (cisalhamento

simples, alongamento e espremendo) apareciam dentro do misturador.

Lehwald et al. (2010) destacaram a importância da utilização dos misturadores

estáticos como equipamentos para mistura de fluxos altamente viscosos (por exemplo,

produtos farmacêuticos, de biotecnologia, engenharia de alimentos, produção de

polímeros) para quantificar o fluxo induzido por misturas em grandes escalas (macro-

micro), bem como mistura induzida por difusão molecular em pequenas escalas (micro

mistura).

No Brasil, porém, inexistem estudos publicados sobre estes aparatos, bem como

não é conhecida nenhuma empresa que os produza ou comercialize com tecnologia

nacional. Suas aplicações em nossas indústrias de processos, restritas e recentes,

dependem de tecnologia de desenvolvimento e de aplicação estrangeiras, encarecendo e

dificultando seu emprego.

3. MISTURADORES ESTÁTICOS

Os misturadores estáticos são equipamentos formados por uma série de

elementos geométricos que fazem a mistura, fixados dentro de um tubo. Podem ser

desenvolvidos em Aço Carbono, Aço Inoxidável, PVC e Fibra de Vidro. Utilizam parte

da energia cedida para o bombeamento dos fluidos para promover a mistura em um

processo contínuo, minimizando o uso de equipamentos e instalações industriais. Cada

tipo de aplicação e vazão identifica um tipo de geometria interna do misturador, o

número de seções ou comprimento do misturador e o diâmetro.

Figura 5 – Modelos de misturadores estáticos

10

Podem ser utilizados em processos envolvendo transferência de momento, troca

térmica e transferência de massa. Os misturadores são habilitados a operar em uma

larga faixa de temperatura, sob altas pressões e em ambientes químicos severos.

Suas aplicações são encontradas nos mais variados ramos industriais, tais como:

Mistura química, tratamento de água, mistura de óleo cru, dessalinização

bruta e injeção de aditivos.

Para líquidos e em pó mistura, reação, extração, de separação, composição,

coloração, emulsificação, de troca de calor, controle de pH, neutralização e

difusão.

Para indústria de alimentos/farmacêutica: para aplicações como óleos

comestíveis, maionese, chocolate, sorvete, leite, ketchup, produtos

farmacêuticos.

Na área de fluidos viscosos - Pressão Alta: para corantes de resinas

derretidas e misturas de polímeros, extrusão de plásticos, processamento de

fibras químicas, adesivos e outros fluidos de alta viscosidade.

Aplicação em mistura de Gases (Ozônio e Oxigênio) e Água: Nas

dissoluções de gás em água como na aeração e na aplicação de ozônio, o

misturador, colocado depois do Venturi, aumenta de 100 a 200% a eficiência

de transferência de massa para o líquido.

No tratamento convencional de Água e Efluente

Os modelos tipo Kenics são indicados para fluidos de maior viscosidade se

comparados com os modelos tipo LPD. O desempenho do misturador estático tipo

Kenics foi investigado numericamente (ARIMOND e ERWIN, 1985; DACKSON e

NAUMAN, 1987; LING e ZHANG, 1995) e com fluxos tridimensionais (KHAKHAR

et al., 1987; KUSCH e OTTINO, 1992), colocando- o sempre entre os melhores

misturadores para regime turbulento, tanto na questão de consumo de energia quanto de

eficiência de mistura. Os modelos tipo SMX e SMX(n) são equipamentos de alta

eficiência tanto em fluidos como gases.

11

Figura 6 – Modelos de misturadores estáticos

Por não possuírem partes móveis não apresentam problemas de selagem ou de

rolamentos. Os custos operacionais e o capital investido para a aquisição do

equipamento são muito menores do que para os misturadores dinâmicos.

Segundo Joaquim Junior (2008), a aplicação destes misturadores ainda é restrita

para alguns processos específicos por questões tecnológicas, principalmente, pelo

pouco conhecimento de técnicos e engenheiros dos fenômenos físicos que regem sua

aplicação. A inexistência de tecnologia nesta área impõe a dependência frente a

empresas de outros países, encarecendo e dificultando sua aplicação.

Tabela 1 - Aplicações e características dos misturadores estáticos

3.1 Mecanismos de funcionamento dos misturadores estáticos

Os misturadores estáticos constituem-se de elementos defletores, montados no

interior de trechos de tubos. A mistura ocorre pela ação de difusão do escoamento ao

passar pelos elementos do misturador. A energia utilizada para a mistura é decorrente da

12

perda de carga gerada pelo fluido ao percorrer os elementos de mistura por ação de

bombeamento mecânico ou da gravidade (JOAQUIM JÚNIOR, 2008).

O processo de mistura em misturadores estáticos pode ser compreendido quando

se relacionam as variáveis de queda de pressão, distribuições de velocidade, tempo de

residência, fator de atrito, viscosidade, densidade e outras relações de fase na

homogeneização do misturador estático. Conforme mostra a Figura 7, na fase de

homogeneização ocorrem as etapas de divisão do Fluxo (1); o fluxo então é dividido e

forçado contra as paredes opostas (2); desenvolvimento de um vórtice de mistura (3);

divisão do vórtice na fase 1 com rotação Inversa (4).

Figura 7 – Funcionamento do misturador estático

Fonte: SNatural Ambiente, 2011

Segundo Boss e Czastkiwicz (1982), os misturadores estáticos consomem menos

energia do que os misturadores dinâmicos.

Os custos de manutenção e operação são quase eliminados, e podem ser

empregados em uma ampla faixa de temperaturas e pressões. Outra vantagem é a

precisão com que se alcança a mistura terminal, qualquer que seja a demanda do

sistema, e sem necessidade de controle (PERRY e GREEN, 1997).

3.2 Eficiência de Mistura

Segundo Etchells III e Meyer (2004) todos os misturadores estáticos utilizam o

princípio de divisão do escoamento em correntes secundárias, as quais são distribuídas

radialmente e recombinadas em uma sequência reordenada. O número de camadas do

13

escoamento é aumentado e a espessura das mesmas é diminuída a cada passagem pelos

sucessivos elementos do misturador. As Figuras 8 e 9 mostram este processo, para um

misturador estático Kenics KMS e para um misturador Sulzer SMX, respectivamente.

São apresentados cortes transversais dos misturadores, através dos quais se podem notar

as divisões e recombinações dos escoamentos.

Figura 8 – Seções transversais do misturador estático Kenics KMS em processo de mistura em

escoamento laminar

Fonte: Etchells III Mayer (2004)

Figura 9 – Seções transversais do misturador estático Sulzer SMX em processo de mistura em

escoamento laminar

Fonte: Etchells III e Meyer (2004)

Segundo Oldshue (1983), a maioria dos misturadores estáticos pode ser

empregada no regime turbulento. Entretanto, uma geometria de misturador estático com

desempenho satisfatório em regime laminar, pode não ter bom desempenho em regime

turbulento e vice-versa. Por esta razão, de acordo com o autor, a maioria dos fabricantes

desenvolve desenhos específicos de misturadores estáticos para cada regime de

escoamento.

14

Segundo Godfrey (1985), o processo de mistura de fluidos de baixas

viscosidades em tubulações com escoamento em regime turbulento é mais fácil de ser

obtida que a mistura de fluidos viscosos em regime laminar. Ainda segundo este autor,

em regime turbulento a mistura radial é muito mais atuante e as características do

regime levam a uma rápida redução de escala de quaisquer não uniformidades

presentes.

3.2.1 Parâmetros para eficiência da mistura

a) Perda de Carga

Segundo Godfrey (1985), a energia para a mistura é decorrente da perda de

carga gerada pela passagem do fluido pelos elementos de mistura. Rauline et al. (1998)

definiram um fator (Z) para correlacionar a perda de carga gerada pelo misturador

estático com a perda de carga gerada através do tubo vazio, nas mesmas condições de

escoamento:

Outro modo, segundo Rauline et al. (1998), é utilizar o fator de fricção ou o

Número de Newton, Ne:

Rauline et al. (1998) citam que o produto NeRe (Kp) é usado analogamente ao

número de potência definido para os agitadores mecânicos convencionais. A perda de

carga é obtida pela seguinte equação:

De acordo com Etchells III e Meyer (2004), tanto em regime laminar como em

turbulento, a adição de elementos defletores presentes nos misturadores estáticos

15

aumenta a perda de carga gerada, demandando energia para que o efeito de mistura seja

obtido. O valor do aumento na perda de carga gerado pelos elementos de mistura, em

relação à perda de carga gerada pelo tubo vazio, pode chegar a centenas de vezes, em

função da geometria dos elementos e do número de Reynolds do escoamento. Portanto,

segundo os autores, é fato que se requer energia de pressão para se alcançar ação de

mistura no interior de tubos. Quanto menor o tempo de mistura desejado, maior será a

taxa de dissipação de energia.

Ainda segundo Etchells III e Meyer (2004), a perda de carga gerada por um

determinado misturador estático é expressa como a relação entre a perda de carga

gerada pelo mesmo e a perda de carga gerada nas mesmas condições, com o tubo vazio,

conforme as relações:

Tabela 2 - Parâmetros de mistura e perda de carga para misturadores estáticos em Regime Laminar.

Tabela 3 - Parâmetros de mistura e perda de carga para misturadores estáticos em Regime Turbulento.

b) Gradiente de velocidade

O gradiente de velocidade (G) é um parâmetro que avalia indiretamente o padrão

de escoamento em unidades de mistura, tais como os misturadores estáticos. Este

16

gradiente é proporcional ao grau de agitação do sistema. A equação geral de cálculo de

G foi desenvolvida em 1943 por Camp e Stein apud Camp (1953), levando em conta a

deformação de um elemento de volume de água devido às tensões tangenciais que

atuam neste elemento.

Ao longo de uma câmara de mistura, os valores pontuais do gradiente de

velocidade variam consideravelmente. Contudo, em regime estacionário, pode-se definir

um gradiente médio de velocidade, que corresponde ao valor médio do trabalho ao

longo do reator. Com isso, o gradiente médio pode ser expresso segundo a Equação:

A potência dissipada na mistura em misturadores estáticos pode ser definida

como a perda de carga gerada no escoamento multiplicada pela vazão volumétrica do

fluido. Desta forma, a Equação anterior pode ser expressa em termos da vazão

volumétrica e perda de carga, conforme a equação a seguir:

Esta equação permite a obtenção de um valor médio para o gradiente de

velocidade de um misturador estático. Mas na prática, observa-se uma elevada variação

17

do gradiente de velocidade ao longo do misturador. Esta variação é proporcionada pela

própria mudança de direção imposta à corrente líquida, pois, de acordo com Camp

(1953), a maior parte da perda de carga ocorre nas mudanças de direção impostas ao

fluxo, fazendo com que os gradientes de velocidade sejam muito maiores nessas regiões

e pouco significativos ao longo do misturador.

Segundo Metcalf e Eddy (1991), valores típicos de gradiente de velocidade para

mistura rápida para contato inicial efetivo e dispersão de produtos químicos estão na

faixa de 1500-6000s-1 para um tempo de retenção menor que 1 segundo.

Segundo Haarhoff e Van Der Walt (2001), a interpretação física do valor de G,

no entanto, não é um gradiente de velocidade, mas mais propriamente, a raiz média da

taxa de dissipação de energia por unidade de volume. Deste modo, a Equação anterior

também pode ser escrita em termos da dissipação de energia por unidade de volume:

18

4. CONCLUSÃO

Pode-se verificar que os misturadores estáticos são compostos basicamente por

um tubo (corpo) e por elementos fixados em seu interior, em padrão geométrico, sem

que haja um agitador, de modo que o próprio nome já diz. A mistura ocorre pelo

movimento do fluido, o qual é causado por “barreiras” as quais fazem com que o fluido

permaneça em constantes variações no seu trajeto ao longo do escoamento. Este

conjunto (tubo e elementos) é inserido em setores da tubulação de transporte dos

produtos a serem misturados, formando um conjunto único.

Desta forma, os ingredientes são transportados pela tubulação em fluxo contínuo

gerado por meio de bombas, no caso de líquidos, ou de sopradores, no caso de gases, e

ao mesmo tempo são misturados. As unidades de mistura estática são eficientes tanto

em misturas simples quanto em operações de transferência de calor e massa ou quando

reações químicas estão envolvidas.

A principal vantagem dos misturadores estáticos em relação aos equipamentos

convencionais é economia. A redução dos custos de investimento e de produção pode

alcançar de 30% a 40%, levando-se em conta a economia de espaço da instalação, pois

se torna desnecessária a utilização de tanques. O processo de automatização é mais

simples, pois requer uma quantidade menor de sensores de temperatura e vazão, além de

reduzir a necessidade de operadores. Como não há componentes móveis e desgaste de

peças, a manutenção é reduzida.

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REFERÊNCIAS

ARIMOND, J; ERWIN, L. A simulation of motionless mixer, Chemical Engineering

Communications, 37. p.105-126. 1985

ARMENIADES, C. D.; JOHNSON, W. C. E.; RAPHAEL, T. Patente 3.286.992,

Estados Unidos, 1966.

BOSS, J.E.; CZASTKIWICZ, W. Principles of scape-up for laminar mixing processes

of Newtonian fluids in static mixers, In: International Chemical Engineering, 22, n.2,

p.362-367, 1982

DACKSON, K.; NAUMAN, E. B., Fully developed flow in twisted tapes: a model for

motionlees mixing. ChemicalEngineering Communications. 54. p.381-395, 1987.

FERNANDES, L.A.G. Ensaios Experimentais com Misturadores Estáticos

Dissertação de Mestrado, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, SP, Brasil,

2005.

INGLES. O. G., InternationalPlasticEngenieering, v.3, 133,1963.

JOAQUIM JUNIOR,C.F.J., Desenvolvimento e otimização de misturador estáticos

com o uso da fluidodinâmica computacional, Tese de Doutorado, Universidadee

Estadual de Campinas, Campinas, SP, Brasil, 2008.

KHAKHAR, D. V.; HAKENHOULZ, F.; LE SAUZE, N.; COSTES, J.; BERTRAND,

J., A case study of chaotic mixing in deterministic flows: the partitioned pipe mixer.

Chemical Engineering Science.42, p.2909-2926.1987

KUSCH, H. A.; OTTINO, J. M.; Experiments on mixing in continuous chaotic

flows.Journal of Fluid Mechanics.,236,p.319-348. 1992

LEHWALD, A.; THÉVENIN, D.; ZAHRINGER, K. Simultaneous two-tracer-LASER-

induced fluorescence and particle image velocimetry for the investigation of macro-and

micro-mixing in a static mixer.15 IntSymp on Applications of Laser Techniques to

Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal, p.05-08, 2010.

LING, F. H.; ZHANG, X., A numerical study on mixing in the kenics static mixer,

Chemical Engineering Communications.136. P.119-141, 1995

LIU, S.; HRYMAK, A. N.; WOOD, P. E. Design modifications to SMX static mixer for

improving mixing.AIChE Journal, v.52, n.1, p.150-157, 2006.

NaturalTec Tratamento de Água. São Paulo: NaturalTec; c1991.Acesso em: 8 de junho

de 2012. Disponível em:http://www.naturaltec.com.br/Misturador-Estatico.html

NOBEL, L., U.S.Patent 3.051.452, 1962.

PAHL, M. H. E MUCHELKNAUTZA, E., Static mixers and their

applications,International Chemical engineering, 22, n.2,p.197-205,1982.

20

PERRY, R. H.; GREEN, D. W. Perry's Chemical Engineers Handbook, 7º edition,

McGraw-Hill, N. Y., 1997

SCHIPPERS, K. U., U.S.Patent3.026.170, 1965.

TABER, R. E., U.S. Patent 2.849.737, 1959.

TAUSCHER, W.; SCHUTZ, G., Suzer Technical Review, 2, 1973.

21

22