PONTIFCIA UNIVERSIDADE CATLICA DO RIO GRANDE DO SULFACULDADE DE ENGENHARIAOPERAES INDUSTRIAIS I

ROTEIRO PRTICA:AGITAO E MISTURA

Douglas Rosa da SilvaMonique Camille Rodrigues Camargo

Porto Alegre2014

Sumrio1Introduo32Fundamentao Terica42.1Tipos de agitadores42.2Caracterizao do agitador62.2.1Nmero de potncia62.2.2Potncia62.2.3Reynolds de agitao62.2.4Nmero de Potncia72.2.5ndice de Uniformidade73Ciclones84Metodologia94.1Prtica de Agitao94.2Prtica de mistura de slidos104.3Prtica Separao Slido-Gs115Resultados e discusses125.1Prtica de Agitao para gua125.2Prtica de Agitao para glicerina135.3Prtica de mistura de slidos155.4Prtica de separao de slidos176Concluso187Referncias Bibliogrficas19

Introduo

Agitao refere-se movimentao intensa induzida de um material em forma determinada, geralmente circular, por meio de impulsores giratrios dentro de um recipiente. Mistura o movimento aleatrio de duas ou mais fases inicialmente separadas. Ambas so importantes operaes unitrias e seu conhecimento vital para o Engenheiro Qumico.A agitao feita em tanques cilndricos verticais, abertos ou fechados para o ar com base arredondada para evitar regies onde se acumulem resduos contendo um agitador na parte superior do tanque. Os principais tipos de agitadores so os propulsores, as ps e as turbinas. Se o lquido for muito viscoso, so utilizados propulsores tipo hlice e agitadores ncora.J a mistura est normalmente relacionada a duas ou mais fases, inicialmente separadas que so aleatoriamente distribudas dentro ou uma atravs da outra. Pode ser feita em misturador de impacto, utilizado para slidos finos; em misturadores em V, que pode operar de forma contnua; misturador de duplo cone, que realizam a mistura em menor tempo e misturadores helicoidais, que so de operao contnua. Na mistura deve-se ter um cuidado especial com a rotao do tambor, pois em rotaes muitos elevadas os componentes no se misturam.Dessa forma, esse relatrio tem por objetivo evidenciar a bagagem de conhecimentos adquiridos em sala de aula atravs da prtica.

Fundamentao Terica

Muitas operaes industriais dependem do sucesso de uma efetiva agitao e mistura de fluidos. Apesar de serem bastante confundidos, agitao e mistura no so sinnimos. Agitao se refere ao movimento induzido de um material, provocado por um trabalho externo. Mistura a distribuio aleatria de uma ou mais fases iniciais. A mistura esta relacionada a duas ou mais fases inicialmente separadas, que so aleatoriamente distribudas dentro ou atravs uma da outra. A mistura de fluidos em vasos agitados uma das mais importantes operaes unitrias para indstrias.Na Figura 1 est esquematizado um reator de mistura onde as dimenses esto relacionadas com a dimenso caracterstica, DT, do reator.

Figura 1.Reator

Fonte: Portal da Engenharia QumicaTipos de agitadores

Os agitadores podem dividir-se em trs classes: Escoamento axial - So aqueles cujas ps fazem um ngulo menor que 90 com o plano de rotao do impulsor, usados para agitar meios de baixa viscosidade, rodam a velocidades elevadas e so tambm de menores dimenses (geralmente < 50 cm). Ex: hlices, turbinas de ps inclinadas.

Escoamento radial -Tem suas ps paralelas ao eixo de rotao. Este fluxo perpendicular a parede do tanque. Ex: turbina, ps, ncora, grade.

Escoamento tangencial - Este fluxo atua na direo tangente, o que proporciona um movimento circular ao redor do rotor. Em alguns casos a componente tangencial desvantajosa, pois tem uma trajetria circular e cria um vrtex na superfcie, no possibilitando a mistura longitudinal entre os nveis.

As chicanas so usadas para evitar a formao de vrtices na agitao de lquidos de viscosidade reduzida. Sua importncia advm da introduo de turbulncia no lquido: o movimento do lquido sob a ao do agitador na ausncia de chicanas mover-se-ia segundo linhas de corrente circulares em torno do eixo de agitao e o grau de mistura entre diferentes camadas de lquido seria reduzido e formar-se-ia um vrtice forado que introduziria ar no lquido e reduziria a potncia transmitida ao lquido. Ao introduzir as chicanas as linhas de corrente so interrompidas, gera-se intensa turbulncia e os vrtices e remoinhos so destrudos.

Figura 2. Esquema formao do vrtex

Fonte: Portal da Engenharia Qumica

Caracterizao do agitador

Nmero de potncia

O Nmero de Potncia (NP) proporcional a razo da fora de arraste agindo sobre unidade de rea do impulsor, sendo ele anlogo ao coeficiente de arraste ou fator de frico. calculado atravs da Equao 1.

Equao 1 - Nmero de potncia

Onde NP o nmero de potncia [adimensional], P a potncia [W], n o nmero de rotao [rps], Da o dimetro do agitador [m] e a densidade do fluido [kg/m].

Potncia

A potncia de um tanque estimada utilizando correlaes empricas juntamente com outras variveis do sistema. Essas correlaes so encontradas atravs da anlise dimensional, sendo a potncia funo da velocidade de rotao (n), dimetro do agitador (Da), massa especfica (), viscosidade () e o nmero de potncia (NP). Conhecendo a tenso eltrica possvel obter a potncia em todas as velocidades de operao, atravs da Equao 2.

Equao 2 Equao da Potncia

Sendo: P= Potncia [W]U= Voltagem em [V]R= Resistncia eltrica, fixa em 41,1 []Reynolds de agitao

O Nmero de Reynolds (Re) calculado de acordo com a Equao 3.Re < 10 escoamento viscoso Re > 104 escoamento turbulento

Equao 3 Equao do Reynolds

Onde:Re= Nmero de Reynoldsn= Nmero de rotaes por segundoDa= Dimetro do agitador= massa especfica do lquido= viscosidade do lquido

Nmero de Potncia

O Nmero de Potncia (NP) proporcional a razo da fora de arraste agindo sobre unidade de rea do impulsor, sendo ele anlogo ao coeficiente de arraste ou fator de frico. calculado atravs da Equao 4.Equao 4 Nmero de Potncia

ndice de Uniformidade

O ndice de uniformidade (I) definido por Michaelis um critrio real para medir o grau de complementao da mistura,dado pela equao abaixo: Equao EsseEquao 5 ndice de uniformidade

Onde:I= ndice de Uniformidadea=frao de slidosamd= frao de slidos mdian= nmero de amostraCiclones

Os ciclones so equipamentos utilizados na indstria para extrair partculas slidas em suspenso num escoamento de gases.As partculas so extradas atravs de um processo de centrifugao dos gases. Este fenmeno ocorre com a induo de um escoamento rotativo no interior do ciclone. Isto ocorre devido significativa velocidade (tpica de 22 m/s ou 79,2 km/h) com a qual os gases entram tangencialmente na cmera do ciclone, de formato cnico. Sendo muito mais densas que os gases, as partculas tem maior tendncia em permanecer na trajetria tangente ao escoamento rotativo e assim colidir com as paredes da cmara. Com as colises, as partculas perdem velocidade e tendem a se desacoplar do escoamento caindo em direo ao fundo da cmara, de onde so extradas. Os ciclones podem ser utilizados individualmente, ou em grupos, denominados multiciclones. Em configuraes em srie ou paralelo. As configuraes em srie so recomendadas quando: A distribuio de partculas muito ampla, com partculas de tamanhos menores que 10 ou 15 m at com partculas muito grandes e abrasivas. As partculas so finas, mas ocorre floculao em um equipamento precedente ou no prprio ciclone.As configuraes em paralelo so indicadas se a vazo de gs a tratar for muito grande, respeitando a queda de presso.O arranjo em srie aumenta a eficincia de coleta desde que configurado para isto. J o arranjo em paralelo no aumenta a eficincia e sim a vazo do produto. Por isso estes equipamentos so largamente utilizados nas indstrias qumicas, siderrgicas, de plsticos, cimento, cal, minerao, alimentos, celulose entre outras. Uma vez instalados, dispensam qualquer tipo de manuteno.

Figura 3. Imagem de um cilcone

Fonte: Senai-Ciclone equipamento industrial

MetodologiaPrtica de Agitao

Para a realizao da prtica de agitao os materiais utilizados foram:- Agitador;- Amostra de gua;- Voltmetro;- Tacmetro;

Ligou-se o agitador, e sua rotao foi aumentada at o ponto de inicio de formao do vtex, sabendo o ponto de formao do vrtex, diminumos a velocidade de rotao. As velocidades foram ento alternadas e anotaram-se suas respectivas tenses. Um voltmetro foi utilizado para determinar a tenso eltrica.

Figura 4. Equipamento utilizado na prtica

Prtica de mistura de slidosMateriais e equipamentos :- Amostra de areia;- Amostra de sal;- Misturador;-Balana;Para essa prtica o equipamento utilizado foi um misturador tubo em V, conforme figura 3. Primeiramente foi pesada uma amostra de sal e uma de areia, ambas com 60g, em seguida em uma lado do misturador foi adicionado sal e no outro areia. As amostras foram misturadas por 2 minutos com uma velocidade de 18 rpm, aps esse tempo retiraram-se 4 alquotas, sendo elas 2 de um lado do tubo e consequentemente mais 2 do outro tubo. Aps, deixou-se misturar por mais 2 minutos, mantendo-se a mesma velocidade e mais 4 alquotas foram retiradas, da mesma forma realizada na primeira coleta. Deixou-se misturar por mais 2 minutos e realizou-se da mesma maneira que as demais coletas. Assim, todas as alquotas foram pesadas. Totalizando 12 alquotas em intervalos de 2, 4 e 6 minutos.Posteriormente, as alquotas foram separadas do sal. Assim, obtivemos a frao de slidos. Para o clculo do ndice de Uniformidade, foi usada a Equao 1.

Figura 5. Misturador

Prtica Separao Slido-GsMateriais e equipamentos :- Amostra de slica gel;- Ciclone-Balana;Pesou-se uma amostra de slica fina com massa de 29,85g e colocou-se no ciclone. Aps a passagem pelo ciclone, a massa de sada pesada foi de 27,42g. Com isso, a eficincia do ciclone pode ser determinada.

Resultados e discussesPrtica de Agitao para gua

Para que os clculos dessa prtica possam ser realizados, alguns dados foram fornecidos, estando eles contidos na abaixo:

Tabela 1- Dados para guaAgitao angular (Da)60,6 mm

Massa especfica da gua ()1000 kg/m

Viscosidade da gua ()0,001 kg/(m.s)

A tabela abaixo apresenta os dados coletados (n e U) durante o procedimento experimental e os valores calculados atravs das frmulas 2, 3 e 4.

Tabela 2- Dados obtidos da guan (rpm)R ( )U (V)P (W)ReNP

18,341,13,410,28292267204,190,056487

23,341,14,050,39908885565,990,038604

2741,14,570,50814899153,720,031589

34,241,15,460,725343125594,70,022187

44,141,16,961,178628161951,10,016815

72,641,110,912,896061266613,30,009261

91,341,113,584,487017335286,50,007214

9841,114,525,129693359891,30,006669

108,641,115,075,525667398818,30,005279

Aps obtidas as potncias para todas as condies, foi plotado o grfico de nmero de potncia (Np) em funo do numero de Reynolds (Re).

Grfico 1- NP x Re obtido atravs do Kaleida Graph

Prtica de Agitao para glicerina

Para o clculo da viscosidade da glicerina, primeiramente encontramos o NP para todos os dados coletados atravs da equao 4, e a partir desses fizemos uma mdia.A partir do NPmdio encontrado, partimos para as curvas FIGURA 1 do formulrio, identificamos o misturador sem chicanas e encontramos Re=2 x105 ,tendo o valor de Re substitumos os valores na equao abaixo e identificamos a viscosidade da glicerina.

Tabela 3- Dados para glicerinaAgitao angular (Da)60,6 mm

Massa especfica da glicerina ()1260 kg/m

Viscosidade da glicerina calculado ()0,00185 kg/(m.s)

Tabela 4 - Dados obtidos para a Glicerinan (rpm)R ( )U (V)P (W)ReNP

64,241,18,61,799513160056,30,006604

69,541,19,22,059367173269,70,005957

75,241,19,82,33674187480,30,005336

84,741,111,12,99781211164,70,004791

92,441,112,13,562287230361,40,004385

100,641,113,24,239416250804,80,004044

10941,114,24,906083271746,70,003679

115,641,1155,474453288201,10,003441

125,441,116,36,464477312633,40,003184

Aps obtida a viscosidade da glicerina e as potncias para todas as condies, foi plotado o grfico de nmero de potncia (Np) em funo do numero de Reynolds (Re).

Grfico 2 - Grfico NP x Re obtido atravs do Kaleida Graph

Prtica de mistura de slidosOs dados coletados nessa prtica so mostrados na tabela abaixo a frao de slidos foi calculada atravs da razo entre o peso de slido e o seu somatrio. Esse procedimento foi realizado para intervalo de tempo.

Tabela 5 - Dados coletados na prtica de misturaTempo acumulado (min)N amostras coletadasPeso da mistura (g)Peso do slido (g)Frao de slidos

216,32,450,38889

23,651,50,41096

33,622,320,64088

42,861,470,51399

412,051,170,57073

21,530,90,58824

31,610,625

41,230,750,60976

614,452,440,54831

24,32,180,50698

34,512,580,57206

44,62,570,5587

Para o clculo do ndice de uniformidade para cada intervalo de tempo, foram necessrios os dados que so apresentados na Tabela 8.

Tabela 6 - Dados para o clculo do ndice de uniformidadeTempo (min)a(a-)

20,388890,49

0,009958 0,039805

0,410960,00604

0,640880,023166

0,513990,00064

40,570730,6

0,0007670,001705

0,588240,000104

0,6250,000706

0,609760,000128

60,548310,55

0,0002450,000502

0,506980,000164

0,572066,57E-05

0,55872,77E-05

Com os dados da tabela acima e utilizando a Equao 5, calculamos os ndices de Uniformidades, mostrados na Tabela 9.Tabela 7 - ndice de uniformidadeTempo (min)ndice de uniformidade

20,196

40,0421

60,0226

Por fim, elaboramos o grfico do ndice de Uniformidade em funo do tempo.

Grfico 3 - ndice de Uniformidade em funo do tempo

Prtica de separao de slidos

Calculamos a eficincia do ciclone atravs de uma relao entre as massas, e obtivemos o seguinte resultado:

Existiram perdas durante o processo devido a m vedao na parte superior do ciclone.ConclusoA realizao deste trabalho foi de extrema importncia visto que foi possvel visualizar na prtica os conceitos apresentados em sala de aula.Na prtica de agitao, observamos que a partir de uma determinada velocidade de rotao, formou-se o vrtice, o qual aumentava conforme a velocidade aumentava. A partir de um ponto, comeou a ocorrer a cavitao em torno das ps devido a velocidade de rotao ser alta e deslocar o lquido do entorno das ps. Na prtica da mistura, observou-se que quanto maior o tempo de mistura, menor foi o ndice de uniformidade, portanto, mais homognea a amostra se apresentou, sendo mais eficiente. Tambm foi observado que existe uma faixa ideal de rotao, pois com uma rotao muito baixa, as substncias no se misturam e com uma rotao muito alta, devido fora centrpeta, as partculas ficam presas na parede.Na separao slido-gs utilizando o ciclone a eficincia foi de 91,86%, que pode ser considerada muito boa tendo em vista as perdas que houveram no processo devido ao mau fechamento do ciclone com uma folha de papel A4.

Referncias Bibliogrficas

Portal de Engenharia Qumica. Agitao e Mistura. Disponvel em: labvirtual.eq.uc.pt/ Acesso em 15 de junho de 2015.

Everton da Silva Nunes,TCC Ciclone um equipamento Industrial .2010.

PERRY, Teoria do Fluxo de ar Dentro do Ciclone. 1984.GOMIDE, REYNALDO. Operaes Unitrias. Edio do autor, So Paulo, 1983. Volume 1.