1 AGITAÇÃO E MISTURA Operações de mistura encontram-se frequentemente na indústria em processos...
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AGITAÇÃO E MISTURA
Operações de mistura encontram-se frequentemente na indústria em processos que envolvem transformações físicas e químicas
indústria alimentar indústria farmacêutica indústria do papel indústria dos plásticos indústria cerâmica
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O investimento financeiro (custos de capital e de operação) em processos de mistura é considerável
o custo resultante da sua inadequação na indústria dos USA foi recentemente estimado em 1 a 10 biliões de $ por ano
Módulo 11
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Fundamental adquirir as bases dos conhecimentos fundamentais em processos de mistura
exemplo: - selecção do tipo de agitador para uma dada aplicação
- análise do desempenho de instalações existentes
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Os termos agitação, mistura e dispersão têm diferentes significados
agitação - processo que permite o movimento global num fluido, promovendo a mistura e a dispersão
mistura - combinação “numa só massa”“mixing” no início existem 2 ou mais materiais, distintos numa ou
mais propriedades (composição, densidade ou temperatura) e após mistura completa existe uma só entidade num estado de uniformidade máximo possível
(misturas homogéneas, dissolução de sólidos em líquidos, mistura de dois líquidos com diferentes temperaturas)
dispersão – combinação de 2 materiais num produto final onde continuam existir os materiais separados (porções de pequenas dimensões espalhadas umas entre as outras a uma escala que é maior do que as dimensões das moléculas)
(suspensão de sólidos, dispersão de gases em líquidos, emulsões)
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A agitação constitui um excelente exemplo onde o escoamento de fluidos ocorre frequentemente em simultâneo com transferência de massa, reacções químicas e transferência de calor
Classificar as operações de mistura em termos das fases (sólido, líquido ou gás) envolvidas - classificação geral, independente dos produtos envolvidos ou do tipo de indústria
possível definir operaçõesque são comuns a várias indústrias
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mistura de líquidos (miscíveis)
processo simples, pois não envolve reacção química (em geral) e transferência de massa interfacialexemplo: - combinação de produtos do petróleo
reduzir as variações de concentração para níveis aceitáveis
surgem dificuldades quando os líquidos têm viscosidades ou densidades muito diferentes, ou um dos líquidos corresponde a um pequeno volume da mistura final
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mistura sólido - líquido
promover a suspensão de partículas num líquido com viscosidade relativamente baixaexemplo: - cristalização
- reacção em fase líquida com catalisador sólido
transferência de massa e/ou reacção química associada(s)
dispersar partículas muito finas em líquidos com viscosidade elevadasexemplo: - incorporação de “carbon black” na borracha
comportamento reológico muito complexo(em geral, envolve fenómenos de superfície e contacto físico)
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mistura gás – líquido
gerar uma dispersão de bolhas gasosas numa fase líquida contínuaexemplo: - oxidação
- hidrogenação- fermentações biológicas
transferência de massa associada e por vezes
reacção química na fase líquida mistura líquido – líquido (líquidos imiscíveis)
criar uma dispersão de gotas de líquido numa fase líquida contínuaexemplo: - extracção líquido - líquido
- emulsificação
transferência de massa associada
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contacto entre 3 fases
tópico que mereceu uma atenção e estudo especial nos últimos anosexemplo: - cristalização por evaporação
- hidrogenação
mistura de sólidos
característica principal segregação (tendência de as partículas se separarem de acordo com o tamanho e/ou densidade)
a segregação das partículas pede ser causada pela agitação
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segregação em banda resultante da rotação
do pó num cilindro
quando uma mistura de partículas de diferentes dimensões é derramada
sobre um monte, as partículas maiores rodam
para as bordas
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Mecanismos de Mistura
A agitação de um líquido é, em geral, realizada num contentor equipado com um agitador (hélice, pá ou turbina)
movimento global do fluido
o agitador ao rodarpequenos turbilhões
no fluido
A energia mecânica necessária para rodar o agitador é transmitida ao fluido
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Embora muitos equipamentos sejam projectados tendo como base o grau de mistura final, a transferência de massa e as reacções químicas, em alguns casos a transferência de calor é o mecanismo controlante
Misturar mais energicamente, ou durante mais tempo, pode ser mais prejudicial do que benéfico
exemplo: - bioreactores- cristalizadores- soluções poliméricas- misturas sólidas
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os regimes podem ser caracterizados
laminar turbulento
transição
mistura laminarassociada normalmente a líquidos com elevada viscosidade (> 10 Pa s)
forças de inércia pequenas face à acção da elevada viscosidade os agitadores devem constituir uma significante proporção do contentor para que haja movimento global do fluido
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os agitadores possuem dimensões comparáveis às dos tanques
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próximo das superfícies que rodam existem grandes gradientes de velocidade (elevadas tensões de corte) deformações dos ele-mentos de fluido e estiramento
u
yt1 t2 t3 t4
diminuição da espessuraaumento da área
nas dispersões e emulsões são frequentemente este tipo de esforços (que resultam das tensões de corte e alongamento) que reduzem o tamanho de bolhas e gotas
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simultaneamente a diferença de concentrações entre os diferentes elementos é reduzida devido à difusão molecular, essencialmente quando a área disponível para a difusão aumenta
mistura turbulentaem termos práticos, o movimento global do fluido em tanques de mistura é turbulento se a viscosidade do fluido é < 10 mPa s
a inércia transmitida ao fluido pelo agitador é suficiente para este circular facilmente através do tanque e regressar ao agitador
o nível de mistura é superior junto do agitador elevada taxa de tensão de corte devido aos vórtices aí formados
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a difusão turbilhonar (convecção) existente promove a mistura processo mais rápido do que o associado à mistura laminar
o escoamento é tridimensional as condições fronteira não são conhecidas (em geral) considerar em simultâneo equações para a transferência de momento, massa e calor mistura turbulenta: a intensidade de turbulência varia muito significativamente com a localização
a abordagem usando a análise dimensional foi tentada e verificou-se a sua aplicação com êxito
Dificuldades:
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A diversidade de equipamento de mistura disponível reflecte a enorme variedade de aplicações nas diferentes indústrias
seleccionar o tipo de sistema de agitação que permite obter o resultado final eficientemente (baixos custos de capital e de operação)
tanques de agitação mecânica misturadores de jacto “in-line static mixers” ”in-line dynamic mixers” moinhos de dispersão válvulas homogeneizadoras extrusoras
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Equipamento – Sistemas de Agitação Mecânica
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cada tipo de sistema de agitação apresenta ainda diferentes configurações
Sistemas de Agitação Mecânica
B largura dos anteparosC distância entre o fundo do
tanque e a linha central do agitador
D diâmetro do agitadorT diâmetro interno do
tanqueW largura do agitadorZ altura do fluido no tanque
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a razão Z/T é em geral igual a 1
gama de variação: 0,5 Z/T 1,0
plana
base do tanque cilíndrico côncava (“dished”) –suspensão de sólidos
cónica
a gama de variação da razão C/T é normalmente
0,1 C/T 0,4
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anteparos
para impedir a formação de vórtice central quando os fluidos de baixa viscosidade são agitados num tanque cilíndrico com o agitador montado axialmente
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existência do vórtice central
desvantagens vantagem
- baixo grau de mistura (fluido e - submersão dos sólidos em aplicações onde agitador possuem a mesma velocidade são usadas suspensões angular)- captura de ar pelo líquido- nível do líquido sobe junto às paredes do tanque
4 anteparos equidistantes fixados na superfície interna da parede do tanque
B/D 1/12 turbinas, pás
B/D 1/18 hélices
em geral, os anteparos não são necessários em aplicações com fluidos de elevada viscosidade
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agitadores
a configuração do agitador tem um forte impacto nas características da agitação e nas necessidades energéticas
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Turbina
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Turbina
Hélice
Pá
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o tipo de agitador a usar depende fortemente da viscosidade do líquido
héliceturbinapá
âncora (“anchor”) (5 a 50 Pa s)fita helicoidal (“helix”)
viscosidadeaumenta
velocidade derotação
aumenta
os agitadores usados em mistura turbulenta normalmente possuem D/T igual a 1/3
gama de variação: 0,2 D/T 0,5
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notar que os agitadores usados em mistura laminar possuem normalmente dimensões comparáveis à do tanque
0,7 D/T 1,0
o agitador mais usado é provavelmente a turbina com 6 lâminas implantadas no disco (agitador de Rushton)
o padrão de escoamento em torno do agitador tem sido objecto de estudo de muitos investigadores (técnicas de visualização e outras)
complexos sistemas turbilhonares e jactosde elevada velocidade foram observados
nas vizinhanças do agitador
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vórtices existentes atrás das lâminas da turbina de Rusthon
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- agitador de Rushton utilizado na dispersão de gases em líquidos
- hélice (3 lâminas) usada na mistura de líquidos de baixa viscosidade
- agitador montado centralmente (vertical) – o normal
- agitador montado inclinado
- agitador montado de lado (horizontal)
- múltiplos agitadores implantados no mesmo veio
- diversos agitadores montados separadamente no mesmo tanque
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mistura turbulenta: o padrão de escoamento do fluido num tanque agitado depende do tipo de agitador
escoamento axial escoamento radial
a hélice cria um fluxo global axial
(usada em suspensões de sólidos)
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a turbina de lâminas planas cria um forte fluxo radial para fora
(existem zonas de recirculação na porção superior e inferior do tanque)
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o padrão de escoamento pode ser alterado modificando a geometria do agitador
- se as lâminas da turbina forem inclinadas uma forte componente axial é originada
o agitador tipo âncora promove o movimento do fluido junto às paredes do tanque região perto do veio está praticamente estagnada (escoamento tangencial)
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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 combinação dos componentes do equipamento o engenheiro de
projecto garantirá que o tipo de escoamento resultante seja adequado ao seu objectivo final
Claramente, o tipo de escoamento do fluido depende da geometria do agitador/tanque/anteparos e da reologia do fluido
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Tanque de agitação com um líquido Newtoniano de densidade e viscosidade
conhecimento da potência (P) necessária para rodar o agitador é essencial no projecto do motor/caixa de transmissão
P = f(, , N, g, D, T, W, H, outras dimensões)
Variáveis de Projecto e Números Adimensionais
N velocidade de rotação
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usando a análise dimensional, o número de variáveis que descreve o problema pode ser diminuído
,,,,2
,2
'53 D
HDW
DT
gNDNDf
DNP
53DN
P
2ND
gND2
- número de potência (Po)
- número de Reynolds (Re)
- número de Froude (Fr)
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Fr é usado para ter em conta o efeito do comportamento da
superfície livre do líquido (vórtice central) no Po
pode ser desprezado para:
- Re pequenos (< 300)- Re elevados nas aplicações em
que se usam anteparos
Po = f(Re, razões geométricas)
para sistemas geometricamente semelhantes
Po = f(Re)
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Curva típica de potência
região laminar Po = K / Re (Re < 10) (K – constante que depende da
geometria do sistema)
região turbulenta Po = constante (Re > 104)
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Curvas de potência para diferentes tipos de agitadores
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indicadores da potência consumida em certas aplicações
baixa potência suspensões de sólidos leves 0,2 kW/m3
mistura de líquidos pouco viscosos
potência moderada dispersão de gases 0,6 kW/m3
contacto líquido/líquidosuspensões de sólidos com peso moderado
potência elevada suspensões de sólidos pesados 2 kW/m3
emulsõesdispersão de gases
potência muito elevada mistura de pastas 4 kW/m3
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Tempo de mistura
período de tempo medido a partir do instante em que foi adicionado o traçador até que o conteúdo do tanque atinja o grau de mistura especificado
o traçador possui a
mesma e do líquido e é miscível com este
operação simples de mistura
C concentração de
equilíbrio
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o tempo de mistura depende ainda da técnica experimental usada para detectar o traçador
experiência para determinar o tempo de mistura:(mistura turbulenta num tanque agitado)
um ácido, ou uma base, é adicionado a um
tanque que contém uma solução com um
indicador
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experiência para determinar o tempo de mistura:(mistura laminar num tanque agitado)
podem existir localmente zonas ainda não misturadas quando o resto do fluido já está bem misturado ao fim de 10 minutos
estas zonas podem demorar horas a desaparecer
turbina de Rushton (6 lâminas)
turbina com lâminas inclinadas
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Tanque de agitação com um líquido Newtoniano de densidade e viscosidade
o tempo de mistura (tM) depende das variáveis do processo e de operação
tM = f(, , N, g, D, T, W, H, outras dimensões)
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usando a análise dimensional
NtM = f(Re, Fr, razões geométricas)
tempo de mistura adimensionalizado
para sistemas geometricamente semelhantes e
desprezando o efeito de Fr
NtM = f(Re)
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Estudos levados a cabo por diversos autores permitiram estabelecer o seguinte comportamento
o número total de revoluções necessário para obter a mistura é constante, quer para regiões de baixos Re (laminar), quer para regiões de elevados Re (turbulento)
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em muitos sistemas (gás-líquido ou líquido/líquido) pode acontecer que o processo não seja controlado pelo tempo de mistura
a transferência de massa é a etapa
controlante