agitação e mistura_2
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AGITAÇÃO E MISTURA
AULA – 09
2012
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Introdução
Agitação e MisturaMuitas operações dependem da agitação e mistura de fluidos,que são ações complementares. O agente da operação é denominado agitador, embora nem sempre haja um dispositivo mecânico instalado especificamente para essa finalidade. Agitação e mistura são operações usadas durante os processos industriais; seja na mineração, indústrias alimentícias, químicas farmacêuticas, de papel e tratamento de água e esgoto.
Normalmente estas operações são realizadas em tanques providos de agitadores mecânicos.
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A operação é caracterizada qualitativamente por três palavras:
1.Homogeneização: movimentação branda que visa uniformizar líquidos miscíveis para se conseguir uniformidade no sistema;
2.Mistura: operação mecânica que aumenta a homogeneidade do fluido, que podem ser miscíveis ou não, através da eliminação do gradiente de concentração, temperatura e outras propriedades. Na mistura de fluidos, as propriedades que vão influenciar serão a viscosidade, massa específica e miscibilidade. Já nos sólidos, as propriedades são: tamanho, massa específica do sólido, formato e rugosidade.Tendo um regime turbulento;
3.Agitação: É uma operação mais completa que as anteriores. Refere-se à movimentação intensa induzida de um material em forma determinada, por meio de impulsores giratórios, dentro de um recipiente (Ex: tanques).
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AGITAÇÃO
A agitação refere-se ao movimento induzido em um fluido por meios mecânicos em um recipiente. O fluido pode circular no recipiente ou apresentar outro padrão de fluxo. Pode-se agitar uma única substância homogênea.
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MISTURA
A mistura está normalmente relacionada a duas ou mais fases inicialmente separadas que são aleatoriamente distribuídas dentro ou através uma da outra. A mistura de fluidos em vasos agitados é uma das mais importantes operações unitárias para diversas indústrias.
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DIFERENÇAS ENTRE AGITAÇÃO E MISTURA
Entende-se que os processos de agitação diferem dos processos de mistura, porque na agitação considera-se uma única fase e nos processos de mistura considera-se que os componentes se apresentam em duas ou mais fases.
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Classificação das misturas
-Homogênea: gás-gás, líquido-líquido (miscível);
-Heterogênea: sólido-líquido.
A agitação dos fluidos não implica necessariamente numa distribuição homogênea dos fluidos ou partículas, isto é, com agitação, a mistura pode não ser conseguida.
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Propriedades que influem nas misturas
As propriedades mais importantes dos materiais, que podem influenciar na facilidade da mistura para fluidos e sólidos são:
Fluidos: viscosidade, massa específica, relação entre as massas específicas e miscibilidade;
Sólidos: finura, massa específica, relação entre as massas específicas, forma, aderência e molhabilidade.
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Tipos de agitadores
Os três principais tipos de agitadores para líquidos de viscosidade baixa a moderada são:
Propulsores, Pás e Turbinas.
Para líquidos muito viscosos, os mais usados são:Propulsores tipo hélice e os agitadores âncora.
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Agitação de Líquidos:Os líquidos são agitados com vários propósitos, dentre os principais têm-se:- suspensão de partículas sólidas;- mistura de líquidos miscíveis (água e álcool metílico);- dispersão de um gás através de um líquido na forma de pequenas bolhas;- dispersão de um líquido em um outro imiscível, para a formação de emulsão ou suspensão de gotículas muito finas;- transferência de calor entre líquido e superfície aquecida, tal como serpentina, camisa de aquecimento, etc.
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Características:
- Tanques cilíndricos verticais, abertos ou fechados para o ar;- Base do tanque arredondada, para evitar regiões mortas ou cantos;- Altura do líquido = diâmetro do tanque;- Agitador na parte superior;- Caixa de engrenagem para redução de velocidade (nem sempre necessária).
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Agitadores:São divididos em duas classes: fluxo axial e fluxo radial.
-Fluxo axial: correntes paralelas ao eixo do agitador; são aqueles cujas pás fazem um ângulo menor que 90º com o plano de rotação do impulsor. Ex: hélices, turbinas de pás inclinadas.
- Fluxo radial: correntes tangenciais ou na direção perpendicular ao eixo do agitador. Tem suas pás paralelas ao eixo de rotação. Este fluxo é perpendicular a parede do tanque. Ex: turbina, pás, âncora, grade.
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velocidade de fluxo
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Equipamento de Agitação:Os líquidos são agitados em tanques ou vasos, geralmente cilíndricos e com um eixo vertical. As proporções do tanque variam muito, dependendo da natureza da agitação.
Vaso típico de um processo de agitação
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s
O dispositivo convencional é mecânico destinado a movimentar o fluido pela ação de um rotor. O rotor consiste em geral de certo número de lâminas presas com certa inclinação a um cubo acionado pelo eixo. O escoamento provocado pelo rotor pode ser axial, mais comum com lâminas inclinadas a 45º, ou radial, que é o rotor de lâminas planas.
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Tipos de agitadores para líquidos de viscosidade baixa a moderada são:
(a) Propulsor marinho de três pás, (b) turbina de pá fina aberta, (c) turbina de disco, (d) turbina vertical de pás curvas
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Existem modelos com sistemas impulsores para produção de fluxo predominantemente radial ou axial, tais como:
- Impulsores de pás retas com inclinação de 45º-Impulsores navais-Impulsores de alta eficiência com pás em ângulo variável próximo de pás constante-Impulsores de pás planas-- Impulsores de pás curvas, etc.
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IMPULSORES DE FLUXO AXIAL
São utilizados quando se deseja induzir fluxos de cima para baixo com objetivo de:
- misturar líquidos- realizar suspensão de sólidoslor- incorporar pó seco em líquido- promover transferência de calor
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IMPULSORES DE FLUXO AXIAL
No modelo de fluxo induzido, podemos observar que o componente de velocidade axial predominante direciona o fluxo para o fundo do tanque.
Os defletores por sua vez além de eliminar os redemoinhos, atuam no redirecionamento do fluido, forçando-o para cima, criando certa forma uma eficiente recirculação do produto.
Esta interação entre os fluxos ascendente e descendente, inerente na ação do movimento é usado para misturar o fluido.
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IMPULSOR DE FLUXO RADIAL
Os impulsores deste tipo induzem perfis de velocidade predominantemente radiais e são utilizados quando se deseja:
- misturar líquidos imiscíveis - obter troca de calor- dispersar gás nos líquidos
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IMPULSOR DE FLUXO RADIAL
No modelo do fluxo induzido podemos observar que o fluxo está mais ou menos confinado nas proximidades do impulsor tanto acima como abaixo do mesmo. O fluxo, que próximo ao eixo é axial, toma gradualmente um perfil predominantemente radial, até atingir as paredes do tanque, onde é redirecionado tanto para cima como para baixo.
A alta ação de cizalhamento do fluxo, resultante da mudança de fluxo axial para radial é exatamente aquela necessária para produzir os efeitos de transferência de massa.
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Tipo de agitação
AGITAÇÃO LEVE: Caracteriza-se nas aplicações onde se requer o mínimo de velocidade do fluido, permitindo os seguintes resultados:
- promover completa mistura do fluido de maneira suave formando uma superfície plana porém com movimento.
- misturar fluídos miscíveis até homogeneidade, se a diferença de suas densidades for menor que 0,1
- misturar fluídos miscíveis até uniformidade, sendo a viscosidade de um, menor de 100 vezes a viscosidade do outro.
- manter a temperatura da mistura uniforme.
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Tipo de agitação
AGITAÇÃO MÉDIA: A agitação média é a mais comum nos processos industriais:
- misturar fluídos miscíveis até uniformidade, sendo a diferença de suas densidades menor que 0,6
- misturar fluídos com grande diferença de viscosidade menor que 10.000 vezes.
- auxiliar no aquecimento ou resfriamento de misturas.
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Tipo de agitação
AGITAÇÃO FORTE: A agitação forte é caracterizada por requerer alta velocidade do fluído.
- produz superfícies turbulentas em fluídos de baixa viscosidade.
- é utilizada quando o tempo de mistura é crítico ou quando as diferenças de viscosidade são grandes (menor que 100.000 vezes).
- misturar fluídos até a uniformidade quando a diferença de densidade é menor que 1,0.
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Modelo de agitação com turbina de pás inclinadas
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Tanque com agitador horizontal (McCabe, 1985).
Padrão de escoamento com uma turbina de escoamento radial em um vaso sem chicanas (McCabe, 2001).
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Escoamento padrão com o agitador fora do centro (McCabe, 2001).
Em tanques pequenos, o agitador pode ficar descentralizado e/ou inclinado
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Tanque com agitador horizontal (McCabe, 1985).
Em tanques largos, o agitador pode ser colocado na lateralhorizontalmente.
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Escoamento padrão em um tanque com chicanas com um agitador
montado no centro (McCabe, 1985)
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Tanque com chicanas e “draft” tubos: (a) turbina, (b) propulsor (McCabe, 2001)
Estes equipamentos são úteis quando se deseja grande cisalhamento no agitador, como no caso da fabricação de certas emulsões, ou quando partículas sólidas tendem a flutuar na superfície do líquido.
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A ancora é o mais econômico dos impulsores de pás, trabalhando em regime laminar e com fluidos muito viscosos.
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Detalhe do fluxo tangencial
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MISTURA DE SÓLIDOS
A mistura de sólidos é uma operação difícil de realizar. Gases e líquidos misturam-se espontaneamente por difusão, porém a mistura de sólidos, além de consumir muita energia, requer a moagem prévia das partículas até uma granulometria bastante fina. É uma operação industrial muito frequente na indústria farmacêutica, compostos de plásticos e a produção de fertilizantes mistos e de produtos agropecuários em pó.
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Fatores que interferem na mistura
– Densidade do pó– Proporção dos diferentes componentes. – tamanho relativo da partícula sólida, formato edensidade de cada componente;– a eficiência do misturador para aquele componente– a tendência dos materiais a formar agregados;– conteúdo de umidade, características superficiais ede escoamento de cada um dos componentes.
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TIPOS DE OPERAÇÃO Quando os sólidos a serem misturados são constituídos de partículas de fácil escoamento, a operação de mistura pode ser realizada a seco. Nesse caso um alto grau de mistura é conseguido sem muita dificuldade. Se a umidade do material a ser misturado for elevada é preferível operar usando via úmida. Os equipamentos nessas operações são diferentes. No entanto, nossa atenção estará focalizada principalmente na mistura de sólidos granulares secos.
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EQUIPAMENTO UTILIZADO
Há uma variedade de modelos em uso. Alguns equipamentos já apresentados como, o transportador helicoidal e os moinhos de bolas prestam-se muito bem para a finalidade. Outros dispositivos serão considerados a seguir. Alguns operam em batelada, enquanto outros são contínuos. O tipo mais simples de misturador de batelada é o tambor rotativo com chicanas radiais. A carga é feita até a metade da capacidade do tambor e a operação dura geralmente de 5 a 20 minutos. O conteúdo é descarregado por uma abertura lateral diretamente sobre um transportador.
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EQUIPAMENTO UTILIZADO
Deve-se levar em conta a rotação do tambor que geralmente é 50 a 60% da rotação crítica. O consumo de energia é inferior ao dos misturadores helicoidais de fita de aço. O acionamento é feito por meio de engrenagens ou correias cujo número depende do tamanho do tambor, da carga, e diâmetro das polias. Usam-se geralmente 2, 5, ou 8 correias. Um tipo especial de tambor rotativo é a conhecida betoneira utilizada no preparo de concreto. A carga e descarga é feita pela boca do tambor, que muitas vezes é basculante e tem a forma de pera.
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Tambor Rotativo
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Misturadores de impacto São utilizados para sólidos finos, como os inseticidas e alguns produtos farmacêuticos. Os ingredientes bem secos são alimentados continuamente no centro de um disco 20 a 70cm de diâmetro, girando em alta rotação (1750 a 3500 rpm) no interior de uma carcaça . Geralmente o disco é horizontal, mas há também modelos com discos verticais. A mistura é realizada durante o impacto das partículas contra as paredes do misturados (carcaças). Misturadores deste tipo podem ser usados em série afim de melhorar a uniformização. A capacidade varia entre 1 e 25 t/h para materiais de fácil escoamento.
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MISTURADOR DE IMPACTO
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MISTURADOR DE IMPACTO
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Misturadores em V Constituem um tipo bastante comum na indústria. Dois cilindros curtos, unidos pela base de modo a formar um ângulo próximo a 90º, giram em torno de um eixo horizontal. Os cilindros podem ser de comprimento diferente. Estes misturadores funcionam em bateladas que ocupam metade do volume total.O tempo de mistura é de 5 a 20 minutos. Com vários V em série obtém-se um misturador em zig-zag e que, se for ligeiramente inclinado, permite realizar operação contínua.
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Misturadores em V
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Misturador de Duplo Cone
É constituído de dois cones unidos pela base maior e que giram em torno de um eixo no plano da base.A carga e a descarga são feitas pelos vértices. Há misturadores de duplo cone com agitadores internos adicionais e que permitem realizar a mistura em poucos minutos.
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Misturador de Duplo Cone
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Misturadores Helicoidais
São misturadores com as características de terem helicóides feitas com chapas metálicas onduladas ou com fitas de aço afastadas do eixo.São misturadores de operação contínua.
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Misturadorcom agitador helicoidal
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MISTURADOR DE FITA E DE ROSCA HELICOIDAL
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Forças que atuam no processo eMecanismos de mistura
As forças que atuam no processo de misturapodem ser:– inerciais e de aceleração ou– gravitacionaisMecanismos de mistura:– Convecção– Difusão– Mistura pneumática– Impacto
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MECANISMOS DE MISTURA
DIFUSÃO (revolvimento,tombamento):• Neste processo as partículas são reorientadas uma em relação às outras quando são colocadas em movimento aleatório havendo uma modificação de suas posições relativas devido à modificação da posição deconjuntos de partículas• Neste processo, também denominado de CISALHAMENTO, há criação de planos de deslizamento dentro da massa como resultado da mistura de grupos de partículas.
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MECANISMOS DE MISTURA
• Planos de escorregamento são formados no seio do sólido granulado durante a mistura, provocando o deslocamento relativo de porções grandes do material.• Exemplos de misturadores que operam com este principio são :misturadores em V, cones duplos, misturadores em cubo, misturadores de tambores.
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DIFUSÃO (revolvimento,tombamento)
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Mecanismos de mistura
CONVECÇÃO REVOLVIMENTO
• É a mistura de produto ou grupos de partículasde um ponto a outro.• Grupos de partículas movem-se de um ponto aoutro do sólido granular, como na convecçãofluida, originando a mistura convectiva.• Exemplos de misturadores que utilizam esteprincípio: Misturadores de fitas, misturadorestipo masseira, misturadores helicoidais,misturadores verticais de alta intensidade, etc
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MISTURADORES CONVECTIVOS
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CONTROLE DA OPERAÇÃO
Os sólidos particulados nunca atingem um estado de perfeita uniformidade ao serem misturados. O melhor que se consegue é um estado de desordem global média, isto é, um estado de dispersão das partículas que não prevalece à medida que a porção examinada vai ficando menor. Os métodos estatísticos constituem a ferramenta ideal para se proceder à avaliação do resultado das operações de misturas de sólidos. Esta avaliação consiste basicamente em obter o valor da composição mais provável da batelada em cada instante.
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CONTROLE DA OPERAÇÃO
O procedimento é realizado após um determinado tempo de mistura de dois sólidos A e B, dez amostras são retiradas e analisadas. De posse dos resultados calcula-se o desvio padrão. Dado um conjunto de resultados feitos em uma “mesma amostra” e calculado sua média aritmética, define-se “desvio padrão”, como sendo o limite superior e inferior de erros sobre a média aritmética dos resultados obtidos. Matematicamente, o desvio padrão é definido pela fórmula:
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S = desvio padrão
= somatória de n termosxi = valor individual da amostrax = valor médio aritméticon = número de vezes da repetição
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Exemplo da aplicação do cálculo do desvio padrão
n % de A x - x (x-x)2
01 0,0204 +0,0004 0,00000016
02 0,0200 0,0000 0,00000000
03 0,1910 - 0,0009 0,00000081
04 0,0203 +0,0002 0,00000004
05 0,0209 +0,0009 0,00000081
06 0,0202 +0,0002 0,00000004
07 0,0206 +0,0006 0,00000036
08 0,0187 - 0,0013 0,00000169
09 0,0205 +0,0005 0,00000025
10 0,0198 - 0,0002 0,00000004
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S = (Desvio Padrão)Indica que, baseado na média aritmética (x) dos valores obtidos que:
é permitido um erro de 0,00068% para mais ou menos da média obtida que é 0,0200%. Sendo que o resultado final poderá ser
expresso da seguinte forma:
% A = 0,0200% ± 0,00068
O desvio relativo é calculado assim: 0,0200 100%
0,0068 x %
x = 3,41 %
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O desvio padrão depende de: (1) - Método analítico (2) - Concentração da amostra(3) - Tipo de amostra(4) - Número de determinação(5) - Número de analistas envolvido
O desvio padrão diminui a medida que a uniformidade de mistura aumenta.