Agitacao e Mistura de Fluidos

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OPERAÇÕES UNITÁRIAS NA INDÚSTRIA QUÍMICAII

Profª Drª Lisete Cristine Scienza

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Material/objetivo Transporte Mistura Separação

Modificação detamanho

Fluidos: líquidose gases

BombeamentoVentilação

Compressão

Agitação eMisturas

Centrifugação(L-L)

Atomização

Fluidos e sólidos

TransportePneumáticoTransportehidráulicoPerda de

pressão emleitos

empacotados

FluidizaçãoSuspensão de

sólidos emlíquidos

(agitação)

Filtração (L-S)Centrifugação

(L-S)Sedimentação

(L-S)Separação

pneumática(G-S)

Prensagem

Sólidos TransporteMecânico de

sólidos

Misturadores desólidos

Peneiramento Moagem

OPERAÇÕES UNITÁRIAS DE Q. MOVIMENTO

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INTRODUÇÃO

A agitação é o centro de um grande número de processosindustriais em diversas áreas, tais como mineração,alimentos, petróleo, produtos químicos e farmaceuticos,tratamento de efluentes e muito outros.

A operação de agitação deve ser analisada de modo aconsiderar a etapa crítica do processo em estudo. Nacristalização, por exemplo, os parâmetros importantes são onível de supersaturação, o calor transferido associado aocontrole de temperatura, a suspensão de cristais, a taxa decrescimento e a nucleação secundária.

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Classificação dos processos de agitação quanto a ap licação

Aplicação Processamento Processament o Físico Químico

Líquido-sólido Suspensão DissoluçãoLíquido-gás Dispersão AbsorçãoLíquidos imiscíveis Emulsão ExtraçãoLíquidos Miscíveis Mistura ReaçãoMovimentação Bombeamento Transferênciade fluidos de calor

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Misturador 400 L, eletropolimentointerno, encamisado, para Ind.Farmacêutica.

Misturador com camisa 3000 L,

em aço inox, para Ind. Química.

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AGITAÇÃO E MISTURA

Agitação => Refere-se ao movimento induzido de um

material em forma determinada, geralmente

circulatória, dentro de um recipiente. Pode-se agitar

uma só substância homogênea.

Mistura => Movimento aleatório de duas ou mais

fases inicialmente separadas. A mistura de fluidos em

vasos agitados é uma das mais importantes

operações unitárias para indústrias químicas,

bioquímicas, farmacêuticas, petroquímica e de

alimentos.

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OBJETIVOS

- Misturar líquidos miscíveis;

- Dispersão de líquidos imiscíveis;

- Dispersar um gás num líquido � aeração;

- Promover transferência de calor;

- Promover transferência de massa;

- Reduzir aglomerados de partículas;

- Acelerar reações químicas.

- Obter materiais com propriedades diferentes daquelas

do material originário;

- Aquecer ou resfriar soluções.

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1. PROPRIEDADES QUE INFLUENCIAM NA MISTURA.

- Do fluido : viscosidade (µ ), massa específica (ρ),

miscibilidade.

- Do sólido : tamanho, massa específica do sólido (ρs), forma,

rugosidade e molhabilidade

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2. MISTURA DE LÍQUIDOS.

Os sistemas de mistura apresentam em comum:

- Líquido a ser misturado (agitado);

- Vaso que contém o líquido;

- Equipamento mecânico que gera a turbulência.

Mistura de líquidos e materiais pouco viscosos.

Mistura de pastas.

Líquido é qualquer solução ou suspensão bombeável.

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Os componentes para a agitação de líquidos

são:

- vaso: fundo arredondado (evita pontos

sem mistura);

- motor;

- redutor de velocidade;

- haste ou impulsor;

- dificultores (opcional);

- termômetro (opcional);

- ponto de amostragem.

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a) B a te lad a

- U sados para m ateria is v iscosos, p lásticos e

só lidos .

S ão pon tos im portan tes.

- T em po para ob tenção do resu ltado dese jado .

- F ac ilidade e rap idez de descarga e lim peza .

- C onsum o de energ ia .

b ) C on tín u os

- P ara gases, líqu idos de ba ixa v iscos idade e suspensões.

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ALGUNS EXEMPLOS DE USO DE TANQUESALGUNS EXEMPLOS DE USO DE TANQUESAGITADORESAGITADORES ::

•• dissoludissolu çãção de ao de a çúçú car, amido, sal, car, amido, sal, áácidos, etc.cidos, etc.•• dispersdispers ãão de hidrogo de hidrog êênio em reatores de hidrogenanio em reatores de hidrogena çãção deo degorduras.gorduras.•• circulacircula çãção de lo de l ííquidos em tanque de fermentaquidos em tanque de fermenta çãçãoo•• tanque de tratamento ttanque de tratamento t éérmico de laticrmico de latic ííniosnios•• tanques de extratanques de extra çãçãoo•• tachos de cozimentotachos de cozimento•• tanques de retentanques de reten çãção de produto em processamentoo de produto em processamento•• ttachos de mistura para preparaachos de mistura para prepara çãção de sorveteso de sorvetes•• tanques de recirculatanques de recircula çãção de salmouras para refrigerao de salmouras para refrigera çãçãoo•• tanques de aeratanques de aera çãção para tratamento biolo para tratamento biol óógico de resgico de res ííduosduosll ííquidosquidos•• tanques de lavagem de materialtanques de lavagem de material•• misturadeiras e amassadeiras de pastas e massas paramisturadeiras e amassadeiras de pastas e massas parapurificapurifica çãçãoo•• suspenssuspens ãão de so de s óólidos sedimentados para facilitar seu arrastelidos sedimentados para facilitar seu arrastepor bombeamento, etc.por bombeamento, etc.

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3. PADRÕES DE FLUXO

O movimento do fluido, ou padrão de fluxo, em um tanque agitadodepende do tipo de rotor selecionado, das características do fluido,tamanho e proporções do tanque (geometria), dos inibidores devórtices ("baffles") e do agitador.

A velocidade do fluido em qualquer ponto do tanque possui trêscomponentes :

O primeiro componente de velocidade é radial e atua na direçãoperpendicular ao eixo do rotor.

O segundo componente é longitudinal e atua na direção paralelaao eixo do rotor.

O terceiro componente é tangencial ou rotacional e atua nadireção tangente, o que propicia um movimento circular ao redor dorotor.

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PADRÕES DE FLUXO

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a) Escoamento axial

- São aqueles cujas pás fazem um ângulo menor que 90º

com o plano de rotação do impulsor. Ex: hélices, turbinas de

pás inclinadas.

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b) Escoamento radial.

- 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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c) Escoamento tangencial

- Este fluxo atua na direção tangente, o que proporciona um

movimento circular ao redor do rotor.

Em alguns casos a componente tangencialé desvantajosa, pois tem uma trajetóriacircular e cria um vórtex na superfície, não possibilitando a mistura longitudinalentre os níveis.

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4. FORMAÇÃO DO VÓRTICE.

- Produzido pela ação da força centrífuga que age no líquido em

rotação, devido à componente tangencial da velocidade do fluido.

- Geralmente ocorre para líquidos de baixa viscosidade (com

agitação central).

Maneiras de evitar o vórtice:

- descentralizar o agitador;

- inclinar o agitador de 15° em relação ao centro do

tanque;

- colocar o agitador na horizontal;

- usar dificultores.

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Dificultores:

a) Próximo à parede para líquidos de baixa viscosid ade.

b) Afastados da parede para líquidos de viscosidade

moderada.

c) Afastados da parede e inclinados para líquidos d e alta

viscosidade.

d) Geralmente são usados 4 dificultores com largura de 1/10 -

1/12 do diâmetro do tanque para soluções de baixa v iscosidade.

e) Para soluções viscosas são colocados afastados d as

paredes.

f) Geralmente afastamento de 1/2 da largura, a fim de evitar

acúmulo de sólidos atrás das lâminas.

g) Geralmente utilizados para: Re > 10.000

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5.ALGUMAS DESCRIÇÕES IMPORTANTES:

Propulsores ou hélices: dirigem o fluido para o fundo do tanque, ondea corrente se espalha radialmente em todas as direções e sobe ao longoda parede do tanque retornando à zona de sucção do rotor. Sãoutilizados quando são necessários grandes correntes verticais.

Pás: fornecem um bom fluxo radial no plano do rotor, mas não fornecemfluxo vertical, sua principal limitação. Não servem por exemplo paramanter sólidos suspensos.

Turbina: movimentam o fluido radialmente contra a parede do tanqueonde a corrente se divide. Uma parte se dirige ao fundo e volta ao centrodo rotor enquanto a outra sobe em direção à superfície e retorna ao rotorpor cima (zona de sucção). São geradas duas circulações distintas.Desenvolvem excelente fluxo radial e bons fluxos verticais. Mostram-seeficientes na mistura de líquidos de mesma gravidade específica. Emtanques cilíndricos verticais a profundidade do líquido deve ser igual oumaior ao diâmetro do tanque. Se necessário profundidades maiores sãomontados dois ou mais rotores no mesmo eixo.

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Draft tubes: adicionam atrito ao fluido e para uma dada potênciade entrada a taxa de circulação é reduzida, deste modo sãoutilizados somente em casos específicos. O retorno do fluxo parao rotor ocorre em todas as direções. Embora isto não seja umalimitação, quando se deseja que a direção e a velocidade do fluxoem direção a sucção do rotor são utilizados "draft tubes". Sãofreqüentemente utilizados para alto cisalhamento (por exemplo:emulsões). São montados em posições diferentes em função dotipo de rotor: acima das turbinas e em torno depropulsores/hélices.

Chicanas (inibidores de vórtice, dificultores): são tirasperpendiculares à parede do tanque, geralmente quatro tiras sãosuficientes, que interferem no fluxo rotacional sem interferir nofluxo radial e axial.

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Movimento do fluido em tanques agitados com chicanas e "draft tubes”

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6. TIPOS DE AGITADORES OU IMPULSORES

�� HHééliceslices

Utilizada geralmente para agitaUtilizada geralmente para agita çãção de fluidos de baixao de fluidos de baixaviscosidade (viscosidade ( µµµµµµµµ <<<<<<<< 50 cP); maior circula 50 cP); maior circula çãção que umao que umaturbina;turbina;

Uso: suspensão de sólidos, mistura de fluidosmiscíveis. Utilizada para transferência de calor .NNãão fornece tenso fornece tens ãão de cisalhamento. Do de cisalhamento. D ii <<<<<<<<<<<<<<<< D Dtt ampla amplafaixa de rotafaixa de rota çõçõ eses

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�� Turbinas TurbinasPodem apresentar escoamento radial, alta tensPodem apresentar escoamento radial, alta tens ãão deo decisalhamento nas pontas do impulsor ou escoamentocisalhamento nas pontas do impulsor ou escoamentoaxial (paxial (p áás inclinadas): s inclinadas): úteis para suspensão desólidos, e como as de pás planas são úteis paraagitação de fluidos viscosos, fluidos poucos viscos os,dispersão de gases em líquidos, mistura de fluidosimiscíveis, dispersão de gases e transferência decalor ; D; D ii <<<<<<<<<<<<<<<< D Dtt,; velocidade de rota,; velocidade de rota çãção altao alta

�� P PáássDDii menor que D menor que D tt; velocidade de rota; velocidade de rota çãção baixa. Utilizadao baixa. Utilizadapara mistura de fluidos muito consistentespara mistura de fluidos muito consistentes

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Linhas de escoamento e turbulênciaLinhas de escoamento e turbulência

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ModeloModelo de de agitação agitação com com turbina deturbina depás inclinadaspás inclinadas

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Tipos deimpulsores:

PÁS

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Fita dupla helicoidal

Tamanho relativo do impulsor: 95% dodiâmetro do tanque

Usos recomendados: É o melhor parafluidos de altas viscosidades em regimelaminar.

Este agitador também é bom quando serequer boa transferência de calor emistura de líquidos e sólidos.

Geralmente utilizado para viscosidadesmaiores de 30,000 MPa

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Fita Helicoidal comparafuso

Tamanho relativo do impulsor: 95% dodiâmetro do tanque.

Usos recomendados: Eficiência razoávelem altas viscosidades e regime laminar.Tempos de mistura são da mesma ordemou maiores que os de dupla fita. Parafusocentral efetivamente remove sólidos efluidos desde a parede, na medida quecria um fluxo axial ascendente.

Geralmente utilizado para viscosidadesmaiores de 30,000 MPa. A transferência decalor é um pouco menor que para o de fitadupla

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Tamanho relativo do impulsor: 95% dodiâmetro do tanque

A ancora é o mais econômico dosimpulsores de pás, trabalhando em regimelaminar e com fluidos muito viscosos.

É mais efetivo em “squatty batches”onde obombeamento vertical não é tãonecessário como em tanques altos.

Tempos de mistura são um pouco maislongos que em impulsores de fitashelicoidal. Neste tipo de impulsor é muitofácil a instalação de raspadores da parede,para aumentar a transferência de calor.

Ancora

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Detalhe dofluxo

tangencial

Fluxo geradoem uma

seção axial

Fluxogerado emuma seçãotransversal

Fluxo gerado pelo impelidor tipo âncora.

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Tamanho relativo : metade do diâmetrodo tanque

Usos recomendados: Mistura efetiva empolímeros, sensíveis ao cisalhamento, dealta viscosidade.

Bom bombeamento do topo até a base

O parafuso é adequado para fluidospseuplásticos

Impulsor de parafuso

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Modelos combinados Fita helicoidal

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Efeito de mistura de váriosEfeito de mistura de várioscomponentes com duas ancorascomponentes com duas ancoras

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IMPULSORESTIPO TURBINA

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Turbina de pás planasTurbina de pás planas

Mistura a alto custo de energia,quando é requerido altocisalhamento.

Emulsão líquido-líquido oususpensão de sólidos, tambémpode ser utilizado em regimelaminar, quando Re cai até 50 ePo = 3,6

Não é recomendado paradispersão de gases

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Turbina de pás curvasTurbina de pás curvas

Impulsor eficiente deescoamento radial.

Para operações sensíveis àvelocidade e quando serequer altas velocidades naparede no tanque(transferência de calor)Po = 2,52

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Impulsor efetivo a custo deenergia razoável para baixaconcentrações de líquidosimiscíveis e gases

Dois redemoinhos sãoformados após cada pá.

Estas áreas de grandecisalhamento, quebram asgotas de diâmetro maior.

Turbina de pás e discoTurbina de pás e discoou turbina Rushtonou turbina Rushton

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Fluxo gerado pelo impelidor tipo Rushton

Campo develocidades doimpelidor tipo

Rushton

Vetores velocidadeem um plano axialdo impelidor tipo

Rushton

Vórticesformados peloimpelidor tipo

Rushton

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TurbinTurbin a a SmithSmith

Turbina altamente efetiva para dispersão de volumes al tos degases

Pode dispersar 6 vezes mais volume que a de Rushton . 10% amais de transferência de massa.

Diferente de outros impulsores dispersores de gás Não é muitosensível à mudança de viscosidade

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A custo energia razoável podetrabalhar em regime laminar outurbulento.

Bom impulsor quando existemuita variação de viscosidadealongo do processo, causandovariação do regime entreturbulento e laminar

Bom impulsor para suspensão desólidos

Turbina de pás inclinadasTurbina de pás inclinadas

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Instalação para tanque altosInstalação para tanque altos

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HÉLICES

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Hélice MarinhaHélice Marinha

Estes elementos de misturaEstes elementos de misturasão utilizados para misturassão utilizados para misturasde sólidos e emulsões.de sólidos e emulsões.Geram um nível médio deGeram um nível médio deturbulência. Como sãoturbulência. Como sãopesados são utilizadospesados são utilizadosquando de pequenoquando de pequenodiâmetro, operando a altadiâmetro, operando a altavelocidadevelocidade

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Alto bombeamento.Alto bombeamento.

Excelente na suspensão deExcelente na suspensão desólidos abrasivos e no caso desólidos abrasivos e no caso decerta presença de gasescerta presença de gases

Impulsor MaxfloImpulsor Maxflo

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Impulsores ChemShear sãoImpulsores ChemShear sãoconstruídos em 4 tipos diferentes: pásconstruídos em 4 tipos diferentes: pásmais grossas e mais finas, em funçãomais grossas e mais finas, em funçãode diferentes requerimentos dede diferentes requerimentos decisalhamento e bombeamento.cisalhamento e bombeamento.

As mais grossas fornecem maisAs mais grossas fornecem maisbombeamento e as mais finas maiorbombeamento e as mais finas maiornível de cisalhamento.nível de cisalhamento.

Trabalham bem quando é requerido umTrabalham bem quando é requerido umcisalhamento moderadamente alto,cisalhamento moderadamente alto,mas com um certo bombeamento quemas com um certo bombeamento quea maioria das turbinas não oferece.a maioria das turbinas não oferece.

Impulsor ChemShear ImpellerImpulsor ChemShear Impeller

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IMPULSORES COM ALTOIMPULSORES COM ALTOCISALHAMENTOCISALHAMENTO

High Speed Disperser Blades

Dantco Mixers Corporation tem uma linha de aço inox. R esistenteà abrasão. São especialmente projetadas para dispersã o.

A maioria dos impulsores está disponível de 2 a 36 po legadas,adequadas para uso em laboratório, planta piloto e tamanhoindustrial.

São projetadas para uso em dispersão, dissolução, emu lsificaçãode materiais sólidos/líquidos/gasosos.

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Produz alto cisalhamento, bombeamento eredução de tamanhos de aglomerados

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Impulsores da DantcoImpulsores da Dantco ::

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PHILADELPHIA MIXING SOLUTIONS

Projetos de impulsores diversos

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Impulsor muito eficiente paramisturas especiais e parafluidos pseudoplásticos ealtas viscosidades

-Ação dupla – projeto paradiâmetro grandes

- Efetivamente misturafluidos de viscosidade nafaixa de 25,000cP-75,000cP

Impulsor contracorrenteImpulsor contracorrente

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Projetada para fornecer alta taxa deoxigenação superficial,com boa mistura.

Objetivo: aeração de águasDe grande diâmetro e pás curvaspromove aeração

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Impulsor de baixoImpulsor de baixo

cisalhamentocisalhamento(Sentinel Super Low Shear Impeller)

Projetado para materiais muito sensíveisao cisalhamento

Projetado para usos que se faz necessáriocerta aplicação de cisalhamento devido àmovimentação de fluidos requerido parasuspender sólidos, dispersar gases, oumisturar líquidos que são sensíveis aocisalhamento.

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Hydrofoil (LS)

Baixo cisalhamento para fluidos deviscosidade(até 2.500cp)

Mistura e suspensão de sólidos.Po=0.3 -0.55

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Viscosidades medias Viscosidades medias (MHS) (MHS)

Mistura de viscosidadesintermediariasde 2.500cP até 15.000cP

Caracterizado por pás muitofinas - Po = 0.60 - 1.10

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Turbina de pás inclinadas paraTurbina de pás inclinadas paraaltas viscosidadesaltas viscosidadesPitch Blade Turbine (PBT) High Solidity Hydrofoil (HS)Pitch Blade Turbine (PBT) High Solidity Hydrofoil (HS)

Impulsor eficiente paraviscosidades na faixa de 2.500cP-100.000cP e alta carga(dispersão de gases e draft tube)

Caracterizado por suas placas bemfinas.

Para requerimento simultâneo dedispersão de gás e suspensão desólidos

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DimensionamentoDimensionamentode um sistemade um sistema

de agitaçãode agitação

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O conjunto conhecido como como tanqueagitado normalmente consiste em um tanquecilíndrico, um ou mais impelidores, um motore, ususalmente, chicanas.

Alguns tanques são providos de serpentinasou camisas para promover a troca térmica.

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DIMENSÕES CARACTERÍSTICAS :

T = diâmetro internoD = diâmetro do impelidorw = largura da pá do implelidorC = distância entre o fundo e o impelidorZ = altura do líquidoB = largura das chicanas

Dreno do tanque

B

D

Z

C

T

w

Chicanas

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GEOMETRIA PADRÃO:

D/T = de 1/4 a 1/2Z/T = 1C/T = de 1/6 a 1/2B/T = de 1/10 a 1/12w/D = de 1/4 a 1.6

Dreno do tanque

B

D

Z

C

T

w

Chicanas

Estas relações não valempara todos os tipos deprocessos que ocorremem tanques.

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RELAÇÕES GEOMÉTRICAS TÍPICAS UTILIZADASPOR DIVERSOS IMPELIDORES

Tipo de impelidor Relações geométricas

Pás w = 1/5 D

Turbina (Rishton) L = 1/4 D w = 1/5 D diâmetro do disco = 2/3 D

Naval passo da curvatura = 1,5 D

D = diâmetro do impelidorw = largura da páL = comprimento da pá

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CARACTERÍSTICAS DE ALGUNS IMPELIDORES

Tipo de impelidor Faixa de Rotação Potência Utilização viscosidade

Naval < 2 Pa.s 300 a 1750 rpm 0,2 a 2,25 kW bombeamento

Turbina < 1000 20 a 150 0,75 a 375 suspensão de sólidos

Pás < 50 100 a 350 1 a 150 trnsf. De massa

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VARIÁVEIS DE PROJETO:Propriedades do fluido:µ = viscosidadeρ = densidadeσ = tensão superficialκ = condutividade térmicaCp = calor específico

N = velocidade de rotação do impelidor

P = F.U

P = potência consumida por um misturadorF = força de arraste do impelidorU = velocidade relativa da pá do impelidor

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POTÊNCIA E TORQUE NA AGITAÇÃO

Símbolo Item Escoamento turbulento

P potência K1ρN3D5

V volume do tanque K3T3

P/V potência por volume k4N3D2(D/T)3

Tq torque P/N = k6ρN2D5

Tq/V torque por volume k8 ρN2D2(D/T)3

Ut velocidade do impelidor πND

K = constante de proporcionalidade

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ANÁLISE DE PROCESSO ATRAVÉSDE NÚMEROS ADIMENSIONAIS

Existe uma série de números adimensionais associados com

sistemas de agitação.

São utilizados para se obter informações sobre parâmetros

importantes tais como o tempo de mistura, o consumo de

energia e a capacidade de bombeamento, entre outros.

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Número de bombeamento (NBO): relaciona a taxa de

bombeamento do impelidor Q (volume escoado por área do

impelidor e por tempo) com a velocidade de rotação e tamanho

do impelidor. Portanto correlaciona a capacidade de

bombeamento de diferentes impelidores com diferentes

geometrias de tanques.

A taxa de circulação em tanques com agitação é definida como o

volume de um fluido deslocado por um rotor por unidade de tempo.

É também chamada de capacidade de bombeamento.

NBO = Q/(ND3)

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Número de Froude (NFR): este número inclui as forças

gravitacionais e é usado para considerar os efeitos da superfície

livre (por exemplo, vórtice central) no número de potência. Por

isso, esse número é incluído em correlações de Re e Po em

sistemas sem chicanas.

NFR = N2D/g

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Número de Mistura (NB): é o produto da velocidade derotação (N) e o tempo de mistura (θ). O tempo de mistura é

uma medida do tempo requerido para misturar líquidos

miscíveis ao longo do volume de tanque agitado. Se o número

de mistura for constante, o tempo de mistura é proporcional ao

inverso da velocidade de rotação do impelidor.

NB = N.θθθθ

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Número de Potência (NP): é a potência transferida doimpelidor para o fluido. O cálculo pode ser efetuado de diversas

maneiras e depende do processo, do regime de escoamento e

do fluido. Entretanto, para o caso de escoamento turbulento em

um sistema homogêneo a estimativa da potência é realizada

através de análise dimensional e/ou medidas experimentasi dos

torque.

NPO = P/ρρρρN3D5

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Número de Reynolds (Re): define o regime de escoamento:

laminar (<10) ou turbulento (>10.000)

Re = D2Nρρρρ/µµµµ

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Resumindo:

Re = Esforço de inércia .( força aplicada )Força viscosa

NPO = Força aplicada ao agitadorForça inercial

NFR = Força inercial Força gravitacional

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