Agitacao e Mistura de Fluidos

1OPERAES UNITRIAS NA INDSTRIA QUMICAII

Prof Dr Lisete Cristine Scienza

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Material/objetivo Transporte Mistura Separao

Modificao detamanho

Fluidos: lquidose gases

BombeamentoVentilao

CompressoAgitao eMisturas

Centrifugao(L-L) Atomizao

Fluidos e slidos

TransportePneumticoTransportehidrulicoPerda de

presso emleitos

empacotados

FluidizaoSuspenso de

slidos emlquidos

(agitao)

Filtrao (L-S)Centrifugao

(L-S)Sedimentao

(L-S)Separao

pneumtica(G-S)

Prensagem

Slidos TransporteMecnico de

slidos

Misturadores deslidos

Peneiramento Moagem

OPERAES UNITRIAS DE Q. MOVIMENTO

3INTRODUOA agitao o centro de um grande nmero de processosindustriais em diversas reas, tais como minerao,alimentos, petrleo, produtos qumicos e farmaceuticos,tratamento de efluentes e muito outros.

A operao de agitao deve ser analisada de modo aconsiderar a etapa crtica do processo em estudo. Nacristalizao, por exemplo, os parmetros importantes so onvel de supersaturao, o calor transferido associado aocontrole de temperatura, a suspenso de cristais, a taxa decrescimento e a nucleao secundria.

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Classificao dos processos de agitao quanto a aplicao

Aplicao Processamento Processamento Fsico Qumico

Lquido-slido Suspenso DissoluoLquido-gs Disperso AbsoroLquidos imiscveis Emulso ExtraoLquidos Miscveis Mistura ReaoMovimentao Bombeamento Transfernciade fluidos de calor

5Misturador 400 L, eletropolimentointerno, encamisado, para Ind.Farmacutica.

Misturador com camisa 3000 L,em ao inox, para Ind. Qumica.

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AGITAO E MISTURA Agitao => Refere-se ao movimento induzido de ummaterial em forma determinada, geralmentecirculatria, dentro de um recipiente. Pode-se agitaruma s substncia homognea.

Mistura => Movimento aleatrio de duas ou maisfases inicialmente separadas. A mistura de fluidos emvasos agitados uma das mais importantesoperaes unitrias para indstrias qumicas,bioqumicas, farmacuticas, petroqumica e dealimentos.

7OBJETIVOS

- Misturar lquidos miscveis;- Disperso de lquidos imiscveis;- Dispersar um gs num lquido aerao;- Promover transferncia de calor;- Promover transferncia de massa;- Reduzir aglomerados de partculas;- Acelerar reaes qumicas.- Obter materiais com propriedades diferentes daquelasdo material originrio;- Aquecer ou resfriar solues.

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1. PROPRIEDADES QUE INFLUENCIAM NA MISTURA.

- Do fluido : viscosidade ( ), massa especfica (),miscibilidade.- Do slido : tamanho, massa especfica do slido (s), forma,rugosidade e molhabilidade

92. MISTURA DE LQUIDOS.Os sistemas de mistura apresentam em comum:

- Lquido a ser misturado (agitado);- Vaso que contm o lquido;

- Equipamento mecnico que gera a turbulncia.

Mistura de lquidos e materiais pouco viscosos. Mistura de pastas. Lquido qualquer soluo ou suspenso bombevel.

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Os componentes para a agitao de lquidosso:

- vaso: fundo arredondado (evita pontossem mistura);- motor;

- redutor de velocidade;- haste ou impulsor;- dificultores (opcional);- termmetro (opcional);- ponto de amostragem.

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a) B ate lad a- U sados para m ateria is v iscosos, p lsticos e

s lidos .

S o pon tos im portan tes.- T em po para ob teno 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 tn u os- P ara gases, lqu idos de ba ixa v iscos idade e suspenses.

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

dissoludissoluo de ao de acar, amido, sal, car, amido, sal, cidos, etc.cidos, etc. dispersdisperso de hidrogo de hidrognio em reatores de hidrogenanio em reatores de hidrogenao deo degorduras.gorduras. circulacirculao de lo de lquidos em tanque de fermentaquidos em tanque de fermentaoo tanque de tratamento ttanque de tratamento trmico de laticrmico de laticniosnios tanques de extratanques de extraoo tachos de cozimentotachos de cozimento tanques de retentanques de reteno de produto em processamentoo de produto em processamento ttachos de mistura para preparaachos de mistura para preparao de sorveteso de sorvetes tanques de recirculatanques de recirculao de salmouras para refrigerao de salmouras para refrigeraoo tanques de aeratanques de aerao para tratamento biolo para tratamento biolgico de resgico de resduosduosllquidosquidos tanques de lavagem de materialtanques de lavagem de material misturadeiras e amassadeiras de pastas e massas paramisturadeiras e amassadeiras de pastas e massas parapurificapurificaoo suspenssuspenso de so de slidos sedimentados para facilitar seu arrastelidos sedimentados para facilitar seu arrastepor bombeamento, etc.por bombeamento, etc.

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3. PADRES DE FLUXOO movimento do fluido, ou padro de fluxo, em um tanque agitadodepende do tipo de rotor selecionado, das caractersticas do fluido,tamanho e propores do tanque (geometria), dos inibidores devrtices ("baffles") e do agitador.A velocidade do fluido em qualquer ponto do tanque possui trscomponentes :

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

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

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

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PADRES DE FLUXO

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a) Escoamento axial- So aqueles cujas ps fazem um ngulo menor que 90com o plano de rotao do impulsor. Ex: hlices, turbinas deps inclinadas.

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b) Escoamento radial.- Tem suas ps paralelas ao eixo de

rotao. Este fluxo perpendicular a parede do tanque.

Ex: turbina, ps, ncora, grade.

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c) Escoamento tangencial- Este fluxo atua na direo tangente, o que proporciona ummovimento circular ao redor do rotor.

Em alguns casos a componente tangencial desvantajosa, pois tem uma trajetriacircular e cria um vrtex na superfcie, no possibilitando a mistura longitudinalentre os nveis.

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4. FORMAO DO VRTICE. - Produzido pela ao da fora centrfuga que age no lquido emrotao, devido componente tangencial da velocidade do fluido.- Geralmente ocorre para lquidos de baixa viscosidade (comagitao central).

Maneiras de evitar o vrtice:

- descentralizar o agitador;

- inclinar o agitador de 15 em relao ao centro dotanque;

- colocar o agitador na horizontal;

- usar dificultores.

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Dificultores:a) Prximo parede para lquidos de baixa viscosidade.b) Afastados da parede para lquidos de viscosidademoderada.c) Afastados da parede e inclinados para lquidos de altaviscosidade.d) Geralmente so usados 4 dificultores com largura de 1/10 -

1/12 do dimetro do tanque para solues de baixa viscosidade.e) Para solues viscosas so colocados afastados das

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

acmulo de slidos atrs das lminas.g) Geralmente utilizados para: Re > 10.000

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5.ALGUMAS DESCRIES IMPORTANTES:Propulsores ou hlices: dirigem o fluido para o fundo do tanque, ondea corrente se espalha radialmente em todas as direes e sobe ao longoda parede do tanque retornando zona de suco do rotor. Soutilizados quando so necessrios grandes correntes verticais.

Ps: fornecem um bom fluxo radial no plano do rotor, mas no fornecemfluxo vertical, sua principal limitao. No servem por exemplo paramanter slidos 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 direo superfcie e retorna ao rotorpor cima (zona de suco). So geradas duas circulaes distintas.Desenvolvem excelente fluxo radial e bons fluxos verticais. Mostram-seeficientes na mistura de lquidos de mesma gravidade especfica. Emtanques cilndricos verticais a profundidade do lquido deve ser igual oumaior ao dimetro do tanque. Se necessrio profundidades maiores somontados dois ou mais rotores no mesmo eixo.

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Draft tubes: adicionam atrito ao fluido e para uma dada potnciade entrada a taxa de circulao reduzida, deste modo soutilizados somente em casos especficos. O retorno do fluxo parao rotor ocorre em todas as direes. Embora isto no seja umalimitao, quando se deseja que a direo e a velocidade do fluxoem direo a suco do rotor so utilizados "draft tubes". Sofreqentemente utilizados para alto cisalhamento (por exemplo:emulses). So montados em posies diferentes em funo dotipo de rotor: acima das turbinas e em torno depropulsores/hlices.

Chicanas (inibidores de vrtice, dificultores): so tirasperpendiculares parede do tanque, geralmente quatro tiras sosuficientes, 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

HHliceslices

Utilizada geralmente para agitaUtilizada geralmente para agitao de fluidos de baixao de fluidos de baixaviscosidade (viscosidade (

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Turbinas TurbinasPodem apresentar escoamento radial, alta tensPodem apresentar escoamento radial, alta tenso deo decisalhamento nas pontas do impulsor ou escoamentocisalhamento nas pontas do impulsor ou escoamentoaxial (paxial (ps inclinadas): s inclinadas): teis para suspenso deslidos, e como as de ps planas so teis paraagitao de fluidos viscosos, fluidos poucos viscosos,disperso de gases em lquidos, mistura de fluidosimiscveis, disperso de gases e transferncia decalor; D; Dii

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ModeloModelo de de agitao agitao com com turbina deturbina deps inclinadasps inclinadas

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Tipos deimpulsores:

PS

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Fita dupla helicoidal

Tamanho relativo do impulsor: 95% dodimetro do tanque

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

Este agitador tambm bom quando serequer boa transferncia de calor emistura de lquidos e slidos.

Geralmente utilizado para viscosidadesmaiores de 30,000 MPa

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Fita Helicoidal comparafusoTamanho relativo do impulsor: 95% dodimetro do tanque.

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

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

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Tamanho relativo do impulsor: 95% dodimetro do tanque

A ancora o mais econmico dosimpulsores de ps, trabalhando em regimelaminar e com fluidos muito viscosos.

mais efetivo em squatty batchesonde obombeamento vertical no tonecessrio como em tanques altos.

Tempos de mistura so um pouco maislongos que em impulsores de fitashelicoidal. Neste tipo de impulsor muitofcil a instalao de raspadores da parede,para aumentar a transferncia de calor.

Ancora

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Detalhe dofluxo

tangencial

Fluxo geradoem uma

seo axial

Fluxogerado emuma seotransversal

Fluxo gerado pelo impelidor tipo ncora.

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Tamanho relativo : metade do dimetrodo tanque

Usos recomendados: Mistura efetiva empolmeros, sensveis ao cisalhamento, dealta viscosidade.

Bom bombeamento do topo at a base

O parafuso adequado para fluidospseuplsticos

Impulsor de parafuso

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Modelos combinados Fita helicoidal

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Efeito de mistura de vriosEfeito de mistura de vrioscomponentes com duas ancorascomponentes com duas ancoras

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IMPULSORESTIPO TURBINA

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Turbina de ps planasTurbina de ps planas

Mistura a alto custo de energia,quando requerido altocisalhamento.

Emulso lquido-lquido oususpenso de slidos, tambmpode ser utilizado em regimelaminar, quando Re cai at 50 ePo = 3,6

No recomendado paradisperso de gases

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Turbina de ps curvasTurbina de ps curvas

Impulsor eficiente deescoamento radial.

Para operaes sensveis velocidade e quando serequer altas velocidades naparede no tanque(transferncia de calor)Po = 2,52

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Impulsor efetivo a custo deenergia razovel para baixaconcentraes de lquidosimiscveis e gases

Dois redemoinhos soformados aps cada p.

Estas reas de grandecisalhamento, quebram asgotas de dimetro maior.

Turbina de ps e discoTurbina de ps 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

Vrticesformados peloimpelidor tipo

Rushton

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TurbinTurbina a SmithSmith

Turbina altamente efetiva para disperso de volumes altos degases

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

Diferente de outros impulsores dispersores de gs No muitosensvel mudana de viscosidade

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A custo energia razovel podetrabalhar em regime laminar outurbulento.

Bom impulsor quando existemuita variao de viscosidadealongo do processo, causandovariao do regime entreturbulento e laminar

Bom impulsor para suspenso deslidos

Turbina de ps inclinadasTurbina de ps inclinadas

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Instalao para tanque altosInstalao para tanque altos

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HLICES

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Hlice MarinhaHlice Marinha

Estes elementos de misturaEstes elementos de misturaso utilizados para misturasso utilizados para misturasde slidos e emulses.de slidos e emulses.Geram um nvel mdio deGeram um nvel mdio deturbulncia. Como soturbulncia. Como sopesados so utilizadospesados so utilizadosquando de pequenoquando de pequenodimetro, operando a altadimetro, operando a altavelocidadevelocidade

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Alto bombeamento.Alto bombeamento.

Excelente na suspenso deExcelente na suspenso deslidos abrasivos e no caso deslidos abrasivos e no caso decerta presena de gasescerta presena de gases

Impulsor MaxfloImpulsor Maxflo

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Impulsores ChemShear soImpulsores ChemShear soconstrudos em 4 tipos diferentes: psconstrudos em 4 tipos diferentes: psmais grossas e mais finas, em funomais grossas e mais finas, em funode 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 maiornvel de cisalhamento.nvel de cisalhamento.

Trabalham bem quando requerido umTrabalham bem quando requerido umcisalhamento moderadamente alto,cisalhamento moderadamente alto,mas com um certo bombeamento quemas com um certo bombeamento quea maioria das turbinas no oferece.a maioria das turbinas no 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 ao inox. Resistente abraso. So especialmente projetadas para disperso.

A maioria dos impulsores est disponvel de 2 a 36 polegadas,adequadas para uso em laboratrio, planta piloto e tamanhoindustrial.

So projetadas para uso em disperso, dissoluo, emulsificaode materiais slidos/lquidos/gasosos.

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Produz alto cisalhamento, bombeamento ereduo 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 pseudoplsticos ealtas viscosidades

-Ao dupla projeto paradimetro grandes

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

Impulsor contracorrenteImpulsor contracorrente

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

Objetivo: aerao de guasDe grande dimetro e ps curvaspromove aerao

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Impulsor de baixoImpulsor de baixo

cisalhamentocisalhamento(Sentinel Super Low Shear Impeller)

Projetado para materiais muito sensveisao cisalhamento

Projetado para usos que se faz necessriocerta aplicao de cisalhamento devido movimentao de fluidos requerido parasuspender slidos, dispersar gases, oumisturar lquidos que so sensveis aocisalhamento.

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Hydrofoil (LS)

Baixo cisalhamento para fluidos deviscosidade(at 2.500cp)

Mistura e suspenso de slidos.Po=0.3 -0.55

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Viscosidades medias Viscosidades medias (MHS) (MHS)

Mistura de viscosidadesintermediariasde 2.500cP at 15.000cP

Caracterizado por ps muitofinas - Po = 0.60 - 1.10

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Turbina de ps inclinadas paraTurbina de ps 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(disperso de gases e draft tube)

Caracterizado por suas placas bemfinas.

Para requerimento simultneo dedisperso de gs e suspenso deslidos

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DimensionamentoDimensionamentode um sistemade um sistema

de agitaode agitao

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

Alguns tanques so providos de serpentinasou camisas para promover a troca trmica.

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DIMENSES CARACTERSTICAS:

T = dimetro internoD = dimetro do impelidorw = largura da p do implelidorC = distncia entre o fundo e o impelidorZ = altura do lquidoB = largura das chicanas

Dreno do tanque

B

D

Z

C

T

w

Chicanas

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GEOMETRIA PADRO:

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 relaes no valempara todos os tipos deprocessos que ocorremem tanques.

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RELAES GEOMTRICAS TPICAS UTILIZADASPOR DIVERSOS IMPELIDORES

Tipo de impelidor Relaes geomtricas

Ps w = 1/5 D

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

Naval passo da curvatura = 1,5 D

D = dimetro do impelidorw = largura da pL = comprimento da p

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CARACTERSTICAS DE ALGUNS IMPELIDORES

Tipo de impelidor Faixa de Rotao Potncia Utilizao 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 suspenso de slidos

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

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VARIVEIS DE PROJETO:Propriedades do fluido: = viscosidade = densidade = tenso superficial = condutividade trmicaCp = calor especfico

N = velocidade de rotao do impelidor

P = F.U

P = potncia consumida por um misturadorF = fora de arraste do impelidorU = velocidade relativa da p do impelidor

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POTNCIA E TORQUE NA AGITAOSmbolo Item Escoamento turbulento

P potncia K1N3D5

V volume do tanque K3T3

P/V potncia por volume k4N3D2(D/T)3

Tq torque P/N = k6N2D5

Tq/V torque por volume k8 N2D2(D/T)3

Ut velocidade do impelidor piND

K = constante de proporcionalidade

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ANLISE DE PROCESSO ATRAVSDE NMEROS ADIMENSIONAIS

Existe uma srie de nmeros adimensionais associados com

sistemas de agitao.

So utilizados para se obter informaes sobre parmetros

importantes tais como o tempo de mistura, o consumo de

energia e a capacidade de bombeamento, entre outros.

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Nmero de bombeamento (NBO): relaciona a taxa debombeamento do impelidor Q (volume escoado por rea do

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

do impelidor. Portanto correlaciona a capacidade de

bombeamento de diferentes impelidores com diferentes

geometrias de tanques.

A taxa de circulao em tanques com agitao definida como ovolume de um fluido deslocado por um rotor por unidade de tempo. tambm chamada de capacidade de bombeamento.

NBO = Q/(ND3)

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Nmero de Froude (NFR): este nmero inclui as foras

gravitacionais e usado para considerar os efeitos da superfcie

livre (por exemplo, vrtice central) no nmero de potncia. Por

isso, esse nmero includo em correlaes de Re e Po em

sistemas sem chicanas.

NFR = N2D/g

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Nmero de Mistura (NB): o produto da velocidade derotao (N) e o tempo de mistura (). O tempo de mistura uma medida do tempo requerido para misturar lquidos

miscveis ao longo do volume de tanque agitado. Se o nmero

de mistura for constante, o tempo de mistura proporcional ao

inverso da velocidade de rotao do impelidor.

NB = N.

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Nmero de Potncia (NP): a potncia transferida doimpelidor para o fluido. O clculo 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 homogneo a estimativa da potncia realizada

atravs de anlise dimensional e/ou medidas experimentasi dos

torque.

NPO = P/N3D5

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Nmero de Reynolds (Re): define o regime de escoamento:laminar (10.000)

Re = D2N/

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Resumindo:

Re = Esforo de inrcia .( fora aplicada )Fora viscosa

NPO = Fora aplicada ao agitadorFora inercial

NFR = Fora inercial Fora gravitacional

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