AGITAÇÃO E MISTURA

AULA – 09

2012

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

velocidade de fluxo

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

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.

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

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.

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

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.

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

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.

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.

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.

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.

Modelo de agitação com turbina de pás inclinadas

Tanque com agitador horizontal (McCabe, 1985).

Padrão de escoamento com uma turbina de escoamento radial em um vaso sem chicanas (McCabe, 2001).

Escoamento padrão com o agitador fora do centro (McCabe, 2001).

Em tanques pequenos, o agitador pode ficar descentralizado e/ou inclinado

Tanque com agitador horizontal (McCabe, 1985).

Em tanques largos, o agitador pode ser colocado na lateralhorizontalmente.

Escoamento padrão em um tanque com chicanas com um agitador

montado no centro (McCabe, 1985)

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.

A ancora é o mais econômico dos impulsores de pás, trabalhando em regime laminar e com fluidos muito viscosos.

Detalhe do fluxo tangencial

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.

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.

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.

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.

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.

Tambor Rotativo

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.

MISTURADOR DE IMPACTO

MISTURADOR DE IMPACTO

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.

Misturadores em V

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.

Misturador de Duplo Cone

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.

Misturadorcom agitador helicoidal

MISTURADOR DE FITA E DE ROSCA HELICOIDAL

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

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.

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.

DIFUSÃO (revolvimento,tombamento)

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

MISTURADORES CONVECTIVOS

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.

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:

S = desvio padrão

= somatória de n termosxi = valor individual da amostrax = valor médio aritméticon = número de vezes da repetição

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

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 %

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.