Agitação e Mistura - UTFPR

09/03/2020

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Agitação e MisturaProfa. Marianne Ayumi Shirai

Universidade Tecnológica Federal do ParanáCampus Londrina

Departamento Acadêmico de AlimentosOperações Unitárias na Indústria de Alimentos

Agitação e Mistura

• O sucesso de muitas operações depende da efetiva agitaçãoe mistura dos fluidos;

• Agitação Mistura

• Agitação: única fase

• Mistura: duas ou mais fases ou componentes

• Exemplo: um tanque contendo água fria pode ser agitadopara trocar calor com uma serpentina, mas não pode sermisturado até que algum outro material seja adicionado aele como, por exemplo, partículas de algum sólido.

Homogênea(sal + água)

Heterogênea(óleo + água)

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• No processamento de alimentos, os líquidos são agitadospara vários propósitos• Misturar líquidos miscíveis (água + xarope de glicose);• Dispersar gás em líquidos (carbonatação);• Produzir emulsões onde os líquidos são imiscíveis

(maionese);• Misturar e dispersar sólidos em líquidos;• Misturar dois ou mais sólidos;• Acelerar as taxas de transferência de calor e massa;• Facilitar a ocorrência de reações químicas.

• A mistura não possui nenhum efeito de conservação e tema única intenção de auxiliar o processamento ou alterarcaracterísticas sensoriais dos alimentos.


• As propriedades mais importantes dos materiaisque podem influenciar a facilidade da mistura são:

• Fluidos: viscosidade, massa específica emiscibilidade;

• Sólidos: granulometria, massa específica, forma,aderência e molhabilidade.


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A agitação geralmente é efetuada emtanque cilíndrico pela ação de lâminas quegiram acopladas a um eixo que coincide como eixo vertical do tanque

Equipamento de Agitação

Tipo de fluxo

Fluxo radialFluxo axial (correntes paralelas ao eixo

do agitador)

Hélices Turbinas de pás e disco

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Vórtice

• Forma-se um redemoinho (V) e a suaformação depende ação da força centrífugasobre o líquido;

• Ocorre a formação do turbilhão em funçãodas forças que agem sobre o fluído porefeito da gravidade;

• Problemas:• Substâncias sem se misturar, sem fluxo

longitudinal de um nível a outro;

• Se houver a presença de sólidos, estespoderão ser lançados à parede e descerem,acumulando-se embaixo do agitador;

• Ao invés de se obter mistura haveráconcentração de sólidos;

• Em altas velocidades o vórtice pode ser tãogrande que o agitador fica descoberto,introduzindo ar (bolhas) no líquido.

Formas de evitar vórtice

Escoamento padrão com agitador fora do centro (tanques pequenos)

Tanque com agitador horizontal(tanque largo)

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• A formação do vórtice se resolve colocando-se chicanas (defletores)

Formas de evitar vórtice

Sem chicana

https://www.youtube.com/watch?v=6E2-y96uYR4

Tanque padrão

HL = altura de líquido no tanque

Dt = diâmetro do tanque

Da = diâmetro do impulsor

N = número de rotações

Ha = altura do agitador desde a base do tanque

Wb = largura dos defletores

Hp = altura das pásDt

HL

Ha

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• Ao contrário de líquidos e pastas viscosas, não é possívelalcançar uma mistura completamente uniforme de póssecos ou sólidos particulados;

• Durante a operação de mistura, diferenças nessaspropriedades podem causar a separação dos ingredientes;

• Materiais mais semelhantes formam misturas maisuniforme.

Mistura de sólidos

• Tamanho das partículas: homogeneidade, resistênciamecânica, comportamento reológico.

• Forma: fluidez, segregação.

• Densidade: forças gravitacionais que agem sobre a partícula.

• Coesão: Tendência à agregação.

• Conteúdo de umidade:

• sólidos constituídos por partículas de fácil escoamento:mistura a seco

• material muito úmido: mistura a úmido.

• Características de escoamento: determinam a facilidade demistura

• Eficiência do misturador

Fatores que influenciam no grau de mistura de sólidos

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Equipamentos

• A seleção do tipo e do tamanho adequado domisturador depende do tipo e da qualidade doalimento a ser misturado e da velocidade de operaçãonecessária para atingir o grau de mistura desejado commenor consumo de energia.

• São classificados em tipos adequados para:

• Pós secos ou sólidos particulados;

• Líquidos de baixa ou média viscosidade;

• Líquidos de alta viscosidade e massas viscoelásticas;

• Dispersões de pós em líquidos.

Misturadores para pós secos e sólidos particulados

• São usados para misturas de grãos e farinhas e na preparação de misturas pré-prontas (sucos em pó, mistura para bolos e sopas).

1) Misturadores rotatórios

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Movimento executado pelo misturador duplo cone


Movimento executado pelo misturador cone em V


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2) Misturadores de fita

Possuem uma ou mais lâminas finas de metal naforma de hélices que giram em direção contrária à dovaso hemisférico fechado onde se encontram.


3) Misturadores de rosca vertical

Possuem uma rosca ou um parafuso rotatório vertical dentrode um recipiente cônico que gira ao redor de um eixo centralpara misturar os conteúdos.


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Escolha do agitador para líquidos

Tip

o d

e a

git

ad

or

Viscosidade (Pa.s)

Hélice

Turbina

Âncora

Helicoidal

Pá em Z

Amassadeira

10410310210110010-110-210-3

Escolha do agitador para líquidos

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Agitadores para líquidos de baixa ou média viscosidade

HÉLICE NAVALTURBINA DE PÁS RETAS TURBINA ABERTA

TURBINA DE PÁS INCLINADAS DISCO DE COWLES

1) Agitador de âncora

• Pode ser usado em vasos de mistura com aquecimento elâminas de raspagem são acopladas à âncora para evitar queo alimento queime em contato com a superfície quente;

• Giram de 20 a 60 rpm.

Agitadores para líquidos de alta viscosidade e pastas

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2) Misturador em Z

• Consiste de duas lâminas bem resistentes montadas emuma cuba horizontal de metal;

• Elas entrecruzam-se e giram em direção a si mesmas emvelocidades similares ou diferentes (14 a 60 rpm) paraproduzir forças de cisalhamento entre as lâminas e entre aslâminas e a base da cuba;

• Tem gasto substancial de energia que é dissipada noproduto em forma de calor => cubas com paredesencamisadas.


3) Misturadores planetários

• Recebem este nome devido ao percurso realizado pelaslâminas rotatórias (40 a 370 rpm), que percorrem todas aspartes do recipiente durante a mistura;

• Pás do tipo portão, agitadores tipo gancho e batedores.


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• A potência fornecida pelo motor (P0) será função dadensidade, viscosidade do líquido, frequência rotacional doagitador e das variáveis geométricas do sistema:

𝑃𝑜 = 𝑓 𝜌, 𝜇, 𝑁, 𝐷𝑎 , 𝐷𝑡 , 𝐻𝑎 , 𝐻𝐿 , 𝑤𝐷, 𝑔

• Aplicando o método da análise dimensional, o número devariáveis pode ser reduzido aos números adimensionais depotência, de Reynolds e de Froude:

Equações

𝑅𝑒 =𝐷𝑎2𝑁𝜌

𝜇𝑚𝐹𝑟 =

𝐷𝑎𝑁2

𝑔𝑁𝑃𝑜 =

𝑃𝑜

𝜌𝑁3𝐷𝑎5

Número de Reynolds

Número de Froude

Número de Potência

Os seguintes números adimensionais geométricos sãodefinidos:

𝐷𝑡𝐷𝑎

,𝐻𝑎𝐷𝑎

,𝐻𝐿𝐷𝑎

𝑒𝑤𝑑𝐷𝑎

Portanto, o número de potência NPo será função de:

𝑁𝑃𝑜 = 𝑓 𝑅𝑒, 𝐹𝑟,𝐷𝑡𝐷𝑎

,𝐻𝑎𝐷𝑎

,𝐻𝐿𝐷𝑎

,𝑤𝑑𝐷𝑎

Fr só é importante quando um vórtice é formado em um vasosem chicanas

Equações

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• Configurações geométricas padrão:

𝐷𝑡𝐷𝑎

= 3𝐻𝑎𝐷𝑎

= 1𝐻𝐿𝐷𝑎

= 3𝑤𝑑𝐷𝑡

= 0,1

Equações

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1. Uma turbina de disco de seis lâminas retas é instalada emum tanque. O diâmetro do tanque é 1,83 m, o diâmetroda turbina é 0,61m, Dt=HL, e a largura da turbina é de0,122 m. O tanque contém quatro defletores de 0,15 mde largura cada um. A turbina é operada a 90 rpm e olíquido no tanque possui uma viscosidade de 10 cP e umadensidade de 929 kg/m3. Calcule a potência requeridapelo sistema de agitação.

Exercício

2. Em uma empresa que utiliza óleo de palma (azeite dedendê, ρ = 919 kg/m3 e µ = 8,5 x 10-2 Pa.s) como matéria-prima, é necessário agitar o material por algum tempoantes de sua utilização, uma vez que durante oarmazenamento pode haver solidificação de algumasfrações lipídicas. Para essa aplicação, recomenda-seutilizar um impulsor do tipo turbina com pás inclinadasoperando com frequência rotacional de 140 rpm. Deseja-se projetar um tanque de agitação encamisado comcapacidade para 2000 L de óleo e que deverá serconstruído de acordo com as configurações geométricaspadrão. Dimensione o tanque e determine a potência deagitação necessária. (Considere HL = Dt).

Exercício

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