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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA BAHIA IFBA - CAMPUS BARREIRAS ENGENHARIA DE ALIMENTOS
Agitação e mistura
Operações Unitárias I
Prof.: Davi Fogaça
CONCEITOS
2
Agitação: refere-se ao movimento induzido de um material em
forma determinada, geralmente circulatório, dentro de um
recipiente. Pode-se agitar uma só substância homogênea.
Mistura: movimento aleatório de duas ou mais fases inicialmente
separadas. Operação unitária empregada na indústria química,
bioquímica, farmacêutica, petroquímica e alimentícia. Pode ser do
tipo:
Homogênea: gás-gás; líquido-líquido (miscível);
Heterogênea: sólido-líquido (farinha+manteiga+leite).
Agitação ≠ Mistura
OBJETIVOS
3
Misturar líquidos miscíveis (água+xarope de glicose);
Dispersar gás em líquidos (carbonatação, aeração);
Produzir emulsões onde os líquidos são imiscíveis (maionese);
Misturar e dispersar sólidos em líquidos;
Misturar dois ou mais sólidos;
Auxiliar na transferência de calor e massa;
Acelerar reações químicas;
Modificar as propriedades (textura) de um alimento.
OBJETIVOS
4
A mistura não possui nenhum efeito de conservação e tem a única
intenção de auxiliar o processamento ou alterar características
sensoriais do alimentos.
AGITAÇÃO E MISTURA
5
As propriedades mais importantes dos materiais que podem
influenciar a facilidade da mistura são:
Fluidos: viscosidade, massa específica, relação entre as
massas específicas e miscibilidade;
Sólidos: granulometria, massa específica, relação entre as
massas específicas, forma, aderência e molhabilidade.
EQUIPAMENTO DE AGITAÇÃO
6
A agitação geralmente é
efetuada num tanque
cilíndrico pela ação de lâminas
que giram acopladas a um eixo
que coincide com o eixo
vertical do tanque.
TIPO DE FLUXO
7
Longitudinal: paralela ao eixo do agitador;
Rotacional: tangencial ao eixo do agitador;
Radial: perpendicular ao eixo do agitador.
Longitudinal Rotacional Radial
VÓRTICE
8
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).
FORMAS DE EVITAR VÓRTICE
9
FORMAS DE EVITAR VÓRTICE
10
Colocação de chicanas ou defletores:
AGITADORES COM CHICANAS
11
MISTURA DE SÓLIDOS
12
Ao contrário de líquidos e pastas viscosas, não é possível alcançar
uma mistura completamente uniforme de pós secos ou sólidos
particulados;
O grau de mistura alcançado depende:
Do tamanho, da forma e da densidade de cada
componente;
Do teor de umidade, das características superficiais e do
fluxo de cada componente;
Da tendência do material a aglomerar;
Da eficiência de um misturador específica para esses
componentes.
MISTURA DE SÓLIDOS
13
Fatores que influenciam no grau de mistura de sólidos:
Tamanho das partículas: homogeneidade, resistência
mecânica, 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
EQUIPAMENTOS
14
A seleção do tipo e do tamanho adequado do misturador
depende:
do tipo e da qualidade do alimento a ser misturado;
da velocidade de operação necessária para atingir o grau de
mistura desejado com menor consumo de energia.
EQUIPAMENTOS
15
São classificados em tipo 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
16
São usados para misturas de grãos e farinhas e na preparação de
misturas pré-prontas (sucos em pó, mistura para bolos e
sopas).classificados em tipo adequados para:
Misturadores rotatórios
MISTURADORES PARA PÓS SECOS E SÓLIDOS PARTICULADOS
17
MISTURADORES PARA PÓS SECOS E SÓLIDOS PARTICULADOS
18
MISTURADORES PARA PÓS SECOS E SÓLIDOS PARTICULADOS
19
Misturadores de fita
Possuem uma ou mais lâminas finas de metal na forma de hélices
que giram em direção contrária à do vaso hemisfério fechado onde se
encontram.
MISTURADORES PARA PÓS SECOS E SÓLIDOS PARTICULADOS
20
Misturadores de rosca vertical
Possuem uma rosca ou um parafuso rotatório vertical dentro de
um recipiente cônico que gira ao redor de um eixo central para
misturar os conteúdos.
AGITADORES PARA LÍQUIDOS
21
ESCOLHA DO AGITADOR
22
MISTURADORES PARA LÍQUIDOS DE BAIXA OU MÉDIA VISCOSIDADE
23
Agitador de pás
Consiste de lâminas chatas e largas, que medem cerca de 50 a 75%
do diâmetro do tanque e giram de 20 a 150 rpm;
Velocidade de agitação baixa, não há a necessidade de utilizar
chicanas;
Fluxo radial.
MISTURADORES PARA LÍQUIDOS DE BAIXA OU MÉDIA VISCOSIDADE
24
Agitador tipo turbina
As lâminas podem ser: retas, curvadas, inclinadas ou verticais;
Amplo intervalo de viscosidade;
Altas forças de cisalhamento são desenvolvidas (escoamento
turbulento);
Produzem fluxos radiais e verticais;
MISTURADORES PARA LÍQUIDOS DE BAIXA OU MÉDIA VISCOSIDADE
25
Agitador tipo turbina
MISTURADORES PARA LÍQUIDOS DE BAIXA OU MÉDIA VISCOSIDADE
26
Disco de Cowles
1750 – 3500 rpm
Líquidos de baixa viscosidade
Dispersão e dissolução de sólidos
Fluxo axial e radial
Dispersão de micelas
MISTURADORES PARA LÍQUIDOS DE BAIXA OU MÉDIA VISCOSIDADE
27
Agitador de hélice
Operam de 400 a 1500 rpm e são utilizados para misturar líquidos
miscíveis, diluir soluções concentradas, dissolver sólidos e aumentar
a taxa de transferência de calor;
Possui de 1 a 4 hélices;
Fluxo axial e radial;
VANTAGENS E LIMITAÇÕES DE ALGUNS MISTURADORES DE LÍQUIDOS
28
Tipo de misturador Vantagens Limitações
Agitador de pás Bom fluxo radial e rotacional, barato
Fluxo perpendicular fraco, alto risco de formação de vórtice e velocidade mais alta
Agitador de múltiplas pás Fluxo bom nas três direções
Mais caro, maior necessidade de energia
Agitador de hélices Fluxo bom nas três direções
Mais caro do que o agitador de pás
Agitador de turbinas Mistura muito boa Caro e com risco de entupimento
MISTURADORES PARA LÍQUIDOS DE ALTA VISCOSIDADE E PASTAS
29
Agitador de âncora
Pode ser usado em vasos de mistura com aquecimento e lâminas
de raspagem. São acopladas à âncora para evitar que o alimento
queime em contato com a superfície quente;
Giram de 20 a 60 rpm;
Fluxo radial.
MISTURADORES PARA LÍQUIDOS DE ALTA VISCOSIDADE E PASTAS
30
Misturador em Z ou Sigma
Consiste de duas lâminas bem resistentes montadas em uma cuba
horizontal de metal;
Elas entrecruzam-se e giram em direção a si mesmas em
velocidades similares ou diferentes (14 a 60 rpm) para produzir forças
de cisalhamento entre as lâminas e entre as lâminas e a base da
cuba;
Apresentam gasto substancial de energia que é dissipada no
produto em forma de calor.
MISTURADORES PARA LÍQUIDOS DE ALTA VISCOSIDADE E PASTAS
31
Misturador em Z ou Sigma
MISTURADORES PARA LÍQUIDOS DE ALTA VISCOSIDADE E PASTAS
32
Misturadores planetários
Recebem este nome devido ao percurso realizado pelas lâminas
rotatórias (40 a 370 rpm), que percorrem todas as partes do
recipiente durante a mistura;
Pás do tipo portão, agitadores tipo gancho e batedores.
DIMENSIONAMENTO DE UM AGITADOR
33
Dimensões típicas
4 chicanas;
W/Da = 1/8;
Distância entre as chicanas
e as paredes: 0,10 a 0,15 J;
J/Dt = 1/10 a 1/12;
DIMENSIONAMENTO DE UM AGITADOR
34
Proporções geométricas para um sistema de agitação “padrão”
POTÊNCIA CONSUMIDA EM UM AGITADOR
35
N’Re: Número de Reynolds do agitador;
Da: diâmetro do agitador;
N: velocidade de rotação em rev/s;
ρ: massa específica do fluido em kg/m³;
µ: viscosidade do fluido em kg/m.s.
NDN
a²'Re
POTÊNCIA CONSUMIDA EM UM AGITADOR
36
Fluxo laminar: N’Re < 10;
Fluxo em transição: 10 < N’Re < 10000;
Fluxo turbulento: N’Re >10000.
NDN
a²'Re
POTÊNCIA CONSUMIDA EM UM AGITADOR
37
NP: Número de potência;
P: potência em J/s ou W;
N: velocidade de rotação em rev/s;
Da: diâmetro do agitador;
ρ: massa específica do fluido em kg/m³;
5³ a
P
DN
PN
POTÊNCIA CONSUMIDA EM UM AGITADOR
38
POTÊNCIA CONSUMIDA EM UM AGITADOR
39
Curva 1. Turbina de seis lâminas planas; Da/W = 5; com quatro defletores
cada um com Dt/J = 12;
Curva 2. Turbina aberta com seis lâminas planas; Da/W = 8; com quatro
defletores cada um com Dt/J = 12;
Curva 3. Turbina aberta com seis lâminas a 45”; Da/W = 8; com quatro
defletores cada um com Dt/J = 12;
Curva 4. Propulsor; inclinação 2Da, com quatro defletores com Dt/J = 10;
também é válida para o mesmo propulsor em posição angular deslocada do
centro sem defletores;
Curva 5. Propulsor; inclinação = Da, com quatro defletores com Dt/J = 10;
também é válida para o mesmo propulsor em posição angular deslocada do
centro sem defletores;
POTÊNCIA CONSUMIDA EM UM AGITADOR
40
Exemplo 3.4-1 (Geankoplis) Em um tanque agitador com 6
lâminas do tipo plana, com diâmetro do tanque Dt, 1,83 m e o
diâmetro do agitador Da, 0,61 m, Dt = H e largura W = 0,122 m. O
tanque possui quatro deflectores (chicanas), todos com uma largura
J = 0,15 m. A turbina opera a 90 rpm e o líquido no tanque tem uma
viscosidade de 10 cp e densidade de 929 kg / m³.
a) Calcule os kW’s requeridos para o agitador;
b) Para as mesmas condições, exceto a viscosidade do fluido, agora
com 100000 cp, calcule os kW’s requeridos.
POTÊNCIA CONSUMIDA EM UM AGITADOR
41
Relações para geometrias fora do padrão:
Número de Potência (Np) para agitador simples tipo âncora
sem barras horizontais e N’Re <100:
Com Da/Dt =0,9; W/Dt =0,1 e C/Dt = 0,05.
955,0
Re )'(215 NNP
POTÊNCIA CONSUMIDA EM UM AGITADOR
42
Relações para geometrias fora do padrão:
Número de Potência (Np) para agitador de banda helicoidal
para líquidos muito viscosos e N’Re <20:
1
Re )'(186 NNP
1
Re )'(290 NNP
Com Da/Dt = 1,0
Com Da/Dt = 0,5
AUMENTO DE ESCALA DE AGITADORES
43
Razão de aumento de escala R:
Para um tanque cilíndrico padrão com DT1=H1, temos:
4)(
4
3
11
2
11
TT DH
DV
3
1
3
2
3
1
3
2
1
2
4/
4/
T
T
T
T
D
D
D
D
V
V
1
2
3/1
1
2
T
T
D
D
V
VR
AUMENTO DE ESCALA DE AGITADORES
44
Razão de aumento de escala R:
Com o valor de R se obtém todas as outras dimensões:
12 aa RDD 12 RJJ
12 RLL 12 RII 12 RCC
12 dd RDD
AUMENTO DE ESCALA DE AGITADORES
45
Razão de aumento de escala R:
O aumento de velocidade (N) obedece à:
Com n = 1 para movimento de líquidos, n = 3/4 para pastas e n
= 2/3 para taxas iguais de transferência de massa.
2
1112
1
T
T
n
D
DN
RNN
POTÊNCIA CONSUMIDA EM UM AGITADOR
46
Exemplo 3.4-3 (Geankoplis) Um sistema de agitação possui
turbina de lâmina plana com seis lâminas e um disco. As condições e
os tamanhos são DT1 = 1,83 m, Da1, = 0,61 m, W1 = 0,122 m, J1 = 0,15
m, N1 = 90/60 = 1,50 rev/s, ρ = 929 kg/m³ e µ = 0,01 Pa.s. Se deseja
aumentar a escala dos resultados para um recipiente cujo volume é
3 vezes maior. Faça isso para os seguintes objetivos do processo.
a) Quando se deseja igual quantidade de transferência de massa.
b) Quando se necessita do mesmo movimento de fluido.
TEMPO DE MISTURA PARA LÍQUIDOS MISCÍVEIS
47
Fator adimensional de mistura ft:
Onde: tT é o tempo de mistura em segundos;
Para N’Re>1000, ft é aproximadamente constante, então tTN2/3 é
constante.
2/32/1
2/16/13/22 )(
t
aaTt
DH
DgNDtf
TEMPO DE MISTURA PARA LÍQUIDOS MISCÍVEIS
48
Aumento de escala do tempo de mistura ft
18/11
2
2
1
2
a
a
T
T
D
D
t
t4/11
2
2
11
22
)/(
)/(
a
a
D
D
VP
VP
TEMPO DE MISTURA PARA LÍQUIDOS MISCÍVEIS
49
Aumento de escala do tempo de mistura ft