Agitação e mistura_2

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Agitação e mistura_2

  1. 1. AGITAÇÃO E MISTURA AULA – 09 2012
  2. 2. IntroduçãoAgitação e MisturaMuitas operações dependem da agitação e mistura defluidos,que são ações complementares. O agente daoperação é denominado agitador, embora nem semprehaja um dispositivo mecânico instalado especificamentepara essa finalidade. Agitação e mistura são operaçõesusadas durante os processos industriais; seja namineração, indústrias alimentícias, químicasfarmacêuticas, de papel e tratamento de água e esgoto. Normalmente estas operações são realizadas emtanques providos de agitadores mecânicos.
  3. 3. A operação é caracterizada qualitativamente por três palavras:1.Homogeneização: movimentação branda que visa uniformizarlíquidos miscíveis para se conseguir uniformidade no sistema;2.Mistura: operação mecânica que aumenta a homogeneidade dofluido, que podem ser miscíveis ou não, através da eliminação dogradiente de concentração, temperatura e outras propriedades. Namistura de fluidos, as propriedades que vão influenciar serão aviscosidade, massa específica e miscibilidade. Já nos sólidos, aspropriedades são: tamanho, massa específica do sólido, formato erugosidade.Tendo um regime turbulento;3.Agitação: É uma operação mais completa que as anteriores. Refere-se à movimentação intensa induzida de um material em formadeterminada, por meio de impulsores giratórios, dentro de umrecipiente (Ex: tanques).
  4. 4. AGITAÇÃO A agitação refere-se ao movimentoinduzido em um fluido por meios mecânicosem um recipiente. O fluido pode circular norecipiente ou apresentar outro padrão defluxo. Pode-se agitar uma única substânciahomogênea.
  5. 5. MISTURAA mistura está normalmente relacionada aduas ou mais fases inicialmente separadasque são aleatoriamente distribuídas dentroou através uma da outra.A mistura de fluidos em vasos agitados éuma das mais importantes operaçõesunitárias para diversas indústrias.
  6. 6. DIFERENÇAS ENTRE AGITAÇÃO E MISTURAEntende-se que os processos de agitaçãodiferem dos processos de mistura, porquena agitação considera-se uma única fase enos processos de mistura considera-se queos componentes se apresentam em duas oumais fases.
  7. 7. Classificação das misturas-Homogênea: gás-gás, líquido-líquido (miscível);-Heterogênea: sólido-líquido. A agitação dos fluidos não implica necessariamente numadistribuição homogênea dos fluidos ou partículas, isto é, comagitação, a mistura pode não ser conseguida.
  8. 8. Propriedades que influem nas misturasAs propriedades mais importantes dos materiais, quepodem influenciar na facilidade da mistura para fluidos esólidos são:Fluidos: viscosidade, massa específica, relaçãoentre as massas específicas e miscibilidade;Sólidos: finura, massa específica, relação entre asmassas específicas, forma, aderência emolhabilidade.
  9. 9. Tipos de agitadoresOs três principais tipos de agitadores paralíquidos de viscosidade baixa a moderada são:Propulsores, Pás e Turbinas.Para líquidos muito viscosos, os mais usados são:Propulsores tipo hélice e os agitadoresâncora.
  10. 10. Agitação de Líquidos:Os líquidos são agitados com vários propósitos, dentre osprincipais têm-se:- suspensão de partículas sólidas;- mistura de líquidos miscíveis (água e álcool metílico);- dispersão de um gás através de um líquido na forma depequenas bolhas;- dispersão de um líquido em um outro imiscível, para aformação de emulsão ou suspensão de gotículas muitofinas;- transferência de calor entre líquido e superfície aquecida,tal como serpentina, camisa de aquecimento, etc.
  11. 11. Características:- Tanques cilíndricos verticais, abertos ou fechadospara o ar;- Base do tanque arredondada, para evitar regiõesmortas ou cantos;- Altura do líquido = diâmetro do tanque;- Agitador na parte superior;- Caixa de engrenagem para redução de velocidade(nem sempre necessária).
  12. 12. Agitadores:São divididos em duas classes: fluxo axial e fluxoradial.-Fluxo axial: correntes paralelas ao eixo do agitador; são aquelescujas pás fazem um ângulo menor que 90º com o plano de rotaçãodo impulsor. Ex: hélices, turbinas de pás inclinadas.- Fluxo radial: correntes tangenciais ou na direção perpendicular aoeixo do agitador. Tem suas pás paralelas ao eixo de rotação. Estefluxo é perpendicular a parede do tanque. Ex: turbina, pás, âncora,grade.
  13. 13. velocidade de fluxo
  14. 14. Equipamento de Agitação:Os líquidos são agitadosem tanques ou vasos,geralmente cilíndricos ecom um eixo vertical. Asproporções do tanquevariam muito,dependendo da naturezada agitação. Vaso típico de um processo de agitação
  15. 15. sO dispositivo convencional é mecânico destinadoa movimentar o fluido pela ação de um rotor. Orotor consiste em geral de certo número delâminas presas com certa inclinação a um cuboacionado pelo eixo. O escoamento provocadopelo rotor pode ser axial, mais comum comlâminas inclinadas a 45º, ou radial, que é o rotorde lâminas planas.
  16. 16. 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
  17. 17. Existem modelos com sistemas impulsores paraprodução de fluxo predominantemente radial ouaxial, tais como:- Impulsores de pás retas com inclinação de 45º-Impulsores navais-Impulsores de alta eficiência com pás em ângulovariável próximo de pás constante-Impulsores de pás planas-- Impulsores de pás curvas, etc.
  18. 18. IMPULSORES DE FLUXO AXIAL São utilizados quando se deseja induzir fluxosde cima para baixo com objetivo de: - misturar líquidos - realizar suspensão de sólidoslor - incorporar pó seco em líquido - promover transferência de calor
  19. 19. IMPULSORES DE FLUXO AXIAL No modelo de fluxo induzido, podemosobservar que o componente de velocidade axialpredominante direciona o fluxo para o fundo dotanque. Os defletores por sua vez além de eliminar osredemoinhos, atuam no redirecionamento do fluido,forçando-o para cima, criando certa forma umaeficiente recirculação do produto. Esta interação entre os fluxos ascendente edescendente, inerente na ação do movimento éusado para misturar o fluido.
  20. 20. IMPULSOR DE FLUXO RADIAL Os impulsores deste tipo induzem perfis develocidade predominantemente radiais e sãoutilizados quando se deseja:- misturar líquidos imiscíveis- obter troca de calor- dispersar gás nos líquidos
  21. 21. IMPULSOR DE FLUXO RADIAL No modelo do fluxo induzido podemos observar que ofluxo está mais ou menos confinado nas proximidades doimpulsor tanto acima como abaixo do mesmo. O fluxo, quepróximo ao eixo é axial, toma gradualmente um perfilpredominantemente radial, até atingir as paredes dotanque, onde é redirecionado tanto para cima como parabaixo. A alta ação de cizalhamento do fluxo, resultante damudança de fluxo axial para radial é exatamente aquelanecessária para produzir os efeitos de transferência demassa.
  22. 22. Tipo de agitaçãoAGITAÇÃO LEVE: Caracteriza-se nas aplicações onde serequer o mínimo de velocidade do fluido, permitindo osseguintes resultados: - promover completa mistura do fluido de maneirasuave formando uma superfície plana porém commovimento. - misturar fluídos miscíveis até homogeneidade, se adiferença de suas densidades for menor que 0,1 - misturar fluídos miscíveis até uniformidade, sendo aviscosidade de um, menor de 100 vezes a viscosidade dooutro. - manter a temperatura da mistura uniforme.
  23. 23. Tipo de agitaçãoAGITAÇÃO MÉDIA: A agitação média é a mais comumnos processos industriais: - misturar fluídos miscíveis até uniformidade,sendo a diferença de suas densidades menor que 0,6 - misturar fluídos com grande diferença deviscosidade menor que 10.000 vezes. - auxiliar no aquecimento ou resfriamento demisturas.
  24. 24. Tipo de agitaçãoAGITAÇÃO FORTE: A agitação forte é caracterizada porrequerer alta velocidade do fluído. - produz superfícies turbulentas em fluídos debaixa viscosidade. - é utilizada quando o tempo de mistura é críticoou quando as diferenças de viscosidade são grandes(menor que 100.000 vezes). - misturar fluídos até a uniformidade quando adiferença de densidade é menor que 1,0.
  25. 25. Modelo de agitação com turbina de pás inclinadas
  26. 26. Tanque com agitador horizontal (McCabe, 1985).Padrão de escoamento com uma turbina de escoamentoradial em um vaso sem chicanas (McCabe, 2001).
  27. 27. Escoamento padrão com o agitador fora do centro (McCabe, 2001). Em tanques pequenos, o agitador pode ficar descentralizado e/ou inclinado
  28. 28. Tanque com agitador horizontal (McCabe, 1985). Em tanques largos, o agitador pode ser colocado na lateral horizontalmente .
  29. 29. Escoamento padrão em um tanque com chicanas com um agitador montado no centro (McCabe, 1985)
  30. 30. Tanque com chicanas e “draft” tubos: (a) turbina, (b) propulsor (McCabe, 2001)Estes equipamentos são úteis quando se deseja grandecisalhamento no agitador, como no caso da fabricação decertas emulsões, ou quando partículas sólidas tendem aflutuar na superfície do líquido.
  31. 31. A ancora é o mais econômico dos impulsores de pás,trabalhando em regime laminar e com fluidos muito viscosos.
  32. 32. Detalhe do fluxo tangencial
  33. 33. MISTURA DE SÓLIDOS A mistura de sólidos é uma operação difícil derealizar. Gases e líquidos misturam-seespontaneamente por difusão, porém a mistura desólidos, além de consumir muita energia, requer amoagem prévia das partículas até uma granulometriabastante fina. É uma operação industrial muitofrequente na indústria farmacêutica, compostos deplásticos e a produção de fertilizantes mistos e deprodutos agropecuários em pó.
  34. 34. 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.
  35. 35. TIPOS DE OPERAÇÃO Quando os sólidos a serem misturados sãoconstituídos de partículas de fácil escoamento, aoperação de mistura pode ser realizada a seco.Nesse caso um alto grau de mistura é conseguidosem muita dificuldade. Se a umidade do material a ser misturado forelevada é preferível operar usando via úmida.Os equipamentos nessas operações são diferentes.No entanto, nossa atenção estará focalizadaprincipalmente na mistura de sólidos granularessecos.
  36. 36. EQUIPAMENTO UTILIZADO Há uma variedade de modelos em uso. Algunsequipamentos já apresentados como, otransportador helicoidal e os moinhos de bolasprestam-se muito bem para a finalidade. Outrosdispositivos serão considerados a seguir. Algunsoperam em batelada, enquanto outros são contínuos. O tipo mais simples de misturador de batelada é otambor rotativo com chicanas radiais. A carga é feitaaté a metade da capacidade do tambor e a operaçãodura geralmente de 5 a 20 minutos. O conteúdo édescarregado por uma abertura lateral diretamentesobre um transportador.
  37. 37. EQUIPAMENTO UTILIZADO Deve-se levar em conta a rotação do tambor quegeralmente é 50 a 60% da rotação crítica. O consumode energia é inferior ao dos misturadores helicoidaisde fita de aço. O acionamento é feito por meio deengrenagens ou correias cujo número depende dotamanho do tambor, da carga, e diâmetro das polias.Usam-se geralmente 2, 5, ou 8 correias. Um tipo especial de tambor rotativo é a conhecidabetoneira utilizada no preparo de concreto. A carga edescarga é feita pela boca do tambor, que muitasvezes é basculante e tem a forma de pera.
  38. 38. Tambor Rotativo
  39. 39. Misturadores de impacto São utilizados para sólidos finos, como os inseticidas ealguns produtos farmacêuticos. Os ingredientes bemsecos são alimentados continuamente no centro de umdisco 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 modeloscom discos verticais. A mistura é realizada durante oimpacto das partículas contra as paredes do misturados(carcaças). Misturadores deste tipo podem ser usados emsérie afim de melhorar a uniformização. A capacidadevaria entre 1 e 25 t/h para materiais de fácil escoamento.
  40. 40. MISTURADOR DE IMPACTO
  41. 41. MISTURADOR DE IMPACTO
  42. 42. Misturadores em V Constituem um tipo bastante comum na indústria.Dois cilindros curtos, unidos pela base de modo aformar um ângulo próximo a 90º, giram em torno deum eixo horizontal. Os cilindros podem ser decomprimento diferente. Estes misturadores funcionamem 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 misturadorem zig-zag e que, se for ligeiramente inclinado, permiterealizar operação contínua.
  43. 43. Misturadores em V
  44. 44. Misturador de Duplo ConeÉ constituído de dois cones unidos pela basemaior e que giram em torno de um eixo no planoda base.A carga e a descarga são feitas pelos vértices. Hámisturadores de duplo cone com agitadoresinternos adicionais e que permitem realizar amistura em poucos minutos.
  45. 45. Misturador de Duplo Cone
  46. 46. Misturadores HelicoidaisSão misturadores com as características deterem helicóides feitas com chapas metálicasonduladas ou com fitas de aço afastadas doeixo.São misturadores de operação contínua.
  47. 47. Misturadorcom agitador helicoidal
  48. 48. MISTURADOR DE FITA E DE ROSCA HELICOIDAL
  49. 49. Forças que atuam no processo e Mecanismos de misturaAs forças que atuam no processo de misturapodem ser:– inerciais e de aceleração ou– gravitacionaisMecanismos de mistura:– Convecção– Difusão– Mistura pneumática– Impacto
  50. 50. MECANISMOS DE MISTURADIFUSÃO (revolvimento,tombamento):• Neste processo as partículas são reorientadas uma emrelação às outras quando são colocadas em movimentoaleatório havendo uma modificação de suas posiçõesrelativas devido à modificação da posição deconjuntos de partículas• Neste processo, também denominado deCISALHAMENTO, há criação de planos de deslizamentodentro da massa como resultado da mistura de grupos departículas.
  51. 51. MECANISMOS DE MISTURA• Planos de escorregamento são formados noseio do sólido granulado durante a mistura,provocando o deslocamento relativo de porçõesgrandes do material.• Exemplos de misturadores que operam comeste principio são :misturadores em V, cones duplos, misturadoresem cubo, misturadores de tambores.
  52. 52. DIFUSÃO (revolvimento, tombamento)
  53. 53. Mecanismos de misturaCONVECÇÃO 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
  54. 54. MISTURADORES CONVECTIVOS
  55. 55. CONTROLE DA OPERAÇÃO Os sólidos particulados nunca atingem um estadode perfeita uniformidade ao serem misturados.O melhor que se consegue é um estado de desordemglobal média, isto é, um estado de dispersão daspartículas que não prevalece à medida que a porçãoexaminada vai ficando menor. Os métodos estatísticos constituem a ferramentaideal para se proceder à avaliação do resultado dasoperações de misturas de sólidos. Esta avaliaçãoconsiste basicamente em obter o valor da composiçãomais provável da batelada em cada instante.
  56. 56. CONTROLE DA OPERAÇÃO O procedimento é realizado após um determinadotempo de mistura de dois sólidos A e B, dez amostras sãoretiradas e analisadas. De posse dos resultados calcula-seo 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 superiore inferior de erros sobre a média aritmética dosresultados obtidos. Matematicamente, o desvio padrão édefinido pela fórmula:
  57. 57. S = desvio padrão = somatória de n termosxi = valor individual da amostrax = valor médio aritméticon = número de vezes da repetição
  58. 58. 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
  59. 59. S = (Desvio Padrão) Indica que, baseado na média aritmética (x) dos valoresobtidos 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 %
  60. 60. O desvio padrão depende de:(1) - Método analítico(2) - Concentração da amostra(3) - Tipo de amostra(4) - Número de determinação(5) - Número de analistas envolvidoO desvio padrão diminui a medida que auniformidade de mistura aumenta.

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