Agitação e Mistura - Apostilas - Engenharia_Parte1, Notas de estudo de Engenharia Química. Universidade Estadual do Norte Fluminense (UENF)
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GloboTV7 de Março de 2013

Agitação e Mistura - Apostilas - Engenharia_Parte1, Notas de estudo de Engenharia Química. Universidade Estadual do Norte Fluminense (UENF)

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Apostilas de Engenharia Química e de Alimentos sobre o estudo da Agitação e Mistura, mistura de líquidos tipos e princípios, agitação de líquidos, equipamento de agitação.
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Microsoft Word - Agitacao e Mistura de Liquidos.doc

1

UFSC – Universidade Federal de Santa Catariana

Depto De Eng. Química e de Eng. De Alimentos

EQA 5313 – Turma 645 – Op. Unit. de Quantidade de Movimento

AGITAÇÃO E MISTURA 1 – Mistura de Líquidos – tipos e princípios Na indústria de processamento de alimentos, muitas operações dependem da agitação e mistura de fluidos. Usualmente 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. A mistura está normalmente relacionada a duas ou mais fases inicialmente separadas que são aleatoriamente distribuídas dentro ou através uma da outra.

Para ilustrar esta diferença temos como exemplo, um tanque contendo água fria que pode ser agitado para trocar calor com uma serpentina, mas não pode ser misturado até que algum outro material seja adicionado a ele como, por exemplo, partículas de algum sólido. Desta forma, entende-se que os processos de agitação diferem dos processos de mistura, uma vez que ao tratarmos de agitação iremos considerar uma única fase e nos processos de mistura consideraremos que os componentes se apresentam em duas ou mais fases. Nestes processos a mistura resultante podem ainda ser classificada como:

- 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.

As propriedades mais importantes dos materiais, que podem influenciar a facilidade da mistura para fluidos e sólidos são indicadas a seguir.

Fluidos: viscosidade, massa específica, relação entre as massas específicas e miscibilidade;

Sólidos: finura, massa específica, relação entre as massas específicas, forma, aderência e molhabilidade. 2 - 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;

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- 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.

3 -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.

Figura 1 – Vaso típico de um processo de agitação (McCabe, 2001)

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).

Acessórios: - Local para termômetro; - Entrada/saída; - Serpentina ou camisa de aquecimento ou resfriamento; - Agitadores fazem o líquido circular através do vaso; - Chicanas são usadas para reduzir o movimento tangencial.

Agitadores:

São dividido em duas classes: fluxo axial e fluxo radial. - Fluxo axial: correntes paralelas ao eixo do agitador; - Fluxo radial: correntes tangenciais ou na direção perpendicular ao eixo do agitador.

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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 os propulsores tipo hélice e os agitadores âncora.

Figura 2 – Propulsores para líquidos. (McCabe, 1985)

(a) Propulsor marinho de três pás, (b) turbina de pá fina aberta, (c) turbina de disco, (d) turbina vertical de pás curvas

Agitadores tipo Propulsores (Figura 2-a):

- Empregado quando se deseja correntes verticais intensas. Ex: manter sólidos em suspensão; - Fluxo axial; - Agitadores de alta velocidade para líquidos de baixa viscosidade; - Pequenos: 1150 ou 1750 rpm; - Grandes: 400 a 800 rpm. - Este tipo de agitador cisalha o líquido vigorosamente. - O movimento rotatório dá ao fluido um movimento helicoidal, uma

rotação completa move o fluido longitudinalmente a uma distância fixa, dependendo do ângulo das lâminas do propulsor. A razão entre esta distância e o diâmetro do propulsor é chamada passo do agitador.

- Passo quadrado: razão igual a 1. - O agitador mais comum é o propulsor de 6 lâminas e passo quadrado,

mas ainda existe o de quatro lâminas e outros casos especiais; - Diâmetro do propulsor ≤ 18 in, independente do tamanho do tanque; - Tanques mais profundos podem utilizar dois ou mais propulsores.

Agitadores tipo Pás:- Podem ser de 2 ou 4 lâminas; - As lâminas mais comuns são as verticais, mas também podem ser

inclinadas; - Fluxo radial interno próximo as pás, praticamente não gera fluxos

verticais; - Não são utilizados para manter sólidos em suspensão; - Agitação em tanques profundos requer vários conjuntos de pás; - Velocidade: 20 a 150 rpm; - Comprimento das pás: 50 a 80% do diâmetro do tanque; - Largura das pás: 1/6 a 1/10 do comprimento; - Se a velocidade de agitação for baixa não há a necessidade de utilizar

chicanas, caso contrário, o uso de chicanas é recomendado, senão existirá somente o movimento circular do líquido.

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Agitadores tipo Turbinas (Figura 2-b,c,d):

- Parecem algumas vezes agitadores de pás com lâminas curtas; - As lâminas podem ser: retas, curvadas, inclinadas ou verticais; - São eficazes para amplo intervalo de viscosidade; - Velocidades elevadas; - Produzem fluxos radiais e verticais; - Bons para mistura de líquidos com aproximadamente a mesma

densidade relativa. - Impulsionam o fluido radialmente contra as paredes e ali a corrente se

divide em duas, uma para baixo e outra para cima, e ambas retornam para o centro

Tipo de fluxo em tanques agitados: A maneira como um líquido se move dentro de um vaso depende de muitas coisas, como:

- Tipo de lâmina, agitador;- Características do fluido;- Tamanho e proporções do tanque, placas defletoras (chicanas) e

agitadores.

• A velocidade do fluidotem três componentes: - radial (correntes perpendiculares ao eixo do agitador), - axial ou longitudinal (correntes paralelas ao eixo do agitador) - tangencial ou rotacional (correntes tangentes ao eixo do agitador;

responsável pela formação do vórtice. Deve ser evitada).

• Quando o agitador está disposto no centro a componente tangencial é prejudicial à mistura. O fluxo tangencial segue uma trajetória circular ao redor do eixo e cria vórtices no tanque de agitação.

Figura 3 – Padrão de escoamento com uma turbina de escoamento radial em um

vaso sem chicanas (McCabe, 2001). E isso gera alguns problemas, tais como:

- Estratificação permanente em vários níveis. Substâncias sem se misturar, sem fluxo longitudinal de um nível a outro;

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

- Ao invés de se obter mistura haverá concentração de sólidos;

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- Em altas velocidades o vórtice pode ser tão grande que o agitador fica descoberto, introduzindo ar (bolhas) no líquido;

- Oscilação de massa flutuante.

Formas de evitar vórtices em tanques agitados:- Em tanques pequenos, o agitador pode ficar descentralizado e/ou

inclinado

Figura 4 – Escoamento padrão com o agitador fora do centro (McCabe, 2001).

- Em tanques largos, o agitador pode ser colocado na lateral

horizontalmente.

Figura 5 – Tanque com agitador horizontal (McCabe, 1985).

- Se não houver, colocar defletores (chicanas) que impede o

escoamento rotacional, sem prejudicar o escoamento radial ou longitudinal.

1 a 3 defletores – tanques pequenos; 4 defletores – tanques grandes.

Figura 6 – Escoamento padrão em um tanque com chicanas com um agitador

montado no centro (McCabe, 1985)

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- Quando há a necessidade de melhorar o fluxo vertical e, quando a direção e a velocidade do escoamento para a sucção do propulsor precisam ser controlados, são usados “draft” tubos

Figura 7 – 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.

Configurações e dimensões características do tanque padrão:

Figura 8 – Tanque padrão (McCabe, 2001).

em que: J – largura do defletor; n – velocidade de rotação; Dt – diâmetro do tanque; Da – diâmetro do agitador; H – nível do líquido; L – comprimento da lâmina; W – altura da lâmina; E – distância da lâmina ao fundo. Segundo McCabe (1985), baseado em um agitador de turbina do tipo apresentado na Figura 8:

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3 1 =

t

a

D D

1= tD H

12 1

= tD J

1= aD E

5 1 =

aD W

4 1 =

aD L

Número de defletores: 4 Número de lâminas: 4 – 16, o mais usual é de 6 – 8 • Fatores de forma: Dimensões lineares do tanque em relações adimensionais.

t

a

D D

S =1 aD ES =2

aD LS =3

aD WS =4

tD JS =5

tD HS =6

Dois misturadores de mesmas proporções geométricas, mas de diferentes

tamanhos, serão geometricamente semelhantes tendo seus fatores de forma iguais.

4 - Consumo de potências em tanques agitados Para estimar a energia necessária para rotacionar um certo agitador e uma

certa velocidade, utilizam-se correlações empíricas de potência com outras variáveis do sistema. A forma destas correlações é encontrada através de análise dimensional.

Para um tanque padronizado, os fatores de forma são temporariamente ignorados e o líquido é considerado newtoniano, a potência P é função das seguintes variáveis:

P = ψ (n, Da, µ, ρ, g)

Aplicando análise dimensional:

 

  

 =

g DnDn

Dn P aa a

.,.. ..

22

53 µ ρ

ψ ρ (1)

Introduzindo-se os fatores de forma S1, S2,...,S6.

 

  

 = 654321

22

53 ,,,,,, .,..

.. SSSSSS

g DnDn

Dn P aa a µ

ρ ψ

ρ (2)

sendo o número de potência igual a: ρ.. 53 a P Dn

PN = (2.A)

Número de Froude: g DnF ar

.2 =

Número de Reynolds: µ ρ.2aD.nRe =

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Assim, a equação (2) fica: ),,,,,,,( 654321Re SSSSSSNNN FrP ψ= (3)

Considerando a velocidade na extremidade do agitador:

n.aD.ev π= (4)

( ) µ ρ

µ ρ

µ ρ aeaaa DvDnDDn ∝== ..Re

2

(5)

Este grupo é proporcional ao Número de Reynolds calculado para o diâmetro e a velocidade na extremidade do agitador. Para baixos números de Reynolds (Re <10), escoamento viscoso prevalece no vaso, e para Re > 104 o escoamento é turbulento.

O Número de Froude é uma medida da razão da força inercial pela força gravitacional por unidade de área agindo no fluido.

O Número de Potência (NP) é análogo ao coeficiente de arraste ou fator de fricção. NP é proporcional a razão da força de arraste agindo sobre unidade de área do impulsor e a tensão tangencial.

Utilizam-se os números adimensionais porque suas magnitudes são mais significantes para todo o sistema e produzem correlações empíricas mais simples que as do tipo da equação (1).

Correlação de potência para impulsores (impelidores) específicos:

A relação funcional é utilizada para o cálculo do número de potência:

( )654321 ,,,,,,Re, SSSSSSFN rP ψ= (6)

Para tanques com chicanas a utilização da equação (6) requer o conhecimento do número de chicanas, número de pás no impulsor, e se este for de hélice o número do passo do mesmo.

Para turbinas e agitadores com hélices os resultados desta relação estão mostrados nas figuras abaixo, respectivamente.

A Figura 9 plota NP vs NRe para tanques com 4 chicanas e agitador do tipo turbina de lâminas planas com 6 lâminas.

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