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1 OPERAÇÕES UNITÁRIAS NA INDÚSTRIA QUÍMICAII Profª Drª Lisete Cristine Scienza 2 Material/ objetivo Transporte Mistura Separação Modificação de tamanho Fluidos: líquidos e gases Bombeamento Ventilação Compressão Agitação e Misturas Centrifugação(L- L) Atomização Fluidos e sólidos Transporte Pneumático Transporte hidráulico Perda de pressão em leitos empacotados Fluidização Suspensão de sólidos em líquidos (agitação) Filtração (L-S) Centrifugação (L-S) Sedimentação (L-S) Separação pneumática(G-S) Prensagem Sólidos Transporte Mecânico de sólidos Misturadores de sólidos Peneiramento Moagem OPERAÇÕES UNITÁRIAS DE Q. MOVIMENTO 3 INTRODUÇÃO A agitação é o centro de um grande número de processos industriais em diversas áreas, tais como mineração, alimentos, petróleo, produtos químicos e farmaceuticos, tratamento de efluentes e muito outros. A operação de agitação deve ser analisada de modo a considerar a etapa crítica do processo em estudo. Na cristalização, por exemplo, os parâmetros importantes são o nível de supersaturação, o calor transferido associado ao controle de temperatura, a suspensão de cristais, a taxa de crescimento e a nucleação secundária. 4 Classificação dos processos de agitação quanto a aplicação Aplicação Processamento Processamento Físico Químico Líquido-sólido Suspensão Dissolução Líquido-gás Dispersão Absorção Líquidos imiscíveis Emulsão Extração Líquidos Miscíveis Mistura Reação Movimentação Bombeamento Transferência de fluidos de calor 5 Misturador 400 L, eletropolimento interno, encamisado, para Ind. Farmacêutica. Misturador com camisa 3000 L, em aço inox, para Ind. Química. 6 AGITAÇÃO E MISTURA Agitação => Refere-se ao movimento induzido de um material em forma determinada, geralmente circulatória, dentro de um recipiente. Pode-se agitar uma só substância homogênea. Mistura => Movimento aleatório de duas ou mais fases inicialmente separadas. A mistura de fluidos em vasos agitados é uma das mais importantes operações unitárias para indústrias químicas, bioquímicas, farmacêuticas, petroquímica e de alimentos. 7 OBJETIVOS - Misturar líquidos miscíveis; - Dispersão de líquidos imiscíveis; - Dispersar um gás num líquido � aeração; - Promover transferência de calor; - Promover transferência de massa; - Reduzir aglomerados de partículas; - Acelerar reações químicas. - Obter materiais com propriedades diferentes daquelas do material originário; - Aquecer ou resfriar soluções. 8 1. PROPRIEDADES QUE INFLUENCIAM NA MISTURA. - Do fluido : viscosidade (µ ), massa específica (ρ), miscibilidade. - Do sólido : tamanho, massa específica do sólido (ρs), forma, rugosidade e molhabilidade 9 2. MISTURA DE LÍQUIDOS. Os sistemas de mistura apresentam em comum: - Líquido a ser misturado (agitado); - Vaso que contém o líquido; - Equipamento mecânico que gera a turbulência. Mistura de líquidos e materiais pouco viscosos. Mistura de pastas. Líquido é qualquer solução ou suspensão bombeável. 10 Os componentes para a agitação de líquidos são: - vaso: fundo arredondado (evita pontos sem mistura); - motor; - redutor de velocidade; - haste ou impulsor; - dificultores (opcional); - termômetro (opcional); - ponto de amostragem. 11 a) B ate lad a - U sados para m ateria is v iscosos, p lásticos e só lidos . S ão pon tos im portan tes. - T em po para ob tenção do resu ltado dese jado . - F ac ilidade e rap idez de descarga e lim peza . - C onsum o de energ ia . b ) C on tín u os - P ara gases, líqu idos de ba ixa v iscos idade e suspensões. 12 ALGUNS EXEMPLOS DE USO DE TANQUESALGUNS EXEMPLOS DE USO DE TANQUES AGITADORESAGITADORES:: •• dissoludissoluçãção de ao de açúçúcar, amido, sal, car, amido, sal, áácidos, etc.cidos, etc. •• dispersdispersãão de hidrogo de hidrogêênio em reatores de hidrogenanio em reatores de hidrogenaçãção deo de gorduras.gorduras. •• circulacirculaçãção de lo de lííquidos em tanque de fermentaquidos em tanque de fermentaçãçãoo •• tanque de tratamento ttanque de tratamento téérmico de laticrmico de laticííniosnios •• tanques de extratanques de extraçãçãoo •• tachos de cozimentotachos de cozimento •• tanques de retentanques de retençãção de produto em processamentoo de produto em processamento •• ttachos de mistura para preparaachos de mistura para preparaçãção de sorveteso de sorvetes •• tanques de recirculatanques de recirculaçãção de salmouras para refrigerao de salmouras para refrigeraçãçãoo •• tanques de aeratanques de aeraçãção para tratamento biolo para tratamento biolóógico de resgico de resííduosduos llííquidosquidos •• tanques de lavagem de materialtanques de lavagem de material •• misturadeiras e amassadeiras de pastas e massas paramisturadeiras e amassadeiras de pastas e massas para purificapurificaçãçãoo •• suspenssuspensãão de so de sóólidos sedimentados para facilitar seu arrastelidos sedimentados para facilitar seu arraste por bombeamento, etc.por bombeamento, etc. 13 3. PADRÕES DE FLUXO O movimento do fluido, ou padrão de fluxo, em um tanque agitado depende do tipo de rotor selecionado, das características do fluido, tamanho e proporções do tanque (geometria), dos inibidores de vórtices ("baffles") e do agitador. A velocidade do fluido em qualquer ponto do tanque possui três componentes : O primeiro componente de velocidade é radial e atua na direção perpendicular ao eixo do rotor. O segundo componente é longitudinal e atua na direção paralela ao eixo do rotor. O terceiro componente é tangencial ou rotacional e atua na direção tangente, o que propicia um movimento circular ao redor do rotor. 14 PADRÕES DE FLUXO 15 a) Escoamento axial - São aqueles cujas pás fazem um ângulo menor que 90º com o plano de rotação do impulsor. Ex: hélices, turbinas de pás inclinadas. 16 b) Escoamento radial. - Tem suas pás paralelas ao eixo de rotação. Este fluxo é perpendicular a parede do tanque. Ex: turbina, pás, âncora, grade. 17 c) Escoamento tangencial - Este fluxo atua na direção tangente, o que proporciona um movimento circular ao redor do rotor. Em alguns casos a componente tangencial é desvantajosa, pois tem uma trajetória circular e cria um vórtex na superfície, não possibilitando a mistura longitudinal entre os níveis. 18 19 4. FORMAÇÃO DO VÓRTICE. - 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). Maneiras de evitar o vórtice: - descentralizar o agitador; - inclinar o agitador de 15° em relação ao centro do tanque; - colocar o agitador na horizontal; - usar dificultores. 20 Dificultores: a) Próximo à parede para líquidos de baixa viscosidade. b) Afastados da parede para líquidos de viscosidade moderada. c) Afastados da parede e inclinados para líquidos de alta viscosidade. d) Geralmente são usados 4 dificultores com largura de 1/10 - 1/12 do diâmetro do tanque para soluções de baixa viscosidade. e) Para soluções viscosas são colocados afastados das paredes. f) Geralmente afastamento de 1/2 da largura, a fim de evitar acúmulo de sólidos atrás das lâminas. g) Geralmente utilizados para: Re > 10.000 21 5.ALGUMAS DESCRIÇÕES IMPORTANTES: Propulsores ou hélices: dirigem o fluido para o fundo do tanque, onde a corrente se espalha radialmente em todas as direções e sobe ao longo da parede do tanque retornando à zona de sucção do rotor. São utilizados quando são necessários grandes correntes verticais. Pás: fornecem um bom fluxo radial no plano do rotor, mas não fornecem fluxo vertical, sua principal limitação. Não servem por exemplo para manter sólidos suspensos. Turbina: movimentamo fluido radialmente contra a parede do tanque onde a corrente se divide. Uma parte se dirige ao fundo e volta ao centro do rotor enquanto a outra sobe em direção à superfície e retorna ao rotor por cima (zona de sucção). São geradas duas circulações distintas. Desenvolvem excelente fluxo radial e bons fluxos verticais. Mostram-se eficientes na mistura de líquidos de mesma gravidade específica. Em tanques cilíndricos verticais a profundidade do líquido deve ser igual ou maior ao diâmetro do tanque. Se necessário profundidades maiores são montados dois ou mais rotores no mesmo eixo. 22 Draft tubes: adicionam atrito ao fluido e para uma dada potência de entrada a taxa de circulação é reduzida, deste modo são utilizados somente em casos específicos. O retorno do fluxo para o rotor ocorre em todas as direções. Embora isto não seja uma limitação, quando se deseja que a direção e a velocidade do fluxo em direção a sucção do rotor são utilizados "draft tubes". São freqüentemente utilizados para alto cisalhamento (por exemplo: emulsões). São montados em posições diferentes em função do tipo de rotor: acima das turbinas e em torno de propulsores/hélices. Chicanas (inibidores de vórtice, dificultores): são tiras perpendiculares à parede do tanque, geralmente quatro tiras são suficientes, que interferem no fluxo rotacional sem interferir no fluxo radial e axial. 23 Movimento do fluido em tanques agitados com chicanas e "draft tubes” 24 6. TIPOS DE AGITADORES OU IMPULSORES �� HHééliceslices Utilizada geralmente para agitaUtilizada geralmente para agitaçãção de fluidos de baixao de fluidos de baixa viscosidade (viscosidade (µµµµµµµµ <<<<<<<< 50 cP); maior circula 50 cP); maior circulaçãção que umao que uma turbina;turbina; Uso: suspensão de sólidos, mistura de fluidos miscíveis. Utilizada para transferência de calor. NNãão fornece tenso fornece tensãão de cisalhamento. Do de cisalhamento. Dii <<<<<<<<<<<<<<<< D Dtt ampla ampla faixa de rotafaixa de rotaçõçõeses 25 �� Turbinas Turbinas Podem apresentar escoamento radial, alta tensPodem apresentar escoamento radial, alta tensãão deo de cisalhamento nas pontas do impulsor ou escoamentocisalhamento nas pontas do impulsor ou escoamento axial (paxial (páás inclinadas): s inclinadas): úteis para suspensão de sólidos, e como as de pás planas são úteis para agitação de fluidos viscosos, fluidos poucos viscosos, dispersão de gases em líquidos, mistura de fluidos imiscíveis, dispersão de gases e transferência de calor; D; Dii <<<<<<<<<<<<<<<< D Dtt,; velocidade de rota,; velocidade de rotaçãção altao alta �� P Pááss DDii menor que D menor que Dtt; velocidade de rota; velocidade de rotaçãção baixa. Utilizadao baixa. Utilizada para mistura de fluidos muito consistentespara mistura de fluidos muito consistentes 26 Linhas de escoamento e turbulênciaLinhas de escoamento e turbulência 27 ModeloModelo de de agitação agitação com com turbina deturbina de pás inclinadaspás inclinadas 28 Tipos de impulsores: PÁS 29 Fita dupla helicoidal Tamanho relativo do impulsor: 95% do diâmetro do tanque Usos recomendados: É o melhor para fluidos de altas viscosidades em regime laminar. Este agitador também é bom quando se requer boa transferência de calor e mistura de líquidos e sólidos. Geralmente utilizado para viscosidades maiores de 30,000 MPa 30 Fita Helicoidal com parafuso Tamanho relativo do impulsor: 95% do diâmetro do tanque. Usos recomendados: Eficiência razoável em altas viscosidades e regime laminar. Tempos de mistura são da mesma ordem ou maiores que os de dupla fita. Parafuso central efetivamente remove sólidos e fluidos desde a parede, na medida que cria um fluxo axial ascendente. Geralmente utilizado para viscosidades maiores de 30,000 MPa. A transferência de calor é um pouco menor que para o de fita dupla 31 Tamanho relativo do impulsor: 95% do diâmetro do tanque A ancora é o mais econômico dos impulsores de pás, trabalhando em regime laminar e com fluidos muito viscosos. É mais efetivo em “squatty batches”onde o bombeamento vertical não é tão necessário como em tanques altos. Tempos de mistura são um pouco mais longos que em impulsores de fitas helicoidal. Neste tipo de impulsor é muito fácil a instalação de raspadores da parede, para aumentar a transferência de calor. Ancora 32 Detalhe do fluxo tangencial Fluxo gerado em uma seção axial Fluxo gerado em uma seção transversal Fluxo gerado pelo impelidor tipo âncora. 33 Tamanho relativo : metade do diâmetro do tanque Usos recomendados: Mistura efetiva em polímeros, sensíveis ao cisalhamento, de alta viscosidade. Bom bombeamento do topo até a base O parafuso é adequado para fluidos pseuplásticos Impulsor de parafuso 34 Modelos combinados Fita helicoidal 35 Efeito de mistura de váriosEfeito de mistura de vários componentes com duas ancorascomponentes com duas ancoras 36 IMPULSORES TIPO TURBINA 37 Turbina de pás planasTurbina de pás planas Mistura a alto custo de energia, quando é requerido alto cisalhamento. Emulsão líquido-líquido ou suspensão de sólidos, também pode ser utilizado em regime laminar, quando Re cai até 50 e Po = 3,6 Não é recomendado para dispersão de gases 38 Turbina de pás curvasTurbina de pás curvas Impulsor eficiente de escoamento radial. Para operações sensíveis à velocidade e quando se requer altas velocidades na parede no tanque (transferência de calor) Po = 2,52 39 Impulsor efetivo a custo de energia razoável para baixa concentrações de líquidos imiscíveis e gases Dois redemoinhos são formados após cada pá. Estas áreas de grande cisalhamento, quebram as gotas de diâmetro maior. Turbina de pás e discoTurbina de pás e disco ou turbina Rushtonou turbina Rushton 40 Fluxo gerado pelo impelidor tipo Rushton Campo de velocidades do impelidor tipo Rushton Vetores velocidade em um plano axial do impelidor tipo Rushton Vórtices formados pelo impelidor tipo Rushton 41 TurbinTurbina a SmithSmith Turbina altamente efetiva para dispersão de volumes altos de gases Pode dispersar 6 vezes mais volume que a de Rushton. 10% a mais de transferência de massa. Diferente de outros impulsores dispersores de gás Não é muito sensível à mudança de viscosidade 42 A custo energia razoável pode trabalhar em regime laminar ou turbulento. Bom impulsor quando existe muita variação de viscosidade alongo do processo, causando variação do regime entre turbulento e laminar Bom impulsor para suspensão de sólidos Turbina de pás inclinadasTurbina de pás inclinadas 43 Instalação para tanque altosInstalação para tanque altos 44 HÉLICES 45 Hélice MarinhaHélice Marinha Estes elementos de misturaEstes elementos de mistura são utilizados para misturassão utilizados para misturas de sólidos e emulsões.de sólidos e emulsões. Geram um nível médio deGeram um nível médio de turbulência. Como sãoturbulência. Como são pesados são utilizadospesados são utilizados quando de pequenoquando de pequeno diâmetro, operando a altadiâmetro, operando a alta velocidadevelocidade 46 Alto bombeamento.Alto bombeamento. Excelente na suspensão deExcelente na suspensão de sólidos abrasivos e no caso desólidos abrasivos e no caso de certa presença de gasescerta presença de gases Impulsor MaxfloImpulsor Maxflo 47 Impulsores ChemShear sãoImpulsores ChemShear são construídos em 4 tipos diferentes: pásconstruídos em 4 tipos diferentes: pás mais grossas e mais finas, em funçãomais grossas e mais finas, em função de diferentes requerimentos dede diferentes requerimentos de cisalhamento e bombeamento.cisalhamento e bombeamento. As mais grossas fornecem maisAs mais grossas fornecem mais bombeamento e as mais finas maiorbombeamento e as mais finas maior nível de cisalhamento.nível de cisalhamento. Trabalham bem quando é requerido umTrabalham bem quando é requerido um cisalhamento moderadamente alto,cisalhamento moderadamente alto, mas com um certo bombeamento quemas com um certo bombeamento que a maioria das turbinas não oferece.a maioriadas turbinas não oferece. Impulsor ChemShear ImpellerImpulsor ChemShear Impeller 48 IMPULSORES COM ALTOIMPULSORES COM ALTO CISALHAMENTOCISALHAMENTO High Speed Disperser Blades Dantco Mixers Corporation tem uma linha de aço inox. Resistente à abrasão. São especialmente projetadas para dispersão. A maioria dos impulsores está disponível de 2 a 36 polegadas, adequadas para uso em laboratório, planta piloto e tamanho industrial. São projetadas para uso em dispersão, dissolução, emulsificação de materiais sólidos/líquidos/gasosos. 49 Produz alto cisalhamento, bombeamento e redução de tamanhos de aglomerados 50 Impulsores da DantcoImpulsores da Dantco:: 51 PHILADELPHIA MIXING SOLUTIONS Projetos de impulsores diversos 52 Impulsor muito eficiente para misturas especiais e para fluidos pseudoplásticos e altas viscosidades -Ação dupla – projeto para diâmetro grandes - Efetivamente mistura fluidos de viscosidade na faixa de 25,000cP-75,000cP Impulsor contracorrenteImpulsor contracorrente 53 Projetada para fornecer alta taxa de oxigenação superficial, com boa mistura. Objetivo: aeração de águas De grande diâmetro e pás curvas promove aeração 54 Impulsor de baixoImpulsor de baixo cisalhamentocisalhamento (Sentinel Super Low Shear Impeller) Projetado para materiais muito sensíveis ao cisalhamento Projetado para usos que se faz necessário certa aplicação de cisalhamento devido à movimentação de fluidos requerido para suspender sólidos, dispersar gases, ou misturar líquidos que são sensíveis ao cisalhamento. 55 Hydrofoil (LS) Baixo cisalhamento para fluidos de viscosidade (até 2.500cp) Mistura e suspensão de sólidos. Po=0.3 -0.55 56 Viscosidades medias Viscosidades medias (MHS) (MHS) Mistura de viscosidades intermediarias de 2.500cP até 15.000cP Caracterizado por pás muito finas - Po = 0.60 - 1.10 57 Turbina de pás inclinadas paraTurbina de pás inclinadas para altas viscosidadesaltas viscosidades Pitch Blade Turbine (PBT) High Solidity Hydrofoil (HS)Pitch Blade Turbine (PBT) High Solidity Hydrofoil (HS) Impulsor eficiente para viscosidades na faixa de 2.500cP-100.000cP e alta carga (dispersão de gases e draft tube) Caracterizado por suas placas bem finas. Para requerimento simultâneo de dispersão de gás e suspensão de sólidos 58 DimensionamentoDimensionamento de um sistemade um sistema de agitaçãode agitação 59 O conjunto conhecido como como tanque agitado normalmente consiste em um tanque cilíndrico, um ou mais impelidores, um motor e, ususalmente, chicanas. Alguns tanques são providos de serpentinas ou camisas para promover a troca térmica. 60 DIMENSÕES CARACTERÍSTICAS: T = diâmetro interno D = diâmetro do impelidor w = largura da pá do implelidor C = distância entre o fundo e o impelidor Z = altura do líquido B = largura das chicanas Dreno do tanque B D Z C T w Chicanas 61 GEOMETRIA PADRÃO: D/T = de 1/4 a 1/2 Z/T = 1 C/T = de 1/6 a 1/2 B/T = de 1/10 a 1/12 w/D = de 1/4 a 1.6 Dreno do tanque B D Z C T w Chicanas Estas relações não valem para todos os tipos de processos que ocorrem em tanques. 62 RELAÇÕES GEOMÉTRICAS TÍPICAS UTILIZADAS POR DIVERSOS IMPELIDORES Tipo de impelidor Relações geométricas Pás w = 1/5 D Turbina (Rishton) L = 1/4 D w = 1/5 D diâmetro do disco = 2/3 D Naval passo da curvatura = 1,5 D D = diâmetro do impelidor w = largura da pá L = comprimento da pá 63 CARACTERÍSTICAS DE ALGUNS IMPELIDORES Tipo de impelidor Faixa de Rotação Potência Utilização viscosidade Naval < 2 Pa.s 300 a 1750 rpm 0,2 a 2,25 kW bombeamento Turbina < 1000 20 a 150 0,75 a 375 suspensão de sólidos Pás < 50 100 a 350 1 a 150 trnsf. De massa 64 VARIÁVEIS DE PROJETO: Propriedades do fluido: µ = viscosidade ρ = densidade σ = tensão superficial κ = condutividade térmica Cp = calor específico N = velocidade de rotação do impelidor P = F.U P = potência consumida por um misturador F = força de arraste do impelidor U = velocidade relativa da pá do impelidor 65 POTÊNCIA E TORQUE NA AGITAÇÃO Símbolo Item Escoamento turbulento P potência K1ρN3D5 V volume do tanque K3T 3 P/V potência por volume k4N 3D2(D/T)3 Tq torque P/N = k6ρN2D5 Tq/V torque por volume k8 ρN2D2(D/T)3 Ut velocidade do impelidor piND K = constante de proporcionalidade 66 ANÁLISE DE PROCESSO ATRAVÉS DE NÚMEROS ADIMENSIONAIS Existe uma série de números adimensionais associados com sistemas de agitação. São utilizados para se obter informações sobre parâmetros importantes tais como o tempo de mistura, o consumo de energia e a capacidade de bombeamento, entre outros. 67 ANÁLISE DE PROCESSO ATRAVÉS DE NÚMEROS ADIMENSIONAIS Número de bombeamento (NBO): relaciona a taxa de bombeamento do impelidor Q (volume escoado por área do impelidor e por tempo) com a velocidade de rotação e tamanho do impelidor. Portanto correlaciona a capacidade de bombeamento de diferentes impelidores com diferentes geometrias de tanques. A taxa de circulação em tanques com agitação é definida como o volume de um fluido deslocado por um rotor por unidade de tempo. É também chamada de capacidade de bombeamento. NBO = Q/(ND3) 68 ANÁLISE DE PROCESSO ATRAVÉS DE NÚMEROS ADIMENSIONAIS Número de Froude (NFR): este número inclui as forças gravitacionais e é usado para considerar os efeitos da superfície livre (por exemplo, vórtice central) no número de potência. Por isso, esse número é incluído em correlações de Re e Po em sistemas sem chicanas. NFR = N2D/g 69 ANÁLISE DE PROCESSO ATRAVÉS DE NÚMEROS ADIMENSIONAIS Número de Mistura (NB): é o produto da velocidade de rotação (N) e o tempo de mistura (θ). O tempo de mistura é uma medida do tempo requerido para misturar líquidos miscíveis ao longo do volume de tanque agitado. Se o número de mistura for constante, o tempo de mistura é proporcional ao inverso da velocidade de rotação do impelidor. NB = N.θθθθ 70 ANÁLISE DE PROCESSO ATRAVÉS DE NÚMEROS ADIMENSIONAIS Número de Potência (NP): é a potência transferida do impelidor para o fluido. O cálculo pode ser efetuado de diversas maneiras e depende do processo, do regime de escoamento e do fluido. Entretanto, para o caso de escoamento turbulento em um sistema homogêneo a estimativa da potência é realizada através de análise dimensional e/ou medidas experimentasi dos torque. NPO = P/ρρρρN3D5 71 ANÁLISE DE PROCESSO ATRAVÉS DE NÚMEROS ADIMENSIONAIS Número de Reynolds (Re): define o regime de escoamento: laminar (<10) ou turbulento (>10.000) Re = D2Nρρρρ/µµµµ 72 Resumindo: Re = Esforço de inércia .( força aplicada ) Força viscosa NPO = Força aplicada ao agitador Força inercial NFR = Força inercial Força gravitacional
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