SISTEMAS DE AGITAÇÃO E MISTURA

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SISTEMAS DE AGITAÇÃO E MISTURA
Na indústria, 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 esta normalmente relacionada a duas ou mais fases inicialmente separadas que são aleatoriamente distribuídas dentro ou através uma da outra. 
Os agitadores ou misturadores são indicados para operações onde é necessário misturar, dissolver, agitar ou homogeneizar qualquer tipo de solução liquida, com ou sem a presença de sólidos. Estes equipamentos normalmente são dimensionados especificamente para cada caso, podendo ser fornecido com várias faixas de potência, rotação, comprimento de haste e diâmetro de hélices, sendo estas configurações especificadas dependendo das características do produto agitado. A densidade e a viscosidade do produto que será agitado, além do modo de agitação (homogeneização, dissolução, suspensão de sólidos etc.) influenciam diretamente no dimensionamento do equipamento, sendo imprescindíveis estas informações para um bom e eficiente dimensionamento do equipamento. A agitação é qualificada em 03 níveis de agitação (suave médio ou violento).
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. Operação unitária empregada na indústria química, bioquímica, farmacêutica, petroquímica e alimentícia.
 As propriedades indicadas a seguir podem influenciar a facilidade da mistura para fluidos e sólidos. Fluidos: viscosidade, massa específica, relação entre massas especificas e miscibilidade; 
Sólidos: massa específica, relação entre as massas especificas, forma, aderência e molhabilidade. 
DESENVOLVIMENTO 
A agitação pode ser realizada com diversos propósitos, os principais são: 
Mistura de líquidos miscíveis, dispersão de líquidos imiscíveis, mistura de dois ou mais sólidos (pós-secos), mistura de líquidos e sólidos (pastas e suspensões), dispersão de gases em líquidos (aeração), auxiliar na transferência de calor (convecção), auxiliar na transferência de massa (convecção), reduzir aglomerados de partículas, acelerar reações químicas, obter materiais com propriedades diferentes da matéria-prima original. Exemplos: 
Mistura sólido-líquido – promove a suspensão de partículas em um líquido com viscosidade relativamente baixa (cristalização), dispersa partículas muito finas com viscosidade elevadas. 
Mistura gás-líquido – gera uma dispersão de bolhas gasosas numa fase liquida continua (fermentações biológicas). 
Mistura líquido-líquido (líquidos imiscíveis) – cria dispersão de gotas de líquido numa fase liquida continua (emulsificação). 
FINALIDADES DA MISTURA E AGITAÇÃO
Promover o contato íntimo entre as substâncias (melhor controle de reações químicas, transferência de massa mais eficiente nos processos de extração destilação, cristalização, secagem etc.) 
•Preparar materiais com propriedades não necessariamente presentes nos reagentes: emulsões • Mistura de dois líquidos miscíveis: preparo de soluções 
• Dissolução de sólidos em líquidos: preparo de soluções
 • Dispersar um gás em um líquido como finas bolhas, como oxigênio do ar em uma suspensão de microrganismos para fermentação ou para o processo de lodo ativado no tratamento de efluentes. 
• Suspensão de finas partículas sólidas em um líquido: preparo de suspensões. 
• Agitação do fluido: para aumentar a transferência de calor entre o fluido e uma superfície, permitir a transferência de massa.
Misturação 
MISTURA DE LÍQUIDOS 
A seleção do tipo de equipamento é determinada pelos fatores: 
•Viscosidade: medida da resistência ao escoamento 
• Miscibilidade: mistura de líquidos miscíveis e mistura de líquidos imiscíveis (emulsificação) 
• Densidade: relação entre as densidades dos líquidos
EQUIPAMENTOS PARA MISTURA DE LÍQUIDOS 
O equipamento é selecionado considerando a viscosidade dos produtos que serão misturados A energia para a propulsão necessária para o processo é obtida basicamente através dos seguintes dispositivos:
 ·Impulsores (agitadores); 
· Correntes de ar; · 
Jatos de líquidos. 
Os líquidos são agitados em tanques, geralmente cilíndricos e com eixo vertical. As dimensões do tanque podem variar dependendo do processo, utilizam pás, turbinas e hélices para aplicar energia mecânica aos líquidos. O rendimento dos impulsores depende da criação de corrente que atinjam todos os pontos do tanque; com turbulência, como mostra a figura 1.
Misturação 
Tipos básicos de misturadores: 
Equipamentos de mistura podem ser agrupados em três amplas classes: 
Misturados impulsores para líquidos; 
Misturadores para pastas e sólidos plásticos; 
Misturadores para pós secos. 
Misturadores Impulsores 
Nestes equipamentos a mistura é feita por um impulsor acionado mecanicamente, que cria um fluxo padrão no líquido. 
Fatores importantes em uma mistura:
Circulação do líquido: O líquido circula através do recipiente retornando ao impulsor, ocorre criação de fluxos em que o líquido se movimenta de um lado para o outro; 
Turbulência: as partículas se misturam de forma não linear, isto é, de forma caótica, com turbulência e redemoinhos ocorre no fluxo em movimento, fornece os meios para movimentar o conteúdo do tanque e incorporá-lo no fluxo.
Tipos de Misturadores Impulsores
Tipos de impelidores. 
O produto a ser agitado determinará o tipo de impelidor a ser utilizado. Para líquidos de baixa e moderada viscosidades são indicados os propulsores, pás e turbinas; para líquidos muito viscosos, são utilizados os propulsores tipo hélice e tipo âncora
Impelidores tipo propulsores 
Como mostra a imagem (a) da figura acima utiliza-se quando deseja correntes verticais intensas, fluxo axial, agitadores de alta velocidade para líquidos de baixa viscosidade, velocidade para os pequenos é de 1150 ou 1750 RPM para os grandes de 400 a 800 RPM, este tipo de agitador cisalha o líquido vigorosamente, seu movimento rotatório dá ao fluido um movimento helicoidal, uma rotação completa move o fluido longitudinalmente a uma distância fixa, dependendo do ângulo das laminas do propulsor. A razão entre esta distância e o diâmetro do propulsor é chamado passo do agitador. 
O impelidor mais comum é o propulsor de 6 lâminas e passo quadrado, o diâmetro do propulsor ≤ 18 in (polegadas), independente do tamanho do tanque, em tanques grandes podem ser utilizados dois ou mais propulsores. 3.2.2
 Impelidores 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 geram fluxos verticais, não são utilizados para manter sólidos em suspensão. A agitação em tanques profundos requer vários conjuntos de pás, velocidade de 20 a 150 RPM.
 Comprimento das pás de 50 a 80% do diâmetro do tanque, a 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 líquido. 3.2.3 
Impelidores tipo turbinas (fig.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, indicadas para equipamentos com velocidade 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, outra para cima e ambas retornam para o centro. 3 
Tipos de fluxos gerados pelos impelidores 
Os impelidores são divididos em três classes quando os relacionamos ao fluxo, fluxo radial, Axial e tangencial e determinam diferentes relações entre o bombeamento e cisalhamento, por isso sua escolha éem função de requisitos específicos de cada processo, pois a escolha adequada é determinante no desempenho do sistema.
Fluxo radial. 
São aqueles que geram linhas de fluxo perpendicularmente ao eixo do agitador, ou seja, impulsiona a grande massa liquida contra as paredes do tanque, possuem alto consumo de potência, grande capacidade dispersiva, são agressivos ao produto, são aplicados na dispersão de gases, transferência de massa e dissolução de materiais sólidos, são encontrados nos modelos de turbina de pás retas, turbina de pás inclinadas e turbina de disco. Fluxo Tangencial. 
São aqueles que geram linha de fluxo circular e em regime de fluxo laminar, destinados a misturar produtos de alta viscosidade, impulsiona a grande massa liquida ao redor da parede do tanque, apresenta alto consumo de potência, alto torque, elevado investimento inicial. É utilizado na homogeneização de resinas, mistura de fluidos viscosos, na dissolução de materiais sólidos em meios viscosos ou com formação de subprodutos altamente viscosos. São encontrados no modelo de impulsionadores tipo âncora ou projetos especiais. 
Fluxo axial ou Longitudinal.
 São aqueles que geram linhas de fluxo paralelas ao eixo do agitador, ou seja, impulsiona a grande massa liquida contra o fundo do tanque, seu consumo de potência é baixo, possuem grande abrangência por sua distribuição geométrica do fluxo dentro do tanque e sua agressividade é baixa ao produto. São aplicados na mistura de produtos líquidos, sólidos em suspensão e transferência de calor. São encontrados nos modelos de hélice naval, turbinas de pás inclinadas e turbina de alto rendimento. 
Aspectos mecânicos nos projetos de agitadores.
 Os aspectos mecânicos de um agitador são relacionados com o seu projeto. Assim, devem ser criteriosamente analisadas as condições de operação as quais o mesmo será submetido, tais como: funcionamento durante o enchimento ou drenagem, presença de elementos internos ao vaso, partida em meios sólidos decantados, entre outras. 
Componentes principais de um agitador 
Para o dimensionamento de um tanque agitador deve levar em consideração os componentes a ser utilizado como mostra a figura a seguir
Acionamento 
As operações de agitação ou mistura requerem transferência de energia ao fluido. Essa transferência ocorre através do acionamento do eixo-arvore e da rotação do impelidor no fluido. Existem diversos tipos de mecanismos de acionamento podem ser acionados por motores elétricos, conversores eletrônicos, motores pneumáticos e motores hidráulicos. 
Mancais São aplicados para suportar cargas radiais e axiais. 
Vedação ou selagem Serve para impedir contaminação do produto por agentes externos, contendo possíveis vazamentos, afim de eliminar essas situações utiliza-se: gaxetas, labirinto, retentor, selo hidráulico e selo mecânico. 
Eixo-árvore É o que transmite a rotação do acionamento ao impelidor. 3.5.5 Cubo Une o eixo-árvore e as pás do impelidor. Pode ser fixado através de chaveta, pino ou solda. 
Impelidor É o responsável pela transferência de quantidade de movimento ao fluido. De forma variada, é imprescindível no tipo e intensidade de fluxo no interior do tanque. 
Defletores ou chicanas São componentes fixados ao costado do tanque, que minimiza a rotação de fluxo gerada pelo impelidor, evitando ou minimizando a formação de vórtices. 
Problema no processo de agitação.
 Um problema frequente é um fenômeno que ocorre na agitação produzida pela ação centrifuga que age no liquido em rotação, devido ao componente tangencial da velocidade do fluido (ocorre em líquidos de baixa viscosidade. (com agitação central)). Conforme figura 5
O vórtice pode gerar 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 a parede e descerem, acumulando embaixo do agitador; ao invés de obter mistura haverá concentração de sólidos; em altas velocidades o vórtice pode ser tão grande que o agitador fica descoberto, introduzindo ar (bolhas) no líquido; oscilação de massa flutuante. 
Como evitar o vórtice 
Descentralizar o agitador, inclinar o agitado a 15° em relação ao centro do tanque; 
Colocar o agitador na horizontal; usar defletores (chicanas) 1 a 3 em tanque pequenos e 4 em tanques grandes. 
CONSUMO DE ENERGIA 
Para Júnior, Cekinnski, Nunhez et al (2012, p. 18) uma consideração importante no projeto é a potência. Para calcular e necessário alguns dados, como dimensões do equipamento e números adimensionais que estão associados ao sistema de agitação que estão listados na tabela 1
Explicações dos principais números adimensionais 
Número de bombeamento (𝑵𝑩𝑶)
 Este número indica o volume escoado por área do impelidor e por tempo (Q), ou seja, correlaciona a capacidade de bombeamento de diferentes impelidores com diferentes geometrias de tanque. 
Número de Froude (𝑵𝑭𝑹) 
Este número é incluído em correlações de Re e Po em sistemas sem chicanas, é usado para considerar os efeitos da superfície livre, este número inclui forças gravitacionais. O efeito do número de Froude aparece quando há formação do vórtice para valores de Re > 300. Em sistemas onde o vórtice não ocorre (devido a introdução de chicanas, para Re10000. Entre esses valores, o regime é de transição.
Cálculo de potência 
Exemplo: Uma turbina com 6 pás está instalada no centro de um tanque vertical. O diâmetro do tanque é de 1,83 m o diâmetro da turbina é de 0,61 m e está posicionada a 0,61 m do fundo do tanque. O tanque é cheio com uma solução a 50% de soda cáustica, com uma viscosidade de (0,012 kg/ [m.s]) e uma densidade de 1498 kg/m³). A turbina é operada a 90 RPM. O tanque não possui chicanas. Qual a potência é requerida para operar o misturador?
Através do resultado obtido podemos identificar o número de Re na figura 6: 
Figura 6 - Número de potência (𝑁𝑃) VS 𝑁𝑅𝑒 para turbinas de 6 pás. Na porção em vermelho da curva D, o valor de 𝑁𝑃 lido na figura deve ser multiplicado por 𝑁𝐹𝑅 𝑚 Curvas (Lâminas): A (Verticais); B (Verticais); C (Inclinadas 45º); D (Verticais - sem chicanas).
Então da figura 6 obtém-se para 𝑹𝑬 = 𝟕. 𝟏𝟎𝟒 Φ= 𝑵𝑷 𝑵𝑭𝒓𝒎 ≅ 𝟏, 𝟏 O expoente m da equação é para um dado conjunto de fatores de forma; sendo: 𝒎 = 𝜶 − 𝒍𝒐𝒈𝑹𝒆 𝒃 = −𝟎, 𝟎𝟗𝟔 Sendo que a e b são constantes fornecidas pela tabela 2.