Mistura de Sólidos

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MISTURA DE SÓLIDOS
Ana Luiza Freitas Ferreira¹, Nayara Maria Santos Almeida¹, Rodrigo Sá de Jesus¹, 
Tales Souza Botelho¹
Universidade Estadual de Santa Cruz, Ilhéus, Bahia, Brasil.
analuizafreitasf@gmail.com; nayaraalmeida226@gmail.com; rodrigo.uesc2011@gmail.com; taliisbotelho@gmail.com
Resumo – 
Palavras-chave: Sólidos granulados, mistura de sólidos, segregação, grau da mistura, equipamentos.
Introdução 
	A homogeneização de sólidos é uma operação puramente mecânica de difícil realização. Gases e líquidos misturam-se espontaneamente por difusão, porém, a mistura íntima de sólidos, além de consumir bastante energia, requer a moagem prévia de partículas até uma granulometria bastante fina [1]. 
	Os materiais sólidos na forma de granulados, partículas ou pós, fazem parte do cotidiano da sociedade de consumo em inúmeras áreas de aplicação, sejam elas, doméstica, comercial, agrícola ou industrial. A mistura de materiais sólidos particulados, apesar de utilizada praticamente desde o início das civilizações, é ainda uma operação realizada com certo empirismo dependendo do fabricante. Apenas instituições com conhecimento e estrutura necessários tratam do assunto de modo adequado ou pelo menos apontam para essa direção [2]. É uma operação industrial muito frequente e a utilização desse tipo de material, tanto os que servem de base para outros como os de destinação final, é de grande abrangência e é difícil encontrar setores onde não são necessários. Como exemplos, tem-se a produção de fármacos, dos pós de moldagem e das areias de fundição, o “coumpoding” de plásticos e a produção de produtos agropecuários [1].
	Existem três razões principais para exigir uma rigorosa mistura entre sólidos, onde estes estejam intimamente homogeneizados. Em primeiro lugar, os materiais que estão sendo misturados podem posteriormente serem requeridos em uma reação química uns com os outros em explosivos secos. Em segundo lugar, as propriedades mecânicas do produto final podem depender da configuração espacial das várias partículas, como no caso dos agregados para o concreto. Em terceiro lugar, pode ser necessário retirar amostras da mistura que contenham uma proporção fixa de cada constituinte, um exemplo dessa necessidade seria a produção de fármacos [3]. 
	Para realização de tal operação são necessários equipamentos especiais que contribuam para o atendimento das necessidades específicas de escala, higiene, qualidade, tempo e, particularmente, propriedades de cada material granulado. Isso envolve os mecanismos de mistura necessários para cada conjunto formado pelo equipamento e material. Cada tipo de material final tem em sua cadeia produtiva todos esses componentes anteriores que visam afinal sua qualidade e atendimento ao objetivo proposto. [2]
	Este trabalho tem como objetivo destacar importância do processo de mistura e suas especificidades, além de apresentar os equipamentos utilizados, bem como aspectos necessários ao controle de operação, ressaltando também, o problema da segregação que pode englobar a mistura de sólidos.
Revisão bibliográfica 
	Na mistura de partículas de sólidos, três mecanismos podem estar envolvidos. O primeiro é a mistura convectiva, em que grupos de partículas são movidos de uma posição para outra. O segundo mecanismo é a mistura por difusão, onde as partículas são distribuídas através de uma interface recém-desenvolvida. Por último, a mistura por cisalhamento, onde deslizam planos formados [4].
	Esses mecanismos operam diferentes extensões em diferentes tipos de misturadores e com diferentes tipos de partículas. Um misturador com uma fita em espiral envolve uma mistura por convecção quase pura e um simples barril funciona como misturador para um mecanismo de mistura por difusão e cisalhamento [3]. 
	O processo pode ser realizado a seco quando os sólidos a serem misturados possuem partículas de fácil escoamento, sendo possível obter sem grandes dificuldades um alto grau de mistura. No caso de materiais com umidade elevada, o recomendado é o processo operado a úmido. Os equipamentos utilizados em ambos processos diferenciam-se bastante. [1]
Grau de mistura 
	É difícil quantificar o grau de uma mistura, embora qualquer índice deva estar relacionado às propriedades necessárias da mistura, deve ser fácil de medir e deve ser adequado a uma grande variedade de tipos de misturadores [3].
	A mistura envolve uma situação de equilíbrio ou de desordem uniforme no seio do material, sendo de se esperar que um índice de mistura apropriado seja uma função exponencial do tempo, Kramers introduziu o grau de mistura M, que varia desde zero, para material não misturado, até um, quando ele está uniformizado. É definido pela relação:
Sendo, “” o desvio padrão da amostra não misturada, “” desvio padrão da amostra no instante genérico “” durante a mistura e “” desvio padrão do material completamente misturado. [1]
Observa-se que M independe do tamanho da amostra e que, além disso, no início da operação () tem-se M=0. Para a amostra completamente uniformizada (), resulta M=1. Lacey provou que, para partículas do mesmo tamanho:
onde, “N” é o número total de partículas na batelada e “a” a proporção de partículas do material A na batelada. [1]
	As expressões para a taxa de mistura podem ser desenvolvidas para qualquer tamanho de partículas. Uma vez que a mistura envolve obtenção de uma condição de equilíbrio de aleatoriedade uniforme, pode-se esperar que a relação entre M e o tempo “”, proposta por Bulisk, tome a forma geral:
Onde “c” é uma constante que depende da natureza das partículas envolvidas e do misturador, sendo determinada apenas experimentalmente. Esta constante depende dos seguintes fatores: [3]
Volume total do material;
Inclinação do tambor;
A velocidade de rotação do tambor; 
O tamanho de partícula de cada componente; 
Densidade de cada componente;
Volume relativo de cada componente. 
Equipamentos utilizados
	Há uma grande variedades de equipamentos que atendem aos diferentes tipos de materiais, operações e objetivos para os quais será direcionado o produto final. Alguns equipamentos operam em batelada, outros em condições contínuas. A operação em batelada oferece maiores vantagens, devido a facilidade de controle. A operação contínua pode ser feita em moendas ou em misturadores helicoidais. 
	O tipo mais simples de misturador em batelada é o tambor rotativo com chicanas radiais. A carga é feita até a metade da capacidade do tambor e a operação dura de 5 a 20 minutos. O conteúdo é descarregado por uma abertura lateral diretamente sobre um transportador. Deve-se levar em conta a rotação do tambor, que geralmente é 50 a 60% da rotação crítica. O consumo de energia é inferior ao dos misturadores helicoidais de fita de aço. O acionamento pode ser feito por meio de engrenagens ou correias, cujo número depende do tamanho do tambor, de carga e diâmetro das polias. Geralmente utilizam-se 2, 5 ou 8 correias. [1]
	Os misturadores de impacto são equipamentos utilizados para sólidos muito finos, a exemplo dos produtos farmacêuticos. Os ingredientes, possuindo baixíssimo grau de umidade, são alimentados continuamente no centro de um disco (20 a 70 cm de diâmetro), girando em alta rotação (1750 a 3500 rpm) no interior de uma carcaça. Podendo esse disco estar disposto horizontalmente ou verticalmente, sendo o primeiro mais utilizado. A mistura é realizada durante o impacto das partículas contra a carcaça. Misturadores desse tipo podem ser utilizados em série, melhorando dessa forma a uniformização. A capacidade do equipamento varia entre 1 e 25 ton/h, para materiais de fácil escoamento. [1]
	Os misturadores em V são os mais comuns na indústria. É constituído por dois cilindros curtos, unidos pela base formando um ângulo próximo a 90°, girando em torno de um eixo horizontal. Os comprimentos dos cilindros podem ser diferentes. Estes misturadores operam em bateladas que ocupam a metade do volume total. O tempo de mistura é de 5 a 20 minutos. Com vários V em série obtém-seum misturador em zig-zag, que ao ser ligeiramente inclinado, permite realizar operação contínua. [1]
	O misturador de duplo cone é constituído de dois cones unidos pela base maior e que giram em torno de um eixo no plano da base. A carga e a descarga são feitas pelos vértices. Há misturadores de duplo cone com agitadores internos adicionais e que permitem realizar a mistura em apenas dois minutos.
	As características da mistura devem ser levadas em conta na escolha do equipamento. Podendo ser citados como fatores relevantes: precisão da mistura, reprodução dos resultados, tempo de mistura, tipo de mistura exigida, tendência a segregar, tendência a danificar o produto, tendência a elevar a temperatura, adequação à adição de líquidos, quantidade a ser misturada e processo intermitente ou contínuo. [2]
	Alguns equipamentos apresentam eficiência semelhante, sendo o custo fator determinante para a escolha sobre qual utilizar. Os seguintes aspectos devem ser levados em conta: custo do equipamento principal, custo do equipamento auxiliar, custo da mão-de-obra e custos operacionais. [2]
Controle de operação
	Para sólidos é praticamente impossível obter-se um estado de perfeita homogeneização. O melhor que se consegue é um estado de desordem global média, isto é, um estado de dispersão das partículas que não prevalece a medida que a porção examinada vai ficando menor. 
	Os métodos estatísticos constituem a ferramenta ideal para se proceder à avaliação do resultado da operação de mistura dos sólidos. Esta avaliação consiste basicamente em obter o valor mais provável da batelada em cada instante. 
	Várias amostras são retiradas simultaneamente de diversos pontos da batelada, sendo analisadas individualmente e dando como resultado a fração em peso “a” do sólido “A” de cada uma. A composição média “a*” será obtida com a condição imposta para que a soma dos quadrados dos desvios a-a* seja mínima. 
	Com base nisto, pode-se definir um critério de uniformidade C da batelada: 
	Quando as partículas da mistura estiverem em completa desordem, isto é, quando a batelada estiver perfeitamente uniformizada, todas as composições serão iguais à composição média a*, resultado em C=0. No início da operação o valor de C é:
	O índice de uniformidade I definido por Michaels é um critério real para medir o grau de complementação da mistura. É a relação entre C e Co: 
	No início da operação C=Co, e portanto I=1. Quando a batelada estiver completamente misturada resultará I=0.
Problema: Segregação
	As implicações industriais de uma má mistura de sólidos particulados devem ser consideradas com muito cuidado. As partículas mudam de posição relativa quando sujeitas a movimentos. Uma vez que o movimento começa, as partículas podem aleatorizar ou segregar, dependendo do tipo de movimento imposto ao sistema e das características físicas dos constituintes. A segregação, ou não mistura, deve ser evitada, ao levar em consideração o fato na qual esta pode não ocorrer apenas dentro dos limites de uma unidade de mistura como também ao longo de todo o processo de produção. [5]
	Quando partículas de diferentes propriedades físicas como tamanho, densidade e resiliência são misturadas, a mesma é acompanhada de uma tendência de não misturar-se. Quanto mais próximo os sólidos granulados estiverem em tamanho, aparência e densidade, menor a possibilidade de ocorrer a segregação. A mistura mais rápida destes sólidos particulados não evita este problema e, além disso, pode ocasionar mais consumo de energia e perda dos sólidos fragmentados, devido ao choque entre as partículas. 
	Quando estas partículas se isentam da segregação, diz-se que estas estão uniformizadas. Nesse aspecto, a importância da segregação no índice de uniformidade da mistura não pode ser subestimada. Qualquer tendência de segregação deve ser reconhecida e analisada para que se realize a escolhas do equipamento e método adequados na realização da operação. [5]
	A segregação pode ser observada por um teste simples de empilhamento: uma amostra bem misturada é colocada em um funil para formar uma pilha cônica. Amostras são tiradas do centro da pilha e das laterais e se duas amostras tiverem composições muito diferentes pode-se concluir que a segregação tem grande probabilidade de ocorrer exceto na condição na qual seja feita a escolha perfeita do equipamento para realizar essa mistura. [5]
	A segregação dos pós soltos, que apresentam um caráter não coesivos, pode ser reduzida através da introdução no sistema de fatores que lhes confiram uma dose controlada de caráter coesivo, como, por exemplo, pequenas adições de água (até 1%) em componentes da mistura que são inertes à água, não porosos e facilmente molháveis. A adição de pequena quantidade de umidade a pós soltos aumenta o grau de agregação da mistura. No caso dos pós coesivos, é desnecessário e inconveniente procurar aumentar o grau de agregação do pó visto que pode acontecer a interferência na redução da velocidade de mistura. [6]
Aplicações Industriais
	O processo de mistura de sólidos granulados é uma técnica amplamente utilizada e que representa uma parte bastante importante de muitos processos industriais, uma vez que ela permite a movimentação de pós para que sejam facilitadas as taxas de transferência de calor e de massa, assim como a realização de reações químicas. [7]
	Em processos industriais, há muitos exemplos de uso de misturas de diferentes partículas, ou mais precisamente, sólidos multicomponentes, com ênfase nas indústrias bioquímica, alimentícia e farmacêutica.
	Nas indústrias farmacêuticas, sobretudo na linha de produção de sólidos orais, o comprimidos, a misturação acontece na etapa do processo produtivo conhecido como granulação, que pode ocorrer por via seca ou úmida. São utilizados no processo o misturador de tambor rotativo. O granulado a úmido é secado até uma faixa de umidade especificada e a mistura apenas de pós que é necessária para a produção de determinados produtos é realizada pelo misturador em V. [7]
	Já na indústria alimentícia, a variedades de misturadores são maiores, uma vez que existe uma infinidade de materiais que podem ser misturados, incluindo os produtos líquidos através do uso de misturadores de rosca e de produtos em pó, tais como refresco, achocolatados, chocolates e gelatinas, que são misturados através do misturador Ribbon Blender. [7]
	A mistura de sólidos também podem ser usada para a produção de membranas microporosas e mesoporosas, que são aplicadas em processos de separação, purificação e catálise, na qual a aplicação de membranas na microfiltração tem obtido êxito uma vez que a capacidade de separação depende de interações de equilíbrio de adsorção e de difusão no interior da membrana. [8]
Conclusão
O trabalho realizado mostrou-se ao relatar as diversas aplicações de misturas de sólidos na ausência de líquidos que fazem parte do dia-a-dia industrial, como também, da complexidade dessa operação que envolve sólidos de granulometria reduzidas ao ponto de ser necessário uma análise de características físicas e químicas dos mesmos para que a mistura se processe de forma mais eficiente possível visando o aprimoramento das propriedades relativas ao do material em produção.
	Esse processo é fundamental para uma ampla gama de indústrias de processos tradicionais, como a farmacêutica, a alimentícia e metalúrgica. Comumente, a operação é por lotes, mas as indústrias com o requisito de misturar grandes vazões de pós para produzir um produto de composição constante representam um setor importante. Daí uma característica que tende a estar presente apenas na mistura sólida é a segregação. Esta é a tendência das partículas para separar de acordo com o tamanho ou a densidade.
	A escolha do equipamento para a realização da mistura também se mostra importante uma vez que tais equipaentos contribuem par ao atendimento das necessidades especificas da produção, qualidade e, particularmente, das propriedades de cada material granulado. Assim, o mecanismo de mistura,seja ela difusão, covecção ou cisalhamento, opera em conjunto com o equipamento para que ao final da operação o produto obtenha propriedades uniformizadas.
	
REFERÊNCIAS 
[1] GOMIDE, Reinaldo. Operações Unitárias – Operações com Sólidos Granulares, Vol 1, São Paulo, 1983. p. 216 – 223.
[2] PALMA, G. L; JUNIOR-RONCHI, A. Indicadores da qualidade de mistura de sólidos particulados. In: VI Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, Campina Grande, PB, 2010. Atas... VI CNEM, Campina Grande, 2010.
[3] LACEY, P. M. C., B.Sc., A.C.G.I., D.I. The mixing of solids particles. Institution of Chemical Engineers. October, 1943. 
 [4] BLUMBER, G.; MARITZ, J. S., Mixing of solid particles. Chemical Engineering Science Vol.2, September, 1953. p. 240-246.
 [5] HANRBY, N; EDWARDS, M. F. and Nienow, A. W. Mixing in the Process Industries. Ed. 2º, 2002. p. 12-16.
[6] McCABE, Warren L.; SMITH, Julian C. and HARRIOTT, Peter. Unit Operations of Chemical Engineering. Ed 5º, 1993.
[7] PEREIRA, Felix Monteiro. Operações Unitárias II – Agitação e Mistura. Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo. Disponível em: https://sistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5817066/438/agitacaomistura.pdf. Acesso em: 31 de julho de 2017.
[8] SOUZA, Fabiano do V. Propriedades Estruturais de Misturas Binária de Sólidos. (Dissertação de Mestrado). Universidade Estadual de Campinas, São Paulo, 2001. p. 100.