Agitacao e mistura

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Operações Unitárias I – UNISO
Renata Miliani Martinez
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Objetivos
Mistura de líquidos miscíveis - soluções
Dispersão de líquidos imiscíveis - emulsões
Mistura de sólidos (pós secos) - comprimidos
Mistura de líquidos e sólidos - pastas e suspensões
Dispersão de gases em líquidos – aeração cerveja
Auxiliar na transferência de calor - convecção
Auxiliar na transferência de massa - convecção
Reduzir aglomerados de partículas - nanopartículas
Acelerar reações químicas 
Obter materiais com propriedades químicas diferentes das originais
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Misturas de sólidos
Elevação e queda das partículas 
Distribuição aleatória
Eixos helicoidais ou rotação vasilhas
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Exemplos agitadores para sólidos
Duplo cone
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Agitador em V
Exemplos agitadores para sólidos
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Misturadores de cintas (Ribbon Blender)
Exemplos agitadores para sólidos
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Misturadores cônicos de parafuso ou fita
Exemplos agitadores para sólidos
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Misturas de semi-sólidos (pastas)
Eixos em sentidos opostos que arrastam o material 
Mistura ocorre entre os eixos
Tensão elevada (necessita de paredes espessas)
Podem aquecer o material
Misturadores sigma
Misturadores planetários
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Mistura de líquidos
Tanque (reservatório) + rotor com eixo acionado por motor e moto-redutor de velocidade
Matérias-primas
Produto acabado
Tanque
Impelidor
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Funcionamento
Energia mecânica aplicada através de pás, turbinas e hélices 
Criação de correntes que atinjam todos os pontos do reservatório com turbulência
Mistura das correntes  regiões afastadas do impulsor
Tipo de fluxo depende: tipo de impulsor, características do fluido, tamanho e proporções do tanque, existência de defletores (chicanas)
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Tipos de fluxo
Radial: linhas de fluxo perpendiculares ao eixo do impulsor
Axial ou longitudinal: linhas de fluxo paralelas ao eixo do impulsor
Tangencial: linhas de fluxo circulares (ao redor do eixo do impulsor)
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Curvas de fluxo
Fluxo radial com impelidor no centro do tanque
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Características dos fluxos
Mistura eficiente: fluxo axial e radial (encontro de correntes oriundas de localizações diferentes)
Fluxo tangencial: pouca contribuição na mistura, provoca formação de vórtices ou redemoinhos
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Formação do vórtice
Como evitar:
- Uso de defletores (chicanas)
- Descentralizar o impelidor
 Usar o impelidor na horizontal
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Resumo dos tipos de fluxo
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Tipos de agitadores (impelidores)
Hélices: 
	- Produtos de baixa viscosidade (µ<50 cP)
	- Fluxo axial
	- Maior circulação que turbina
	- Usos: suspensão de sólidos, mistura de fluidos miscíveis, transferência de calor
	- Não promove cisalhamento
	- Dimpelidor << Dtanque
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Tipos de hélices
Hélice marinha:
	- Mistura de sólidos e emulsões
	- Nível médio de turbulência
	- Podem ser usados em alta velocidade
Impulsor Maxflo:
	- Alto bombeamento
	- Suspensão de sólidos abrasivos e gases
Impulsor Chemshear Impeller:
	- Pás grossas: Maior bombeamento
	- Pás finas: Maior cisalhamento
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Turbinas :
	- Fluxo radial
	- Alto cisalhamento 
	- Usados para diferentes tipos de materiais
	- Podem ser usadas em altas velocidades
	- Dimpelidor<<Dtanque
Tipos de agitadores (impelidores)
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Tipos de turbinas
Pás planas: 
	- Pode promover alto cisalhamento, mas alto gasto de energia
	- Usos: emulsão líq-líq e suspensão sólidos
	- Não recomendado para gases
Pás curvas:
	- Fluxo radial
	- Usos: altas velocidades, transferência de calor
Rushton:
	- Alto cisalhamento
	- Usos: líquidos imiscíveis e gases
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Tipos de turbinas
Smith: 
	- Usos: dispersão de gases, transferência de massa
	- Não é sensível a mudança de viscosidade
Pás inclinadas:
	- Regime laminar ou turbulento
	- Bom impelidor para produtos que alteram viscosidade com o tempo de processo
	- Usos: suspensão sólidos
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Pás:
	- Baixa velocidade de agitação
	- Usos: Misturas de fluidos muito consistentes
Tipos de agitadores (impelidores)
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Tipos de pás
Fita dupla helicoidal: 
	- Usos: fluidos alta viscosidade > 30000MPa (regime laminar)
	- Boa transferência de calor, mistura de líquidos e sólidos
Âncora:
	- Mais econômico dos impelidores
	- Usos: fluidos muito viscosos (regime laminar)
	- Comum instalar raspadores na parede para melhorar transferência de calor
	- Tempo de mistura> que dupla helicoidal
Impulsor de parafuso:
	- Usos: mistura de materiais sensíveis ao cisalhamento (polímeros), alta viscosidade
	- Bom bombeamento do topo a base
	- Fluidos pseudoplásticos
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Escolha do tipo de agitador
Alguns modelos preditivos, mas escolha depende da disponibilidade, tipo do material e velocidade de agitação requerida.
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Dimensionamento de sistema de agitação
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Relações geométricas típicas para diversos impelidores
D = diâmetro impelidor
W = largura da pá
L = comprimento da pá
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Análise através de números adimensionais
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Número de Bombeamento (NBO)
Q = taxa de bombeamento do impelidor (volume escoado por área do impelidor e por tempo)
N = Velocidade de rotação
D = Diâmetro do impelidor
Correlaciona a capacidade de bombeamento de diferentes impelidores com diferentes geometrias de tanques
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Número de Froude (NFR)
Incluído em correlações de Re e Np em sistemas sem chicanas (para Re>300)
N = Velocidade de rotação
D = Diâmetro do impelidor
g = força gravitacional (9,8 m/s²)
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Número de Mistura (NB)
N = Velocidade de rotação
θ = Tempo de mistura
Se NB for constante, o tempo de mistura é proporcional ao inverso da velocidade de rotação do impelidor
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Número de Potência (Np)
O cálculo pode ser feito de diversas maneiras, mas para regime turbulento em sistema homogêneo, a estimativa de potência é feita através de análise adimensional e/ou medidas experimentais de torque
N = Velocidade de rotação
D = Diâmetro do impelidor
P = Potência do equipamento
ρ = Densidade
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Número de Reynalds (Re)
N = Velocidade de rotação
D = Diâmetro do impelidor
µ = Viscosidade
ρ = Densidade
Regime laminar Re<10
Regime turbulento Re>10000
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Para Re>300
Correlações Re x NFR x Np
Cada tipo de impelidor tem um gráfico
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Correlações Re x Np
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Correlações Re x Np
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Estimando tempo de mistura
Tm = Tempo de mistura (tempo necessário para atingir homogenidade da mistura)
Tc = Tempo de circulação (tempo necessário para que o produto a ser misturado circule em todo o tanque)
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Não existe uma única correlação universal para tempo de mistura
Geralmente, tempo de mistura pode ser correlacionado com tipo de fluxo e características da mistura (tamanho do tanque e do impelidor, viscosidade do líquido e velocidade de agitação)
Estimando tempo de mistura
Para líquidos pouco viscosos: Tm = 4Tc
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Tempo de mistura para líquidos viscosos
	Turbina de Rushton, impelidor com 1/3 do diâmetro do tanque, localizado a 1/3 da altura do tanque. Altura do líquido igual ao diâmetro do impelidor, 4 chicanas com 1/10 do diâmetro do tanque
Fonte: C. J. Hoogendoorn and A. P. den Hartog. Model studies on mixers in the viscous flow region. Chem. Eng. Sci. 22, 1689-1699. 1967 
= Diâmetro tanque 1,8 m. Método térmico.
= Diâmetro tanque 0,24 m. Método térmico.
= Diâmetro tanque 0,24 m. Método descoloração.
Para Re > 5x10³: Ni Tm é constante.
Assim, para turbina de Rushton e Re>5x10³:
Re= 5x10³
V = volume líquido
Di= diâmetro impelidor
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Fluidos não Newtonianos
Padrão de escoamento complexo: perto da pá a velocidade é grande e viscosidade aparente é baixa. Perto das paredes a velocidade diminui e viscosidade aparente aumenta.
Assume-se agitação homogênea, e taxa de deformação média:
 
β depende do tipo de impelidor
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Fluidos não Newtonianos
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Fluidos com alta viscosidade em regime
laminar
Relações Empíricas
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Intensidade de agitação de um fluido
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Mais de um impulsor no eixo
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Tanque e impulsor não padronizados
Neste caso aplica-se fator de correção (fc)
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Usar gráfico de Ohyama e Endoh (Aiba) ou o gráfico de Calderbank (Mc Cabe)
Sistemas gaseificados