Agitação & Misturas (1) (1)

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Agitação 
 &
 Misturas
Elizângela Marly L. de Oliveira Ra: 209876
Francielen R. Andrade Ra: 206562
Lidiane A. Silva Ra: 210125
Jhol Wagner Veloso Ra:193773
Docente: Maria de Fátima Cabral Pedrosa Sato. 
Araçatuba, 13 de Maio de 2021
Definindo...
Agitação induzir o movimento do fluido em uma direção específica, usualmente no interior de um tanque, por meio de impulsores giratórios, produzindo um perfil circulante;
Mistura produzir uma distribuição aleatória e com certo grau de homogeneidade de duas ou mais fases ou substâncias, inicialmente separadas, dentro ou por meio de outra fase ou substância. 
Homogênea: gás-gás, líquido-líquido (miscível);
Heterogênea: sólido-líquido (açúcar, farinha, manteiga, leite).
Agitação ≠ Mistura
Ex: material homogêneo, como um tanque com água pode ser agitado, enquanto um material em pó pode ser misturado à água.
Objetivos 
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);
Objetivos
 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.
Agitação de Líquidos 
Visa
Acelerar as taxas de transferência de calor e massa
Facilitar a ocorrência de reações químicas
Suspender partículas sólidas em um meio líquido
 Misturar líquidos miscíveis
Dispersar gases em líquidos
Dispersar um segundo líquido, imiscível com o primeiro, para formar uma emulsão
Exemplos de uso da Agitação de Líquidos
Circulação de líquidos em tachos fermentadores;
Tanques de retenção de produto em processamento;
Tanques de extração ou cozimento;
Hidrogênio em reatores de hidrogenação de gorduras;
Tanques com agitadores no tratamento térmico por batelada de leite.
A agitação de líquidos normalmente ocorre em tanques ou vasos cilíndricos com agitador acoplado;
É formando um sistema constituído de: 
um tanque ou reservatório com instalações auxiliares;
um rotor ou impulsor instalado em um eixo e acionado por um sistema de motor e redutor de velocidades; e 
defletores (estes são opcionais, que são placas planas instaladas junto a parede do tanque com o objetivo de eliminar a formação do vórtice ao redor do eixo. 
MOTOR
REDUTOR DE VELOCIDADE
EIXO
IMPULSOR
VÁLVULA DE DRENAGEM
CAMISA DE AQUECIMENTO OU RESFRIAMENTO
DEFLETOR
Configuração típica de um tanque cilíndrico com agitador acoplado
Impulsores: características e usos
 Impulsor popularmente conhecido com “agitador”, é responsável pela circulação do líquido no tanque.
 Logo, para atender as diferentes aplicações, existem vários tipos de impulsores; os mais comuns estão agrupados em duas categorias:
Agitadores desenhados para líquidos de baixa a moderada viscosidade;
 Agitadores para líquidos viscosos.
Hélice Marinha
Turbina ponta de lança
Turbina Rushton
Turbinas de pás retas
Turbina de pás inclinadas
Turbina de pás curvas
Impulsores empregados para líquidos de baixa e moderada viscosidade
Âncora
Dupla fita helicoidal
Parafuso
Impulsores empregados para líquidos viscosos
Quanto aos tipos de impulsores...
A classificação ocorre de acordo com o escoamento que produzem: 
Impulsores de fluxo axial geram correntes paralelas ao seu eixo.
Impulsores de fluxo radial geram correntes em uma direção radial ou tangencial.
 Também ser classificados como impulsores que geram alto ou baixo cisalhamento, alta ou baixa turbulência.
Observar os padrões de escoamento gerados por impulsores em um tanque, pois essas características definem a aplicabilidade dos mesmos para os diversos objetivos a serem atingidos. 
Uma das propriedades mais importantes para a sua seleção é a viscosidade aparente do meio.
	Tipo de Impulsor	µap [Pa.s]	VL (µap) [m3] (Pa.s])
	Âncora	20 - 103	0,040 (1000) - 380 (1000)
	Hélice (1750 rpm)	10-3 - 10	0,040 até 0,25 (10) - 380 (10-3)
	Hélice (1150 rpm)	10-3 - 10	0,227 (10) - 38 (10-3)
	Hélice (420 rpm)	10-3 - 10	0,75 (10) - 380 (10-3)
	Turbina de pás planas	10-3 - 30	0,040 - 380
	Pás	0,1 - 30	0,040 (80) - 380 (10)
	Grade	1 - 100	-
	Parafuso helicoidal	3 - 300	-
	Fita helicoidal	10 - 2000	0,040 (1000) - 380 (10)
Fonte: Gupta (1979) e Penny (1970)
Faixas de volume de líquido agitado indicadas para cada tipo de impulsor em função da viscosidade do líquido
Padrões de escoamento em função do tipo de impulsor
Turbinas de pás e disco (padrão de fluxo radial)
Hélices (padrão de fluxo axial)
 Em razão da grande aplicação de alguns tipos de impulsores...
é utilizado geralmente para agitação de fluidos de baixa viscosidade (μ < 5 x 10-2 Pa.s), ainda que possa ser utilizado para líquidos com viscosidades maiores e apresente maior circulação (escoamento axial) do que uma turbina.
 Principais aplicações: suspensão de sólidos, agitação de fluidos miscíveis e aumento da taxa de transferência de calor. Não fornece tensão de cisalhamento. O diâmetro do agitador é menor que o diâmetro do tanque e é utilizado para uma ampla faixa de frequência rotacional.
Tipo Hélice
Adequados para agitação tanto de fluidos pouco viscosos quanto para fluidos muito consistentes, para dispersão de gases em líquidos, dispersão de gases e para promover a transferência de calor. 
Operam com Da << Dt e altas frequências rotacionais, geralmente em regime de escoamento de transição ou turbulento. Podem gerar escoamento radial e promovem alta-tensão de cisalhamento nas pontas do impulsor.
Pás inclinadas sobre o eixo escoamento axial e são úteis para suspensão de sólidos
Pás retas agitação de fluidos viscosos
Tipo Turbina
Agitador de turbina de Rushton impulsor tradicionalmente utilizado para dispersão de gases em líquidos, já que sua geometria é responsável por uma zona de alta turbulência atrás de cada lâmina. 
Turbina de pás retas boa agitação, porém com alto consumo energético quando uma alta-tensão de cisalhamento é requerida. É utilizado para produzir emulsões líquido-líquido.
Turbina de pás curvas impulsor menos agressivo, boa opção para fluidos sensíveis ao cisalhamento, gerando um bom escoamento radial.
Impulsores de fluxo duplo ou escoamento em contracorrente são utilizados para misturas especiais e fluidos que apresentam comportamento pseudoplástico com altos valores de índice de consistência de (25 a 75) Pa.sn e com índice de escoamento variando entre 0,1 e 0,5.
Tipo Pás agitação de fluidos com alta viscosidade aparente. 
Formas diversas: Utilizados para fluidos com alta viscosidade aparente parafusos, de fita helicoidal, que pode ser simples ou dupla, grades fixas e rotatórias, barras, âncoras, entre outras. Em geral operam em baixas frequências rotacionais e o diâmetro desses impulsores abrange quase todo o diâmetro interno do tanque, de modo a permitir a raspagem da parede e agitar toda a massa de fluido.
Misturadores para pós secos
Princípio da elevação e queda das partículas, que ao cair se espalham de maneira aleatória.
 São empregados eixos helicoidais ou então simplesmente rotação de vasilhas.
Misturador Mudança de vasilhas.
Mecanismo de mistura em sólidos
Difusão (tombamento): as partículas são reorientadas umas em relação às outras devido à modificação de suas posições relativas aos conjuntos de partículas (todo). Ex: misturadores em V, cones duplos, misturadores de tambores. Ideal para sólidos com tendência a coesão.
Convecção (revolvimento): Grupos de partículas movem-se de um ponto a outro do sólido granular, como na convecção fluida, originando a mistura convectiva. Utilizados para sólidos e pastas. Ex: misturadores de fitas, misturadores amassadores, misturadores helicoidais,etc. Ideal para sólidos com tendência à segregação.
Corte: tensões de cisalhamento (corte) dão origem a zonas de deslizamento e de mistura onde ocorre a troca de partículas entre as camadas.
Dimensionamento de um sistema de agitação
O conjunto conhecido como tanque agitado normalmente consiste em um tanque cilíndrico, um ou mais impelidores, um motor e, usualmente, chicanas.
Alguns tanques são providos de serpentinas ou camisas para promover a troca térmica.
Análise de processo atraves de números adimensionais
Alguns 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.
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 )
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
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.θ
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 experimentais dos torque. 
Np = P/(ρN3D5 )
Número de Reynolds (Re): 
Define o regime de escoamento: laminar (<10) ou turbulento (>10.000) Re = 
D2Nρ/μ
Fluidos não newtonianos
O padrão de escoamento dos fluidos não newtonianos é complexo, perto das pás, o gradiente de velocidade é grande e a viscosidade aparente e baixa. A medida que o líquido se afasta das pás, a velocidade decresce e a viscosidade aparente aumenta. Na prática se assume que a agitação é homogênea e que há uma taxa de deformação média para o sistema e que ela é função de:
γ=f
A taxa de deformação será calculada como:
γ=βN
β depende do impulsor
Ampliação de escala no projeto de agitadores:
Os principais fatores que afetam a seleção de equipamentos são:
 Exigências do processo;
 Propriedades do escoamento do fluido do processo;
 Custo dos equipamentos;
 Propriedades dos materiais de construção dos equipamentos. 
O melhor agitador é aquele no qual a mistura ocorre num dado tempo com a menor potência, ou aquele que mistura mais rápido a uma dada potência. 
Em muitos casos, o principal objetivo apresentado em um processo de agitação é um dos seguintes: 
igual movimentação de líquido;
igual suspensão de sólidos ou taxas de transferência de massa iguais. 
Mistura:
A mistura é muito mais difícil de descrever e estudar do que a agitação.
Os tipos de fluxos e a velocidade produzidos pela agitação embora complexos, são razoavelmente definidos e reproduzíveis e a potência pode ser medida prontamente. 
Resultados de estudos de mistura são difíceis de reproduzir e dependem muitas vezes de como é definida a mistura pelo experimentador.
Com muita frequência o critério é visual, porém outros métodos são utilizados com objetivos específicos.
 Exemplos: pela mudança de cor em uma reação ácido-base com indicador,
pode-se medir o tempo de mistura; em misturas sólido-líquido a uniformidade da suspensão é observada visualmente. 
Mistura de líquidos miscíveis:
Se o escoamento for turbulento a mistura é bastante rápida.
 O agitador produz correntes de altas velocidades e o fluido é misturado melhor próximo ao agitador devido a alta turbulência. Como as correntes se movem na direção das paredes, ocorre uma mistura radial, porém essa mistura é pequena na direção do fluxo. Quando o fluido completa uma volta, ele retorna ao centro do agitador e a mistura intensa ocorre novamente.
 Cálculos indicam que para que 99% da mistura ocorra, é necessário circular o conteúdo do tanque 5 vezes. 
Outros tipos de agitadores são preferidos para a mistura de certos líquidos.
Agitadores com fita helicoidal apresentam menor tempo de mistura para mesma potência quando usado com líquido viscoso, mas são mais vagarosos que turbinas para líquidos menos viscosos.
 Agitadores de hélices apresentam tempo de mistura maiores em comparação com turbinas, mas o consumo de potência é menor para a mesma velocidade do agitador. 
Quando bolhas de gases, gotas de líquidos, ou partículas sólidas são dispersas num líquido, o tempo de “mistura” para fase contínua é aumentado, mesmo se a comparação é feita com a mesma potência fornecida. O efeito aumenta com a viscosidade, e para líquidos viscosos o tempo pode ser duas vezes o normal, quando o “hold-up” de gás é 10%. 
Consumo de Potência 
Para eliminar a energia necessária utilizam-se correlações empíricas de potência com outras variáveis do sistema.
A forma destas correlações é encontrada através de análise dimensional.
A potência é função das seguintes variáveis...
 n, Da, µ, p, g.
Potência
Através da Análise Dimensional: 
Número de potência: 
Número de Reynolds:
Número de Froude:
Potência
NP é proporcional a razão da força de arraste agindo sobre unidade de área do impulsor.
O número de potência (Np) é análogo ao coeficiente de arraste ou fator de fricção.
Número de Reynolds: 
Re< 10 escoamento viscoso
Re > 10 4 escoamento turbulento
Número de Froude é uma medida da razão da força inercial pela força gravitacional por unidade de área agindo no fluido.
Misturador De Fármacos
Os homogeneizadores em V são equipamentos indicados para realização do processo de mistura de alimentos, farináceos, suplementos, aditivos, plásticos, sais minerais, vitaminas, pigmentos, cosméticos, detergentes, fertilizantes, corantes, produtos farmacêuticos, químicos e ainda muitos outros mais. 
Misturador em Y
Usados para pó descolorante.
Misturador de tinta Industrial
Agitador de Geocálcio
Referências Bibliográficas
FONSECA, Vitor Ferreira da M. L. Agitação e Mistura. Universidade de São Paulo - Escola de Engenharia de Lorena. Departamento de Engenharia Química. Operações Unitárias I. Supervisão e revisão: CARVALHO, Lívia C. Lorena, março de 2019. Disponível em:< https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/4601215/mod_resource/content/0/Apostila%20de%20Opera%C3%A7%C3%B5es%20Unit%C3%A1rias%20I%20-%20Agita%C3%A7%C3%A3o%20e%20Mistura_rev_mar_2019.pdf >. Acesso em: 07 maio 2021.
PEREIRA, Félix Monteiro. Operações Unitárias II: Agitação e Mistura. Escola de Engenharia de Lorena. Universidade de São Paulo. Disponível em:< http://www.dequi.eel.usp.br/~felix/agitacaomistura.pdf >. Acesso e,: 07 maio 2021. 
MARTINEZ, Camila Ortiz. Operações unitárias: agitação e mistura. UTFPR Campo Mourão. Disponivel em: <https://docplayer.com.br/60311642-Operacoes-unitarias-agitacao-e-mistura-profa-dra-camila-ortiz-martinez-utfpr-campo-mourao.html>. Acesso em: 07 maio 2021.
Por hoje é só...