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AGITAÇÃO E MISTURA
É uma das operações mais antigas e mais comuns na engenharia
química.
Seu entendimento ainda é limitado (área em expansão).
I. INTRODUÇÃO
Seu entendimento ainda é limitado (área em expansão).
Embora:
-a eficiência e o consumo de energia dependem de princípios
básicos da mecânica dos fluidos, as condições de escoamento nos
tanques típicos são complexas tornando-se impossível esta
aplicação.
-Devido a complexidade, utiliza-se aproximações empíricas.
INTRODUÇÃO (continuação)
Exemplos de aplicação:
- Dispersão de um soluto no solvente;
- Mistura de dois líquidos miscíveis;- Mistura de dois líquidos miscíveis;
- Produção da suspensão de um sólido finamente dividido
num líquido;
- Mistura dos reagentes num reator químico;
- Agitação de um líquido homogêneo para melhorar a
transferência de calor para o líquido
AGITAÇÃO
Conceito: A agitação refere-se ao
movimento induzido em um fluido por
meios mecânicos em forma
determinada, geralmente circulatória,
dentro de um recipiente. Desta forma,
o fluido pode circular no recipiente ou
AGITAÇÃO x MISTURA
o fluido pode circular no recipiente ou
apresentar outro padrão de fluxo.
MISTURA
Conceito: Já a mistura, está normalmente relacionada ao
movimento aleatório de duas ou mais fases inicialmente separadas,
que são aleatoriamente distribuídas dentro ou através de uma da
outra..
Observação: Pode-se agitar uma só
substância homogênea.
“... ao tratarmos de agitação iremos considerar uma única fase e
nos processos de mistura consideraremos que os componentes
se apresentam em duas ou mais fases...”
Nestes processos a mistura resultante podem ainda ser classificadaNestes processos a mistura resultante podem ainda ser classificada
como:
• Homogênea: gás-gás, líquido-líquido (miscível);
• Heterogênea: sólido-líquido
• Propriedades mais importantes dos materiais, que podem
influenciar a facilidade da mistura para fluidos e sólidos...
• Fluidos:
- viscosidade, massa específica, relação entre as massas
específicas e miscibilidade.específicas e miscibilidade.
• Sólidos:
- Finura (diâmetro de partícula); massa específica; relação entre as
massas específicas; forma; aderência e molhabilidade.
1. Dissolução de açúcar, amido, sal, ácidos, etc.
2. Tachos de tratamento térmico, extração e cozimento
3. Tanques de mistura na preparação de alimentos (sorvetes)
Aplicação
3. Tanques de mistura na preparação de alimentos (sorvetes)
4. Amassadeiras para massas de panificação
5. Tanques de lavagem de material
6. Tanques de retenção de produto em processamento
7. Tanques de recirculação de salmouras para refrigeração
8. Tanques de aeração (tratamento biológico de efluentes)
9. Suspensão de sólidos para arraste por bombeamento.
10. Dispersão de gás em reator (hidrogenação de gorduras)
11. Circulação de líquidos em fermentadores
Conceitos básicos de reologiaConceitos básicos de reologia
(breve revisão de Fenômenos
de Tranportes)
- Do fluido :  ,  , miscibilidade;
- Do sólido : tamanho, s, forma, rugosidade e molhabilidade
I.1 Propriedades que influenciam na operação
A) Ideal:  = 0 e, portanto,  = 0 em qualquer ponto.
B) Dilatante: A m  com o aumento da taxa de
cisalhamento. Ex: algumas soluções de açúcar e de
amidos.
C) Newtoniano: Nesse grupo pertence a maioria dos
Lembrando MecFlu:Reologia
C) Newtoniano: Nesse grupo pertence a maioria dos
fluidos práticos, como: água e soluções aquosas,
óleos, etc.
D) Pseudo-plásticos: A   com o  da taxa de
cisalhamento. Ex: alguns produtos alimentícios,
massas de cerâmica e de cimento.
E) Plástico: Esse é um modelo de fluido plástico com
características de aumento da viscosidade com
aumento da taxa de cisalhamento.
F) Plástico de Bingham: É o comportamento aproximado
de produtos alimentícios com alto teor de gordura. Ex:
chocolate, manteiga, margarina.
G) Modelo de Casson: Características plásticas, com
redução da viscosidade no aumento da taxa de
cisalhamento. Ex: sangue e iogurtes.
Que necessidade empregar esta operação?
Propósitos da agitação:
• Dispersão (mistura) de líquidos e sólidos para formação de uma
suspensão;
• Dissolver líquidos miscíveis (mistura de água e álcool metílico);
• Dispersão de um gás através de um líquido na forma de pequenas
bolhas;
• Dispersão de líquidos imiscíveis, para a formação de emulsão ou
suspensão de gotículas muito finas;
Vários tipos de rotores (Foust et al., 1980)
suspensão de gotículas muito finas;
• transferência de calor entre líquido e superfície aquecida, tal como
serpentina, camisa de aquecimento, etc.
Características:
TANQUE AGITADO Impulsor
instalado em
um eixo.
Acionado por
um sistema
de motor e
redutor de
velocidade.
Tanque
Chicanas ou defletores
• Tanques cilíndricos verticais, abertos ou
fechados (para evitar presença de ar);
• Base do tanque arredondada, para evitar
regiões mortas ou cantos;
• Altura do líquido = diâmetro do tanque;
• Agitador na parte superior;
• Caixa de engrenagem para redução de
velocidade (nem sempre necessária).
TANQUE AGITADO
1. Um tanque ou reservatório
2. Um rotor (impulsor) acoplado a
um eixo acionado por um moto-
redutor de velocidade;
3. Local para termômetro;
4. Entrada/saída (batelada ou
Acessórios:
4. Entrada/saída (batelada ou
contínuo);
5. Serpentina ou camisa de
aquecimento ou resfriamento;
6. Agitadores para fazer com que
o líquido circule através do
vaso;
7. Chicanas são usadas para
reduzir o movimento tangencial
Tipos de agitadores
(impulsores)
Tipos:
propulsores, pás e turbinas...
(a) Propulsor marinho
de três pásde três pás
(b) turbina de pá fina aberta
(c) turbina de disco
(d) turbina vertical de pás curvas
Propulsores
Para líquidos muito
viscosos, os mais usados
são os propulsoressão os propulsores
tipo hélice e os
agitadores âncora
Propulsores(Propulsor marinho )
Empregado quando se deseja correntes verticais
intensas. Ex: manter sólidos em suspensão.
• Fluxo axial;• Fluxo axial;
• Agitadores de alta velocidade para líquidos de
baixa viscosidade;
• Pequenos: 1150 ou 1750 rpm;
• Grandes: 400 a 800 rpm.
• Este tipo de agitador cisalha o líquido
vigorosamente
Agitadores 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• Fluxo radial interno próximo as pás, praticamente
não gera fluxos verticais;
• Não são utilizados para manter sólidos em
suspensão;
• Agitação em tanques profundos requer vários
conjuntos de pás;
• Velocidade: 20 a 150 rpm;
• Comprimento das pás: 50 a 80% do diâmetro do
tanque;
Agitadores do tipo Turbinas:
• 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;
• Velocidades elevadas;• Velocidades 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 e outra para
cima, e ambas retornam para o centro
Agitadores tipo Turbinas
• São eficazes para amplo intervalo de viscosidade;
• Velocidades elevadas;
• Produzem fluxos radiais e verticais
• http://www.dciinc.com/products/images/agitation.png
Agitação
• Quando o agitador está disposto no centro a componente
tangencial é prejudicial à mistura.
• O fluxo tangencial segue uma trajetória circular ao redor do eixo
e cria vórtices no tanque de agitação.
PROBLEMAS...
• Estratificação permanente em vários níveis.• 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 à parede e descerem, acumulando-
se embaixo do agitador.
• Ao invés de se obter mistura haverá
concentração de sólidos.
• O vórtice pode ser tão grande que o agitador fica
descoberto.
• Oscilação de massa flutuante.
O problema de formação de vórtice
Solução: Alocação de chicanas (defletores)
4 defletores igualmente
espaçados Wb
Defletores tão finos
como possível
Hi
Tanque agitado.
H= altura de líquido no tanque,
T= diâmetro do tanque,
D= diâmetro do impulsor,
N= número de revoluções,
Hi= distância do fundo ao impulsor,
Wb= largura dos defletores
Impulsores para fluidos pouco viscosos
Tipos de impulsores:Tipos de impulsores:
1. para líquidos pouco viscosos
2. Para líquidos muito viscosos
Turbina de disco de Rushton
L= D/4; W=D/5 e D do disco= 3/4
Impulsor de três pás inclinadas (“hydrofoil”)
Vários ângulos e inclinações de pás
Hélice
Pitch = 1,5
Pás inclinadas
W=D/5; ângulo=45º
Impulsores para fluidos muito viscosos
Âncora
W= D/10 e h= H
Espiral dupla
Di= D/3; W= D/6
Fluxo e velocidade em tanques
agitados
O fluxo depende de fatores como:
• Tipo de lâmina, agitador
• Características do fluido
• Tamanho e proporções do tanque
• Existência de placas defletoras (chicanas) e agitadores.
A velocidade do fluido tem três componentes:
1. radial : correntes perpendiculares ao eixo do agitador
2. axial ou longitudinal : correntes paralelas ao eixo do agitador
3. tangencial ou rotacional : correntes tangentes ao eixo do
agitador; responsável pela formação do vórtice.
PADRÕES DE ESCOAMENTOPADRÕES DE ESCOAMENTO
Intermediário
Conceitos específicos sobre os
agitadores:
IMPULSOR DE HÉLICE:
Para fluidos de baixa viscosidade (  2 Pa.s).Para fluidos de baixa viscosidade (  2 Pa.s).
O padrão de circulação axial.
Suspensão de sólidos, mistura de fluidos miscíveis e
transferência de calor.
Possui uma ampla faixa de rotações
D  T
IMPULSOR TIPO TURBINA DE PÁS RETAS:
Grande intervalo de viscosidade: 10-3 << 50 Pa.s.
(1 << 50 000 centipoises)
Os impulsores com pás inclinadas apresentam
escoamento axial que é útil para suspensão de sólidos,
e os de pás planas verticais fornecem escoamento
radial adequado para agitação de fluidos viscosos.radial adequado para agitação de fluidos viscosos.
TURBINA RUSHTON:
Estas turbinas de disco e pás são adequadas para
agitação de fluidos poucos viscosos e alta velocidade.
Se usam na dispersão de gases em líquidos, na dispersão
de sólidos, na mistura de fluidos imiscíveis, e na
transferência de calor.
Distribuem a energia de maneira uniforme. O padrãoDistribuem a energia de maneira uniforme. O padrão
de escoamento é misto.
D  T
IMPULSORES DE ANCORA E HÉLICE:
Utilizados para mistura de fluidos muito consistentes.
Viscosidades entre 5 e 50 Pa.s.
Os mais comuns os são o tipo âncora e o helicoidal.
O agitador de âncora fornece um escoamento radial e
o helicoidal escoamento mistoo helicoidal escoamento misto
D≈T
Tipodeagitador
Helicoidal
Pá em Z
Amassadeira
Escolha do tipo de agitador
Ainda hoje o processo de escolha do agitador apropriado,
é considerado uma “arte”.
Tipodeagitador
Viscosidade (Pa.s)
Hélice
Turbina
Âncora
Helicoidal
10410310210110010-110-210-3
Intervalo de viscosidade
Tipo de impulsor Viscosidade
(centipoises)
kg/m.s
Âncora 32
10210  210 1

Hélice 40
1010  13
1010 
Turbina 40
10310  13
10310 Turbina 40
10310  13
10310 
Pás 42
10310  11
10310 
Parafuso helicoidal 53
103103  2
1033 
Banda dupla helicoidal 64
10210  31
10210 
Extrusor 6
10 3
10
Cálculo da potência de agitação
Podemos imaginar um agitador
de líquido como um sistema de
escoamento horizontal e circular
em que após um certo tempo o
fluido retorna ao mesmo lugar de
partida. E aplicar a esse sistemapartida. E aplicar a esse sistema
a equação do balanço de
energia mecânica (Bernoulli):
1 2
fEˆWˆ
u 
P1= P2
z1 = z2
v1 = v2
f
2
2
2
2
u
2
1
1
1
E
2
v
gz
P
W
2
v
gz
P ˆˆ 

Cálculo da potência de agitação
Após cancelar termos da equação
de Bernoulli de Engenharia temos:
P1= P2
z1 = z2
v1 = v2
m

u
u
W
Wˆ fEˆWˆ
u 
1 2
2
ˆ
2
v
D
L
D
L
fE
eq
f 









2
2
v
D
L
D
L
f
m
W equ












0)/(  DLeq
Assumindo temporariamente que:
)(
2
W 2
u Avv
f
 
E considerando que
Av  m
DL 
2DD
fEf 




Se:
D = diâmetro do impulsor
N = revoluções por segundo.
Podemos assumir que:
v  ND
A  D2
)(
2
W 2
u Avv
f
 
)(
2
3
Av
f
Wu  
23
)(
2
DND
f
Wu  
Podemos definir que: 2
NPo = f (Re, impulsor, defletores, adimensionais geométricos)
 53
DNNW Pou
NPo = Número de potência

 53
uW
DN
NPo




)(
Re
NDD
Podemos definir que:
Impulsores padrão,
semelhança
geométrica
Númerodepotência

 53
DN
W
N u
Po

Figura 5. Número de potência versus
Reynolds para diversos impulsores

 2
Re
DN 

Número
Número de Reynolds
Na região laminar (Re  10): Npo = KL / Re
Na região de turbulência: Npo = KT.
Declividade=70
5
4
1,2
Declividade=50
54,0
33,053,028,0
150
b
i
Po n
WhpH
N 

















Helicoidal:
No caso de agitadores para fluidos de alta
viscosidade deve-se usar relações empíricas:
Re
bPo n
DDDD
N 
















48,031,0
Re
85














D
h
T
H
N i
Po
Âncora:
Hi = distância entre agitador e fundo do tanque
D = diâmetro externo do impulsor
54,0
33,053,028,0
Re
150
b
i
Po n
D
W
D
h
D
p
D
H
N 

























Helicoidal
48,031,0
Re
85














D
h
T
H
N i
Po
Âncora:
D = diâmetro externo do impulsor
p = “pitch” (distância entre linhas de fluxo)
h = altura do agitador
W = largura das pás
nb = número de pás
Equações válidas para regime laminar, que
geralmente é o caso das aplicações.
Dimensões padrão:
• Número de defletores = 4
• D = 1 , Hi = 1, H = 1, wb = 1
T 3 D T D 10
• wb = 0,2 e L = 0,25 para turbinas
D D
• wb = 0,25 para pás
4 defletores igualmente
espaçados Wb
• wb = 0,25 para pás
D
• wb = 0,2 - 0,25 para hélices
D
Onde:
w = altura das pás do impulsor
L= largura das pás do impulsor
L
W
Hi
O gráfico de Npo versus Re que se empregará
nos exemplos desta aula é um gráfico mais geral
que plota  versus Re.
Fluxo
Quando os tanques tem defletores:
  NPo
Re)log( 10
1

 a
po
b
Fr
N

Quando os tanques de agitação não possuem
defletores ou chicanas temos o efeito do vórtice.
Neste caso se usa:
A correção precisa ser feita quando Re  300 e
resulta importante quando Fr  5.
O número de Froude quantifica a relação entre a
energia cinética e a energia potencial.
Re)log( 10
1

 a
po
b
Fr
N

energia cinética e a energia potencial.
hg
v
Fr
2

Os valores dos parâmetros a e b são constantes:
1 a  2 podemos considerar a=1.5
18  b  40 podemos considerar b=29
g
DN
Dg
ND
agitaçãoFr
22
)(

FLUIDOS NÃO NEWTONIANOSFLUIDOS NÃO NEWTONIANOS
O padrão de escoamento desses fluidos é complexo, porque
perto das pás, o gradiente de velocidade é grande e a
viscosidade aparente é baixa.
A medida que o líquido se afasta das pás, a velocidade
decresce e a viscosidade aumenta. Portanto, assume-se que
a agitação é homogênea e há uma taxa de deformação
média para o sistema.
tanque)dogeometriaeagitadordetipo(N,f
N 
média para o sistema.
Essa taxa de deformação será função de:
A taxa de deformação será calculada como:
Impulsor Valor de 
Turbina de disco
de 6 pás
11,5
Turbina de 6 pás
– inclinação 45º
13
Tabela de valores de :
– inclinação 45º
Hélice 10
Helicoidal
Âncora
0,1640,026para11434 












D
H
D
H ii
0,130,02para17233 












D
H
D
H ii
Muitos fluidos alimentícios comportam-se como
fluidos lei da potência, com o qual: n
k 
1
 n
ap k 
222
Re 
DNDND 
ou ainda
O número de Reynolds da lei de potencia se calcula
como:
211
)(
Re 
 nnn
ap
lp
Nk
D
Nk
NDND






Usamos o gráfico de Rushton e
Relp substitui o número de
Reynolds de agitação de fluidos
newtonianos.
Intensidade de
agitação de um fluido
Potencia
Volume
Para obter a relação (potência/volume) pode ser
usada a tabela seguinte:
Volume
Nível ou grau
de agitação
Watts
m3
HP
m3
Até 80 até 0.1 Débil
V
Wu

80 - 230 0.1 - 0.3 Suave
230 - 460 0.3 - 0.6 Média
460 - 750 0.6 - 1.0 Forte
750 - 1500 1 – 2 Intensa
1500 - 2250 2 – 3 Muito forte
2250 - 3000 3 - 4 Muito intensa
valor mais usual
Fatores de correção dos cálculos de agitadores:
1. Quando existe mais de um impulsor no eixo:
caso típico quando há transferência de calor.
Procedimento:
Neste caso:
Hl  T, onde Hl é a distância entre os agitadores
Hl
AGITADOR
o
TOTAL agitadoresden uu WW  
Hl
Procedimento:
A potência útil por impulsor
unitário se calcula da maneira
usual para agitador de medidas
padrão.
Hl
Hl
2. Quando o tanque e o impulsor tem medidas
diferentes das medidas padrão.
Quando as relações geométricas diferem um pouco das
medidas aplica-se um fator de correção (fc) desenvolvido
pelos pesquisadores dessa operação unitária.
HT 
WfcW ucorrigidau
 
PADRÃOPADRÃO
REALREAL
D
H
D
T
D
H
D
T
fc

























WfcW ucorrigidau 
3
D
H
PADRÃO






Geralmente: 3
D
T
PADRÃO






(3) O sistema é gaseificado.
Quando o sistema é gaseificado, usa-se o gráfico de Ohyama
e Endoh (Aiba) ou o gráfico de Calderbank (Mc Cabe):
gás)semlíquidoparacalculadauW(
W
g,W
g,W 










u
u
u
Número de agitação:
NQ = q/nDa
3
q = Vazão (ft3/s)
n = velocidade
rotacional (r/s)
Da = Diâmetro do
impulsor
NQ = q/nDa
P =Potencia com gás
Po= Potencia sem gás
Velocidades
Padrão (RPM)
30
37
45
56
68
84
100
Motores Padrão
Disponíveis
HP kW HP kW
1 ½ 1.12 75 56
2 1.49 100 74.6
3 2.24 125 93.3
5 3.73 150 112
7 ½ 5.6 200 149
10 7.46 250 187
125
155
190
230
420
...
1150
1750
3400
10 7.46 250 187
15 11.2 300 224
20 14.9 350 261
25 18.7 400 298
30 22.4 450 336
40 29.8 500 373
50 37.3 600 448
60 64.8
AMPLIAÇÃO DEAMPLIAÇÃO DE
ESCALAESCALA
Variáveis de Mistura Tanque
1
Tanque
2
Tanque
3
NRe 172 345 688
NFr 3.5 1.75 0.87
NWe 3700 7500 1500
Velocidade do Eixo (m/min) 305 305 305Velocidade do Eixo (m/min) 305 305 305
W/V (kW/m3) 13.65 6.86 3.675
W (Watts) 127 516 2200
ND3 (m3/min) 0.56 2.23 9.0
AMPLIAÇÃO DE ESCALA (1)AMPLIAÇÃO DE ESCALA (1)
No desenvolvimento de processos, precisa-
se passar da escala de laboratório para a
escala de planta piloto e desta para o
tamanho industrial.
As condições que tiveramAs condições que tiveram
sucesso na escala menor
devem ser mantidas no
tamanho maior, além de
ser conservada a mesma
semelhança geométrica.
AMPLIAÇÃO DE ESCALA (2)AMPLIAÇÃO DE ESCALA (2)
O cálculo da potência consumida é uma
parte do problema. Existe sempre um
resultado esperado da agitação. O fator de
ampliação de escala precisa ser
determinado experimentalmente. Pode ser:determinado experimentalmente. Pode ser:
1. Semelhança geométrica (dos casos:
regime laminar e turbulento);
2. Igual potencia por unidade de volume;
3. Igualdade na velocidade periférica;
4. Outros
Ampliação de escala
Critérios:Critérios: dependerão do objetivo do processo
















;
HH
;
TT
1. Semelhança geométrica entre
o modelo (1) e o protótipo (2).
Esta condição deve prevalecer em todos os casos.
21
2121
2121




























































D
w
D
w
;
D
W
D
W
...
D
H
D
H
;
D
H
D
H
;
D
T
D
T
bb
ii
 22
DNDN 
NN 2
22
2
11  DD

Semelhança geométrica e dinâmica
1.1 Regime laminar
NPo= f(Re); Re < 300
Neste caso: Re1= Re2 e NPo1= NPo2
5
2
3
2
2
5
1
3
1
1
DN
uW
DN
uW



 2
22
2
11 DNDN 
3
2
2
2
2
3
1
2
1
1
DN
uW
DN
uW 

NN 2211



 DD

3
2
2
2
3
1
2
12
1
DN
DNuW
uW

 
22
112
1
DN
DNuW
uW

 
Semelhança geométrica e dinâmica
1.2 Regime turbulento
NPo  cte, independe de Re
Como NPo1 = NPo2:
uWuW 
5
2
3
2
2
5
1
3
1
1
DN
uW
DN
uW



5
2
3
2
5
1
3
12
1
DN
DNuW
uW

 
2. (Potencia / volume) = constante
tanquenolíquidodovolumeV
uWuW 2
.
1
.

Usos: Extração líquido-líquido; transferência de massa ;
dispersões gás-líquido; dissolução de sólido em líquidos;
transferência de calor; mistura de líquidos, etc
3
2
2
L2
2
2
T2
2
3
1
1
L1
2
1
T1
1
Di
Di
Z
Di
D
Wu
Di
Di
Z
Di
D
Wu

























tanquenolíquidodovolumeV
VV
T
T2
2
T1
1

21
L2
2
T2
2
L1
2
T1
1
Diepor Didividindo
ZD
4
Wu
ZD
4
Wu


3
2
2
L2
2
2
T2
2
3
1
1
L1
2
1
T1
1
Di
Di
Z
Di
D
Wu
Di
Di
Z
Di
D
Wu

























3
2
2
3
1
1
Di
Wu
Di
Wu
geométricasemelhançadarelaçõesasUtilizando

3
2
3
12
1
Di
DiWu
Wu 
2
2
3
2
2
1
3
1 DiNDiN 
obtemseNPNPigualdadenaanterioradoSubstituin 0201 
21 2Di
3
2
2
2
2
3
2
3
1
1
2
1
3
1 D
uW
DN
11
D
uW
DN
11 


3. Igualdade na velocidade periférica do agitador
Quando interessa manter a tensão de cisalhamento:
no protótipo e no modelo de escala maior.
vp = D1 N1 =  D2 N2  D1 N1= D2 N2
Como NPo1 = NPo2: Este é um critério queComo NPo1 = NPo2:
1 2
2 2
1 2
W u W u
D D

 
Este é um critério que
assegura uma dispersão
equivalente em ambos
sistemas
2
2
2
12
1
D
DuW
uW

 
5
2
3
2
2
5
1
3
1
1
DN
uW
DN
uW




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Agitacao e mistura 2016

  • 2. É uma das operações mais antigas e mais comuns na engenharia química. Seu entendimento ainda é limitado (área em expansão). I. INTRODUÇÃO Seu entendimento ainda é limitado (área em expansão). Embora: -a eficiência e o consumo de energia dependem de princípios básicos da mecânica dos fluidos, as condições de escoamento nos tanques típicos são complexas tornando-se impossível esta aplicação. -Devido a complexidade, utiliza-se aproximações empíricas.
  • 3. INTRODUÇÃO (continuação) Exemplos de aplicação: - Dispersão de um soluto no solvente; - Mistura de dois líquidos miscíveis;- Mistura de dois líquidos miscíveis; - Produção da suspensão de um sólido finamente dividido num líquido; - Mistura dos reagentes num reator químico; - Agitação de um líquido homogêneo para melhorar a transferência de calor para o líquido
  • 4. AGITAÇÃO Conceito: A agitação refere-se ao movimento induzido em um fluido por meios mecânicos em forma determinada, geralmente circulatória, dentro de um recipiente. Desta forma, o fluido pode circular no recipiente ou AGITAÇÃO x MISTURA o fluido pode circular no recipiente ou apresentar outro padrão de fluxo. MISTURA Conceito: Já a mistura, está normalmente relacionada ao movimento aleatório de duas ou mais fases inicialmente separadas, que são aleatoriamente distribuídas dentro ou através de uma da outra.. Observação: Pode-se agitar uma só substância homogênea.
  • 5. “... ao tratarmos de agitação iremos considerar uma única fase e nos processos de mistura consideraremos que os componentes se apresentam em duas ou mais fases...” Nestes processos a mistura resultante podem ainda ser classificadaNestes processos a mistura resultante podem ainda ser classificada como: • Homogênea: gás-gás, líquido-líquido (miscível); • Heterogênea: sólido-líquido
  • 6. • Propriedades mais importantes dos materiais, que podem influenciar a facilidade da mistura para fluidos e sólidos... • Fluidos: - viscosidade, massa específica, relação entre as massas específicas e miscibilidade.específicas e miscibilidade. • Sólidos: - Finura (diâmetro de partícula); massa específica; relação entre as massas específicas; forma; aderência e molhabilidade.
  • 7. 1. Dissolução de açúcar, amido, sal, ácidos, etc. 2. Tachos de tratamento térmico, extração e cozimento 3. Tanques de mistura na preparação de alimentos (sorvetes) Aplicação 3. Tanques de mistura na preparação de alimentos (sorvetes) 4. Amassadeiras para massas de panificação 5. Tanques de lavagem de material 6. Tanques de retenção de produto em processamento 7. Tanques de recirculação de salmouras para refrigeração 8. Tanques de aeração (tratamento biológico de efluentes) 9. Suspensão de sólidos para arraste por bombeamento. 10. Dispersão de gás em reator (hidrogenação de gorduras) 11. Circulação de líquidos em fermentadores
  • 8. Conceitos básicos de reologiaConceitos básicos de reologia (breve revisão de Fenômenos de Tranportes)
  • 9. - Do fluido :  ,  , miscibilidade; - Do sólido : tamanho, s, forma, rugosidade e molhabilidade I.1 Propriedades que influenciam na operação A) Ideal:  = 0 e, portanto,  = 0 em qualquer ponto. B) Dilatante: A m  com o aumento da taxa de cisalhamento. Ex: algumas soluções de açúcar e de amidos. C) Newtoniano: Nesse grupo pertence a maioria dos Lembrando MecFlu:Reologia C) Newtoniano: Nesse grupo pertence a maioria dos fluidos práticos, como: água e soluções aquosas, óleos, etc. D) Pseudo-plásticos: A   com o  da taxa de cisalhamento. Ex: alguns produtos alimentícios, massas de cerâmica e de cimento. E) Plástico: Esse é um modelo de fluido plástico com características de aumento da viscosidade com aumento da taxa de cisalhamento. F) Plástico de Bingham: É o comportamento aproximado de produtos alimentícios com alto teor de gordura. Ex: chocolate, manteiga, margarina. G) Modelo de Casson: Características plásticas, com redução da viscosidade no aumento da taxa de cisalhamento. Ex: sangue e iogurtes.
  • 10. Que necessidade empregar esta operação? Propósitos da agitação: • Dispersão (mistura) de líquidos e sólidos para formação de uma suspensão; • Dissolver líquidos miscíveis (mistura de água e álcool metílico); • Dispersão de um gás através de um líquido na forma de pequenas bolhas; • Dispersão de líquidos imiscíveis, para a formação de emulsão ou suspensão de gotículas muito finas; Vários tipos de rotores (Foust et al., 1980) suspensão de gotículas muito finas; • transferência de calor entre líquido e superfície aquecida, tal como serpentina, camisa de aquecimento, etc.
  • 11. Características: TANQUE AGITADO Impulsor instalado em um eixo. Acionado por um sistema de motor e redutor de velocidade. Tanque Chicanas ou defletores • Tanques cilíndricos verticais, abertos ou fechados (para evitar presença de ar); • Base do tanque arredondada, para evitar regiões mortas ou cantos; • Altura do líquido = diâmetro do tanque; • Agitador na parte superior; • Caixa de engrenagem para redução de velocidade (nem sempre necessária).
  • 12. TANQUE AGITADO 1. Um tanque ou reservatório 2. Um rotor (impulsor) acoplado a um eixo acionado por um moto- redutor de velocidade; 3. Local para termômetro; 4. Entrada/saída (batelada ou Acessórios: 4. Entrada/saída (batelada ou contínuo); 5. Serpentina ou camisa de aquecimento ou resfriamento; 6. Agitadores para fazer com que o líquido circule através do vaso; 7. Chicanas são usadas para reduzir o movimento tangencial
  • 13. Tipos de agitadores (impulsores) Tipos: propulsores, pás e turbinas... (a) Propulsor marinho de três pásde três pás (b) turbina de pá fina aberta (c) turbina de disco (d) turbina vertical de pás curvas
  • 14. Propulsores Para líquidos muito viscosos, os mais usados são os propulsoressão os propulsores tipo hélice e os agitadores âncora
  • 15. Propulsores(Propulsor marinho ) Empregado quando se deseja correntes verticais intensas. Ex: manter sólidos em suspensão. • Fluxo axial;• Fluxo axial; • Agitadores de alta velocidade para líquidos de baixa viscosidade; • Pequenos: 1150 ou 1750 rpm; • Grandes: 400 a 800 rpm. • Este tipo de agitador cisalha o líquido vigorosamente
  • 16. Agitadores 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• Fluxo radial interno próximo as pás, praticamente não gera fluxos verticais; • Não são utilizados para manter sólidos em suspensão; • Agitação em tanques profundos requer vários conjuntos de pás; • Velocidade: 20 a 150 rpm; • Comprimento das pás: 50 a 80% do diâmetro do tanque;
  • 17. Agitadores do tipo Turbinas: • 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; • Velocidades elevadas;• Velocidades 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 e outra para cima, e ambas retornam para o centro
  • 18. Agitadores tipo Turbinas • São eficazes para amplo intervalo de viscosidade; • Velocidades elevadas; • Produzem fluxos radiais e verticais • http://www.dciinc.com/products/images/agitation.png
  • 19. Agitação • Quando o agitador está disposto no centro a componente tangencial é prejudicial à mistura. • O fluxo tangencial segue uma trajetória circular ao redor do eixo e cria vórtices no tanque de agitação. PROBLEMAS... • Estratificação permanente em vários níveis.• 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 à parede e descerem, acumulando- se embaixo do agitador. • Ao invés de se obter mistura haverá concentração de sólidos. • O vórtice pode ser tão grande que o agitador fica descoberto. • Oscilação de massa flutuante.
  • 20. O problema de formação de vórtice Solução: Alocação de chicanas (defletores)
  • 21. 4 defletores igualmente espaçados Wb Defletores tão finos como possível Hi Tanque agitado. H= altura de líquido no tanque, T= diâmetro do tanque, D= diâmetro do impulsor, N= número de revoluções, Hi= distância do fundo ao impulsor, Wb= largura dos defletores
  • 22. Impulsores para fluidos pouco viscosos Tipos de impulsores:Tipos de impulsores: 1. para líquidos pouco viscosos 2. Para líquidos muito viscosos Turbina de disco de Rushton L= D/4; W=D/5 e D do disco= 3/4 Impulsor de três pás inclinadas (“hydrofoil”) Vários ângulos e inclinações de pás Hélice Pitch = 1,5 Pás inclinadas W=D/5; ângulo=45º
  • 23. Impulsores para fluidos muito viscosos Âncora W= D/10 e h= H Espiral dupla Di= D/3; W= D/6
  • 24. Fluxo e velocidade em tanques agitados O fluxo depende de fatores como: • Tipo de lâmina, agitador • Características do fluido • Tamanho e proporções do tanque • Existência de placas defletoras (chicanas) e agitadores. A velocidade do fluido tem três componentes: 1. radial : correntes perpendiculares ao eixo do agitador 2. axial ou longitudinal : correntes paralelas ao eixo do agitador 3. tangencial ou rotacional : correntes tangentes ao eixo do agitador; responsável pela formação do vórtice.
  • 25. PADRÕES DE ESCOAMENTOPADRÕES DE ESCOAMENTO Intermediário
  • 26. Conceitos específicos sobre os agitadores: IMPULSOR DE HÉLICE: Para fluidos de baixa viscosidade (  2 Pa.s).Para fluidos de baixa viscosidade (  2 Pa.s). O padrão de circulação axial. Suspensão de sólidos, mistura de fluidos miscíveis e transferência de calor. Possui uma ampla faixa de rotações D  T
  • 27. IMPULSOR TIPO TURBINA DE PÁS RETAS: Grande intervalo de viscosidade: 10-3 << 50 Pa.s. (1 << 50 000 centipoises) Os impulsores com pás inclinadas apresentam escoamento axial que é útil para suspensão de sólidos, e os de pás planas verticais fornecem escoamento radial adequado para agitação de fluidos viscosos.radial adequado para agitação de fluidos viscosos.
  • 28. TURBINA RUSHTON: Estas turbinas de disco e pás são adequadas para agitação de fluidos poucos viscosos e alta velocidade. Se usam na dispersão de gases em líquidos, na dispersão de sólidos, na mistura de fluidos imiscíveis, e na transferência de calor. Distribuem a energia de maneira uniforme. O padrãoDistribuem a energia de maneira uniforme. O padrão de escoamento é misto. D  T
  • 29. IMPULSORES DE ANCORA E HÉLICE: Utilizados para mistura de fluidos muito consistentes. Viscosidades entre 5 e 50 Pa.s. Os mais comuns os são o tipo âncora e o helicoidal. O agitador de âncora fornece um escoamento radial e o helicoidal escoamento mistoo helicoidal escoamento misto D≈T
  • 30. Tipodeagitador Helicoidal Pá em Z Amassadeira Escolha do tipo de agitador Ainda hoje o processo de escolha do agitador apropriado, é considerado uma “arte”. Tipodeagitador Viscosidade (Pa.s) Hélice Turbina Âncora Helicoidal 10410310210110010-110-210-3
  • 31. Intervalo de viscosidade Tipo de impulsor Viscosidade (centipoises) kg/m.s Âncora 32 10210  210 1  Hélice 40 1010  13 1010  Turbina 40 10310  13 10310 Turbina 40 10310  13 10310  Pás 42 10310  11 10310  Parafuso helicoidal 53 103103  2 1033  Banda dupla helicoidal 64 10210  31 10210  Extrusor 6 10 3 10
  • 32.
  • 33. Cálculo da potência de agitação Podemos imaginar um agitador de líquido como um sistema de escoamento horizontal e circular em que após um certo tempo o fluido retorna ao mesmo lugar de partida. E aplicar a esse sistemapartida. E aplicar a esse sistema a equação do balanço de energia mecânica (Bernoulli): 1 2 fEˆWˆ u  P1= P2 z1 = z2 v1 = v2 f 2 2 2 2 u 2 1 1 1 E 2 v gz P W 2 v gz P ˆˆ  
  • 34. Cálculo da potência de agitação Após cancelar termos da equação de Bernoulli de Engenharia temos: P1= P2 z1 = z2 v1 = v2 m  u u W Wˆ fEˆWˆ u  1 2 2 ˆ 2 v D L D L fE eq f           2 2 v D L D L f m W equ             0)/(  DLeq Assumindo temporariamente que: )( 2 W 2 u Avv f   E considerando que Av  m DL  2DD fEf     
  • 35. Se: D = diâmetro do impulsor N = revoluções por segundo. Podemos assumir que: v  ND A  D2 )( 2 W 2 u Avv f   )( 2 3 Av f Wu   23 )( 2 DND f Wu   Podemos definir que: 2 NPo = f (Re, impulsor, defletores, adimensionais geométricos)  53 DNNW Pou NPo = Número de potência   53 uW DN NPo     )( Re NDD Podemos definir que: Impulsores padrão, semelhança geométrica
  • 36. Númerodepotência   53 DN W N u Po  Figura 5. Número de potência versus Reynolds para diversos impulsores   2 Re DN   Número Número de Reynolds
  • 37. Na região laminar (Re  10): Npo = KL / Re Na região de turbulência: Npo = KT. Declividade=70 5 4 1,2 Declividade=50
  • 38. 54,0 33,053,028,0 150 b i Po n WhpH N                   Helicoidal: No caso de agitadores para fluidos de alta viscosidade deve-se usar relações empíricas: Re bPo n DDDD N                  48,031,0 Re 85               D h T H N i Po Âncora:
  • 39. Hi = distância entre agitador e fundo do tanque D = diâmetro externo do impulsor 54,0 33,053,028,0 Re 150 b i Po n D W D h D p D H N                           Helicoidal 48,031,0 Re 85               D h T H N i Po Âncora: D = diâmetro externo do impulsor p = “pitch” (distância entre linhas de fluxo) h = altura do agitador W = largura das pás nb = número de pás Equações válidas para regime laminar, que geralmente é o caso das aplicações.
  • 40. Dimensões padrão: • Número de defletores = 4 • D = 1 , Hi = 1, H = 1, wb = 1 T 3 D T D 10 • wb = 0,2 e L = 0,25 para turbinas D D • wb = 0,25 para pás 4 defletores igualmente espaçados Wb • wb = 0,25 para pás D • wb = 0,2 - 0,25 para hélices D Onde: w = altura das pás do impulsor L= largura das pás do impulsor L W Hi
  • 41. O gráfico de Npo versus Re que se empregará nos exemplos desta aula é um gráfico mais geral que plota  versus Re. Fluxo Quando os tanques tem defletores:   NPo Re)log( 10 1   a po b Fr N  Quando os tanques de agitação não possuem defletores ou chicanas temos o efeito do vórtice. Neste caso se usa:
  • 42.
  • 43. A correção precisa ser feita quando Re  300 e resulta importante quando Fr  5. O número de Froude quantifica a relação entre a energia cinética e a energia potencial. Re)log( 10 1   a po b Fr N  energia cinética e a energia potencial. hg v Fr 2  Os valores dos parâmetros a e b são constantes: 1 a  2 podemos considerar a=1.5 18  b  40 podemos considerar b=29 g DN Dg ND agitaçãoFr 22 )( 
  • 44. FLUIDOS NÃO NEWTONIANOSFLUIDOS NÃO NEWTONIANOS O padrão de escoamento desses fluidos é complexo, porque perto das pás, o gradiente de velocidade é grande e a viscosidade aparente é baixa. A medida que o líquido se afasta das pás, a velocidade decresce e a viscosidade aumenta. Portanto, assume-se que a agitação é homogênea e há uma taxa de deformação média para o sistema. tanque)dogeometriaeagitadordetipo(N,f N  média para o sistema. Essa taxa de deformação será função de: A taxa de deformação será calculada como:
  • 45. Impulsor Valor de  Turbina de disco de 6 pás 11,5 Turbina de 6 pás – inclinação 45º 13 Tabela de valores de : – inclinação 45º Hélice 10 Helicoidal Âncora 0,1640,026para11434              D H D H ii 0,130,02para17233              D H D H ii
  • 46. Muitos fluidos alimentícios comportam-se como fluidos lei da potência, com o qual: n k  1  n ap k  222 Re  DNDND  ou ainda O número de Reynolds da lei de potencia se calcula como: 211 )( Re   nnn ap lp Nk D Nk NDND       Usamos o gráfico de Rushton e Relp substitui o número de Reynolds de agitação de fluidos newtonianos.
  • 47. Intensidade de agitação de um fluido Potencia Volume Para obter a relação (potência/volume) pode ser usada a tabela seguinte: Volume
  • 48. Nível ou grau de agitação Watts m3 HP m3 Até 80 até 0.1 Débil V Wu  80 - 230 0.1 - 0.3 Suave 230 - 460 0.3 - 0.6 Média 460 - 750 0.6 - 1.0 Forte 750 - 1500 1 – 2 Intensa 1500 - 2250 2 – 3 Muito forte 2250 - 3000 3 - 4 Muito intensa valor mais usual
  • 49. Fatores de correção dos cálculos de agitadores: 1. Quando existe mais de um impulsor no eixo: caso típico quando há transferência de calor. Procedimento: Neste caso: Hl  T, onde Hl é a distância entre os agitadores Hl AGITADOR o TOTAL agitadoresden uu WW   Hl Procedimento: A potência útil por impulsor unitário se calcula da maneira usual para agitador de medidas padrão.
  • 50. Hl Hl
  • 51. 2. Quando o tanque e o impulsor tem medidas diferentes das medidas padrão. Quando as relações geométricas diferem um pouco das medidas aplica-se um fator de correção (fc) desenvolvido pelos pesquisadores dessa operação unitária. HT  WfcW ucorrigidau   PADRÃOPADRÃO REALREAL D H D T D H D T fc                          WfcW ucorrigidau  3 D H PADRÃO       Geralmente: 3 D T PADRÃO      
  • 52. (3) O sistema é gaseificado. Quando o sistema é gaseificado, usa-se o gráfico de Ohyama e Endoh (Aiba) ou o gráfico de Calderbank (Mc Cabe): gás)semlíquidoparacalculadauW( W g,W g,W            u u u Número de agitação: NQ = q/nDa 3 q = Vazão (ft3/s) n = velocidade rotacional (r/s) Da = Diâmetro do impulsor NQ = q/nDa P =Potencia com gás Po= Potencia sem gás
  • 53. Velocidades Padrão (RPM) 30 37 45 56 68 84 100 Motores Padrão Disponíveis HP kW HP kW 1 ½ 1.12 75 56 2 1.49 100 74.6 3 2.24 125 93.3 5 3.73 150 112 7 ½ 5.6 200 149 10 7.46 250 187 125 155 190 230 420 ... 1150 1750 3400 10 7.46 250 187 15 11.2 300 224 20 14.9 350 261 25 18.7 400 298 30 22.4 450 336 40 29.8 500 373 50 37.3 600 448 60 64.8
  • 55. Variáveis de Mistura Tanque 1 Tanque 2 Tanque 3 NRe 172 345 688 NFr 3.5 1.75 0.87 NWe 3700 7500 1500 Velocidade do Eixo (m/min) 305 305 305Velocidade do Eixo (m/min) 305 305 305 W/V (kW/m3) 13.65 6.86 3.675 W (Watts) 127 516 2200 ND3 (m3/min) 0.56 2.23 9.0
  • 56. AMPLIAÇÃO DE ESCALA (1)AMPLIAÇÃO DE ESCALA (1) No desenvolvimento de processos, precisa- se passar da escala de laboratório para a escala de planta piloto e desta para o tamanho industrial. As condições que tiveramAs condições que tiveram sucesso na escala menor devem ser mantidas no tamanho maior, além de ser conservada a mesma semelhança geométrica.
  • 57. AMPLIAÇÃO DE ESCALA (2)AMPLIAÇÃO DE ESCALA (2) O cálculo da potência consumida é uma parte do problema. Existe sempre um resultado esperado da agitação. O fator de ampliação de escala precisa ser determinado experimentalmente. Pode ser:determinado experimentalmente. Pode ser: 1. Semelhança geométrica (dos casos: regime laminar e turbulento); 2. Igual potencia por unidade de volume; 3. Igualdade na velocidade periférica; 4. Outros
  • 58. Ampliação de escala Critérios:Critérios: dependerão do objetivo do processo                 ; HH ; TT 1. Semelhança geométrica entre o modelo (1) e o protótipo (2). Esta condição deve prevalecer em todos os casos. 21 2121 2121                                                             D w D w ; D W D W ... D H D H ; D H D H ; D T D T bb ii
  • 59.  22 DNDN  NN 2 22 2 11  DD  Semelhança geométrica e dinâmica 1.1 Regime laminar NPo= f(Re); Re < 300 Neste caso: Re1= Re2 e NPo1= NPo2 5 2 3 2 2 5 1 3 1 1 DN uW DN uW     2 22 2 11 DNDN  3 2 2 2 2 3 1 2 1 1 DN uW DN uW   NN 2211     DD  3 2 2 2 3 1 2 12 1 DN DNuW uW    22 112 1 DN DNuW uW   
  • 60. Semelhança geométrica e dinâmica 1.2 Regime turbulento NPo  cte, independe de Re Como NPo1 = NPo2: uWuW  5 2 3 2 2 5 1 3 1 1 DN uW DN uW    5 2 3 2 5 1 3 12 1 DN DNuW uW   
  • 61. 2. (Potencia / volume) = constante tanquenolíquidodovolumeV uWuW 2 . 1 .  Usos: Extração líquido-líquido; transferência de massa ; dispersões gás-líquido; dissolução de sólido em líquidos; transferência de calor; mistura de líquidos, etc 3 2 2 L2 2 2 T2 2 3 1 1 L1 2 1 T1 1 Di Di Z Di D Wu Di Di Z Di D Wu                          tanquenolíquidodovolumeV VV T T2 2 T1 1  21 L2 2 T2 2 L1 2 T1 1 Diepor Didividindo ZD 4 Wu ZD 4 Wu  
  • 63. 3. Igualdade na velocidade periférica do agitador Quando interessa manter a tensão de cisalhamento: no protótipo e no modelo de escala maior. vp = D1 N1 =  D2 N2  D1 N1= D2 N2 Como NPo1 = NPo2: Este é um critério queComo NPo1 = NPo2: 1 2 2 2 1 2 W u W u D D    Este é um critério que assegura uma dispersão equivalente em ambos sistemas 2 2 2 12 1 D DuW uW    5 2 3 2 2 5 1 3 1 1 DN uW DN uW   