Agitação e Mistura

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Operações unitárias i - 9077 
Profª Quelen Letícia shimabuku biadola
E-mail: qlsbiadola2@uem.br 
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VIII – AGITAÇÃO E MISTURA
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AGITAÇÃO E MISTURA
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Agitação e mistura
 
Agitação: Induzir movimento no fluido (comumente circulatório)
Mistura: Promover contato íntimo entre duas ou mais fases inicialmente separadas (uma se difunde na outra)
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Agitação e Mistura
OBJETIVOS:
Dispersão de um soluto num solvente
Mistura de dois líquidos miscíveis
Produção de suspensão de um sólido finamente dividido num líquido
Mistura de reagentes num reator químico
Agitação de um líquido para melhorar a T.C. para o líquido
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Agitação e Mistura
Líquidos normalmente agitados em tanques
· Características:
- Tanques cilíndricos verticais (abertos ou fechados)
- Base do tanque arredondada, para evitar regiões mortas ou cantos
- Altura do líquido = diâmetro do tanque
- Agitador na parte superior no centro do tanque
Acessórios:
- Local para termômetro;
- Entrada/saída;
- Serpentina ou camisa de aquecimento ou resfriamento;
- Agitadores fazem o líquido circular através do vaso;
- Chicanas são usadas para reduzir o movimento tangencial
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Agitação e Mistura 
 
AGITADORES - Com relação a formado agitador:
Tipo hélice
Tipo pá
Tipo turbina
a) Propulsor marinho de três pás
b) turbina de pá fina aberta
c) turbina de disco
d) turbina vertical de pás curvas
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Agitação e Mistura
 
Configurações de fluxos em tanques agitados
Velocidades:
V1 – Radial (perpendicular ao eixo)
V2 – Longitudinal ou axial (paralela ao eixo)
V3 – Tangencial ou rotacional (direção tangente ao
percurso circular do agitador)
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Agitação e Mistura
Tipo Hélice
Características
- Usado quando precisa-se de fortes de correntes verticais. Ex: Manter partículas
sólidas em suspensão
- Promove fluxo axial
- Alta velocidade (1150 a 1750 rpm)
- µ (não usados quando µ > 50 poise)
- Raramente excedem a 18 in (diâmetro)
- Tanques profundos usar mais de um agitador no mesmo eixo
Tanque com chicanas com um agitador tipo hélice montado no centro
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Agitação e Mistura
Tipo pás
Características
- Promove bom fluxo radial
- Velocidades baixas (20 a 150 rpm)
- Normalmente 50 a 80% do diâmetro do tanque
- Sem chicanas = forte fluxo tangencial em velocidades moderadas para altas
- Com chicanas = correntes verticais são melhoradas, favorecendo a mistura
- Tanques profundos usar mais de um agitador no mesmo eixo
Tanque sem chicanas com um agitador tipo pás montado no centro
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Agitação e Mistura
 
Tipo âncora
Características:
- Raspa a superfície
- Evitar depósitos que prejudicam T.C.
- Não muito eficiente
- Pode operar junto com agitador de alta velocidade
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Agitação e Mistura
 
Tipo turbina
Características:
- Promove fluxo radial e tangencial
- Alta velocidade
- Múltiplas pás
- Pás pequenas (diâmetro do agitador entre 30 e 50% do diâmetro do tanque)
- São efetivos para faixa grande de viscosidades, gerando fortes correntes por todo o tanque, destruindo pontos de estagnação do fluido
- Várias configurações
(a) turbina de pá fina aberta, (b) turbina de disco, (c)
turbina vertical de pás curvas
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Agitação e Mistura
 
características
Velocidades radial e axial promovem mistura
Velocidade tangencial 
não promove mistura
cria vórtice
velocidade relativa S-L é diminuída
sedimentação de partículas
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Agitação e Mistura
Formas de evitar vórtices em tanques agitados
Em tanques pequenos:
Agitador fora do centro e inclinado
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Agitação e Mistura
Em tanques grandes
Tanque com agitador horizontal e formando um ângulo com o raio
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Agitação e Mistura
 
Chicanas 
Impede o escoamento rotacional, sem prejudicar o escoamento radial ou longitudinal.
Tanque com chicanas com um agitador montado no centro
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Agitação e Mistura
 
Tubos direcionadores de fluxo
Usado quando há a necessidade de melhorar o fluxo vertical. 
Ex: Quando partículas sólidas tendem a boiar
Tanque com chicanas e “draft” tubos: (a) turbina, (b) propulsor
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Agitação e Mistura
Projeto - Dimensões
Configurações e dimensões características do tanque padrão
J – largura do defletor;
n – velocidade de rotação;
Dt – diâmetro do tanque;
Da – diâmetro do agitador;
H – nível do líquido;
L – comprimento da lâmina;
W – altura da lâmina;
E – distância da lâmina ao fundo.
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Agitação e Mistura
Segundo McCabe (1993), baseado em um agitador de turbina pode-se utilizar os seguintes fatores de forma:
Número de lâminas: 4 – 16, o mais usual é de 6 – 8
Dois misturadores de mesmas proporções geométricas, mas de diferentes tamanhos, serão geometricamente semelhantes tendo seus fatores de forma iguais.
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Agitação e Mistura
 
Potência do sistema de agitação
Para um fluido newtoniano sabe-se que a potência é função de
na forma de números adimensionais
de forma genérica:
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Agitação e Mistura
 
Tanques com chicanas
Para tanques com chicanas o número de Froude não apresenta influência significativa, logo, a relação fica escrita da forma mostrada a seguir.
A relação entre estas variáveis é expressa por correlações empíricas para agitadores específicos
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Agitação e Mistura
TANQUES COM CHICANAS
Para agitadores tipo turbina
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Agitação e mistura
Para agitadores tipo hélice
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EXEMPLO 1
Um tanque de diâmetro 1,83 m está equipado com agitador do tipo turbina com seis pás planas instalado no eixo central do tanque. A turbina apresenta diâmetro 0,61 m e está instalada a 0,61 m acima do fundo do tanque. As pás apresentam largura 0,15 m e altura 0,127 m. O tanque tem chicanas e é preenchido com solução de soda cáustica a 50% até 1,83 m. Calcule a potência consumida pelo sistema. Dados: 
 ρsolução= 1498,0 kg/m3; µ solução = 12 cP; N = 90rpm
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Agitação e mistura
Para tanques sem chicanas duas situações ocorrem:
Para NRe 300 o número de Froude apresenta influência significativa, a relação entre Np, NRe e fatores de forma fica:
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Agitação e mistura
 
Tanques sem chicanas
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EXEMPLO 2
Resolver o exercício anterior para o tanque sem chicanas.
Um tanque de diâmetro 1,83 m está equipado com agitador do tipo turbina com seis pás planas instalado no eixo central do tanque. A turbina apresenta diâmetro 0,61 m e está instalada a 0,61 m acima do fundo do tanque. As pás apresentam largura 0,15 m e altura 0,127 m. O tanque tem chicanas e é preenchido com solução de soda cáustica a 50% até 1,83 m. Calcule a potência consumida pelo sistema sabendo que a correlação empírica para este agitador é dado pela Figura 14. Dados: 
 ρsolução= 1498,0 kg/m3; µ solução = 12 cP; N = 90rpm
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Agitação e mistura
Cálculo da potência usando fatores kL e kT
Se NRe 10000
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Agitação e mistura
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Agitação e mistura
Cálculo da potência usando fatores kL e kT
Se NRe > 10000 (tanque com chicanas)
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agitação
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EXEMPLO 3
Calcule a potência consumida pelo sistema do exercício anterior, utilizando as constantes kL e kT e os seguintes dados:
ρsolução= 1120,0 kg/m3; µ solução = 1200 P
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Agitação e mistura
Aumento de Escala (“Scale up”)
Procedimento:
a) Fixadas as proporções
b) Calcular a razão “R”
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Agitação e mistura
c) Usar “R” para corrigir as dimensões originais
d) Velocidade do agitador
e) Conhecendo-se o valor de n2
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EXEMPLO 4
Considere o seguinte sistema:
· Tanque de diâmetro 1,83 m
· Agitador do tipo turbina; seis pás planas no eixo centraldo tanque/Da= 0,61 m
· Agitador 0,61 m acima do fundo do tanque
· Largura das pás = 0,15 m; altura = 0,127 m
· Tanque com 4 chicanas, cada uma com largura 0,15m
· Tanque preenchido com solução de soda cáustica a 50% até 1,83m
· Correlação empírica para este agitador
Fazer o aumento de escala (Scale up) para que o tanque final apresente volume igual a 3 vezes o volume do tanque original mantendo-se a mesma potência por unidade de volume. Calcule a potência consumida pelo novo sistema. 
A solução dentro do tanque agora apresenta os seguintes dados:
ρsolução= 929 kg/m3; µ solução = 10 cP; N=90 rpm
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Agitação e mistura
Tempo de mistura
Para agitador tipo turbina com pás planas em regime turbulento
Para o tempo de mistura
Volume do tanque
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Agitação e mistura
 
Combinando as equações:
Este raciocínio leva a concluir que n tT 
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EXEMPLO 5
Um tanque de agitação com diâmetro 1,83 m utiliza turbina com seis palhetas de Da = 0,61 m, com velocidade de 80 rpm. Este tanque deve ser utilizado para a neutralização de uma solução diluída de NaOH a 70 ºF com ácido nítrico. A altura final da mistura no tanque deve ser de 1,83 m. Assumindo que todo o ácido é adicionado ao tanque de uma só vez, quanto tempo será necessário para a completa neutralização da base?
Dados: ρsolução= 62,3 lb/ft3; µ solução = 6,6.10-4 lb/ft.s
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Agitação e mistura
As seguintes correlações podem ser propostas para tempo de mistura de líquidos miscíveis em tanques com chicanas:
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mistura
 
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EXEMPLO 6
Refazer o exercício anterior para agitador tipo turbina com chicanas.
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Agitação e mistura
Aumento de escala para tempo de mistura
A) Mesma potência por unidade de volume:
b) Mesmo tempo de mistura:
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EXEMPLO 7
Utilizando os mesmos dados do exercício anterior calcule o novo tempo de mistura para um tanque com volume igual a 10 vezes o volume original. Considere a mesma potência por unidade de volume.
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Referências Bibliográficas
Foust, A., S.; Wenzel, L., A.; Clump, C., W.; Maus, L; Andersen, L., B.; “Princípios das Operações Unitárias”, 2a Ed., Editora LTC, 1982
Geankoplis, C., J.; “Transport Processes and Unit Operations”, 3a Ed., Editora Prentice- Hall, 1993
McCabe, W., L.; Smith, J., C.; Harriot, P.; “Unit Operations of Chemical Engineering”, 5a Ed., Editora McGraw-Hill, 1993
Notas de Aula Profº Sérgio H. B. Faria.
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