Agitação e Mistura I

Resumo Completo

Introdução

O nome da teoria já diz muita coisa, né? Haha Vamos estudar agora agitação, que nada mais é do que mexer algo. O objetivo de agitar pode ser:

  • aumentar taxas de transferência de calor e massa
  • tornar o que está sendo agitado mais homogêneo (por exemplo, evitar que num reator tenham pontos com concentrações de reagentes altas e outros pontos com concentrações baixas

Mas o título não fala só de agitação... tem a mistura também. Qual a diferença?

A gente fala agitação se está tendo a movimentação de uma só fase, que geralmente é uma fase líquida. Por exemplo, quando fazemos gelatina, precisamos juntar água quente (com a gelatina) com água fria e mexer.

Continuando na culinária, vamos pro exemplo das claras em neve. Pegamos um voluminho de clara e começamos a bater, mexer e tals. Daqui a pouco tem um volume enorme.

O que acontece é que quanto mais vai mexendo, ar vai sendo incorporado e por isso o volume vai aumentando. Ou seja, tem mais de uma fase envolvida. Nesse exemplo, duas: o ar (fase gasosa) e a clara (fase líquida). Isso é uma mistura! Ou seja:

  • Agitação: envolve uma só fase
  • Mistura: envolve duas ou mais fases

O objetivo da mistura de fases diferentes é diminuir a heterogeneidade entre essas fases e proporcionar maior contato entre elas (pra ter maiores transferências de massa e calor por exemplo).

Tipos de Fluxo

Já sabemos o que são agitação e mistura, mas como elas se comportam? Tipo, nós colocamos algo num tanque agitado e começamos a mexer; como é o fluxo material, pra onde as moléculas vão? Vamos ver isso agora. Existem 3 tipos de fluxo:

  • Fluxo Radial
  • Fluxo Axial
  • Fluxo tangencial

Pra visualizarmos melhor esses 3, bora primeiro ver um esquema de um tanque agitado, que é o equipamento em que se faz agitação e mistura. Geralmente, ele é cilíndrico.

Em vermelho, é o impelidor, que é o dispositivo que é rotacionado por um motor e entra em contato com o fluido pra promover a agitação / mistura. Vamos usá-lo como referência pra ver o movimento do fluido.

Voltando aos tipos de fluxo, agora sim vamos poder entende-los melhor:

  • Fluxo Radial: nesse tipo de fluxo, o fluido é impulsionado inicialmente em direção à parede do tanque, ou seja, impulsionado perpendicular ao eixo do impelidor. Uma vez que bate na parede, o fluido se distribui pra cima e pra baixo. Tipo assim:
  • Fluxo Axial ( = fluxo longitudinal) : nesse tipo de fluxo, o fluido é jogado primeiro pro fundo do tanque (daí paralelo ao eixo do impelidor) e depois ele sobe. Tipo assim:
  • Fluxo Tangencial (= fluxo rotacional) : esse fluxo é circular em torno do eixo do impelidor.
  • A questão é que esses fluxos não vão estar “sozinhos”; sempre haverá os 3 tipos, mas em graus diferentes. Um irá predominar. E qual predomina é função do tipo de impelidor.

    Vórtice e chicanas

    Quando a componente tangencial do fluxo é majoritária, ocorre a formação de vórtice, que é tipo um V na superfície do líquido.

    Vórtices são geralmente indesejados porque:

  • Se o tanque não for fechado, pode ocorrer derramamento de fluido
  • A mistura uniforme é dificultada; se tiverem partículas sólidas no meio, a força centrífuga as lança pra fora do vórtice

Pra evitar o aparecimento de vórtices, usa-se chicanas nas paredes do tanque. Chicanas são, simplesmente, placas; elas “quebram” o vórtice.

Expandir

Exercício Resolvido #1

Enunciado

Elaboração própria

Em um certo processo, é necessário que a superfície de um líquido contido em um tanque tenha a maior área superficial possível. Sabe-se que a geometria do tanque não pode ser alterada e que este possui sistema de agitação, mas ainda sem impelidor especificado.

O que você recomenda estruturalmente para o projeto do tanque?

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Passo 1

Nesse problema, estamos interessados APENAS em área da superfície do líquido; não estamos nos importando com efeitos adversos que isso venha a causar.

Para haver maior área superficial possível no líquido, vamos precisar de vórtice, por que a área gerada pelo “V” é maior do que a área da superfície caso plana.

Então, a questão se resume a como gerar um vórtice. Vamos por partes.

  • Vimos que vórtices aparecem quando a o fluxo tangencial predomina na agitação, então, para favorece-los, vamos ter que escolher um impelidor que forneça fluxo tangencial majoritário.
  • Também sabemos que chicanas são utilizadas para quebrar vórtices, daí nosso tanque NÃO vai poder ter chicanas.

Resposta

Exercício Resolvido #2

Enunciado

Elaboração própria

Qual a importância de agitação e mistura? Diferencie-as.

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Passo 1

Exercício bem teórico, né? Haha Mas importante. O objetivo de agitação e mistura pode ser:

  • aumentar taxas de transferência de calor e massa
  • tornar o que está sendo mexido mais homogêneo

Lá na teoria vimos que tanto agitação como mistura envolvem “mexer” algo. A diferença é que falamos em agitação quando há apenas uma fase sendo “mexida” e falamos em mistura quando há duas ou mais fases.

Um exemplo de aplicação de agitação é num tanque com líquido para uniformizar concentrações ou temperatura.

Já um exemplo de mistura pode ser uma fase líquida e uma fase gasosa entrando em contato para haver transferência de massa.

Resposta

Exercício Resolvido #3

Enunciado

Elaboração própria

Qual a diferença entre agitação e mistura?

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Passo 1

Tanto agitação como mistura envolvem “mexer” algo (e gasta-se energia para isso). Entretanto:

  • Agitação se refere a “mexer” algo em uma única fase. Por exemplo, agitar um líquido para uniformizar a concentração de algum reagente nele.
  • Já mistura é quando você mexe algo que está em duas ou mais fases. Na teoria vimos o exemplo de fazer clara em neve, em que se mistura a clara, um líquido, com o ar, um gás. Um exemplo mais da indústria pode ser mistura um gás contendo muito de algum reagente com um líquido contendo pouco, de forma a haver transferência de massa entre essas fases.

Resposta

  • Agitação: envolve uma só fase
  • Mistura: envolve duas ou mais fases

Exercício Resolvido #4

Enunciado

Elaboração própria

Quais os tipos de fluxo que podem existir em agitação e como se comportam?

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Passo 1

A gente já viu que agitação serve para mexer algo, mas o que esse enunciado pergunta é “como esse algo é mexido”. Lá na teoria vimos que existem três tipos de fluxo:

  • Fluxo Radial
  • Fluxo Axial
  • Fluxo tangencial

Ok, uma parte do que foi pedido já tá aí. Agora temos que diferenciar esses fluxos.

  • Fluxo Radial: nesse tipo de fluxo, o fluido é lançado em direção à parede do tanque. Depois que ele bate na parede, o fluido se distribui pra cima e pra baixo; traça um percurso e acaba voltando ao impelidor pra “refazer” o ciclo. Tipo assim:
  • Fluxo Axial (= fluxo longitudinal): nesse tipo de fluxo, o fluido é lançado para o fundo do tanque e depois ele sobe e acaba voltando ao impelidor pra recomeçar o ciclo. Tipo assim:
  • Fluxo Tangencial (= fluxo rotacional): esse fluxo é circular em torno do eixo do impelidor.

E é importante lembrar que no tanque vão existir os 3 tipos de fluxos simultaneamente, mas dependendo do tipo de impelidor e geometria do tanque, algum vai prevalecer.

Resposta

Exercício Resolvido #5

Enunciado

Elaboração própria

A formação de vórtices é um problema em tanques agitados e deve ser evitada. Nesse contexto, explique o que são vórtices e e como evita-los.

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Passo 1

Lá na teoria, a gente viu que vórtice é quando forma tipo um V na superfície do líquido sendo agitado. O líquido meio que “sobe” pela parede do tanque e “afunda” mais pro centro. Fica algo mais ou menos assim:

Vórtices são geralmente indesejados porque:

  • Se o tanque não for fechado, pode ocorrer derramamento de fluido
  • A mistura uniforme é dificultada; se tiverem partículas sólidas no meio, a força centrífuga as lança pra fora do vórtice

E também vimos na teoria que pra evitar a formação dos vórtices a gente tem que colocar umas placas na parede do tanque pra quebrar o vórtice. Essas placas são chamadas de chicanas.

Resposta

Exercício Resolvido #6

Enunciado

Elaboração própria

Em um certo processo fermentativo aeração é necessária. Borbulha-se ar esterilizado pelo fundo do reator através de um dispositivo.O processo também necessita de agitação. Visando manter as bolhas de ar o maior tempo possível em contato com o líquido contido no tanque, qual fluxo deve ser predominante, preferencialmente, no tanque agitado?

MOSTRAR SOLUÇÃO PASSO A PASSO

Passo 1

Então, nessa questão a gente vai ter que primeiro lembrar dois três tipos de fluxo existentes:

  • Fluxo Radial:
  • Fluxo Axial (= fluxo longitudinal):
  • Fluxo Tangencial (= fluxo rotacional):
  • Agora, bora pensar nesses fluxos associados a uma bolha de ar qualquer injetada. A bolha possui densidade menor do que o líquido então vai, inevitavelmente, subir. Eventualmente ela chega na superfície e sai do líquido.

    O lance é avaliar se a agitação vai contribuir para esse percurso da bolha até a superfície ser mais ou menos rápido.

    Passo 2

    Bora pensar o que acontece com uma bolha de ar presente no fundo do reator quando cada um dos 3 tipos de fluxo possíveis existe.

  • Fluxo Radial:
  • Pelo desenho, a gente vê que logo que a bolha chega no fundo do reator, vai ter uma corrente jogando-a mais pra cima, pra altura do impelidor. Logo depois a bolha será lançada para a parede e, assim como pode voltar ao fundo, pode ser projetada para cima. E isso DIMINUI o tempo que ela passa no líquido.

  • Fluxo Axial (= fluxo longitudinal):
  • Nesse tipo de fluxo, a coitada da bolha não tem nem chance... assim que entra no fundo do tanque já tem uma corrente jogando-o pra superfície e a tirando do contato com o líquido. Esse é o pior dos casos e ocorre, também, a diminuição do tempo de contato.

  • Fluxo Tangencial (= fluxo rotacional):

Finge que ainda não sabe que a resposta é fluxo rotacional haha Pensa comigo. Se NÃO houvesse nenhuma agitação, a bolha injetada ia seguir em linha reta do fundo do reator até o topo, certo? Vamos dizer que isso ia levar um tempo t .

Quando há fluxo tangencial, a bolha vai continuar, inevitavelmente, subindo em direção à superfície. No entanto, ela não vai subir em linha reta e sim “girando” ao longo do reator, devido ao movimento rotacional do fluxo gerado. E, como o percurso será MAIOR, o tempo para percorrê-lo também será MAIOR então a bolha permanecerá mais tempo em contato com a fase líquida.

Resposta

Fluxo rotacional

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