MISTURAS DE LÍQUIDOS

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1 MISTURAS DE LÍQUIDOS *Def: Processo que leva à distribuição ao acaso das diferentes partículas distinguindo-se de sistemas ordenados. *MISTURAS DE LÍQUIDOS Classificação: newtonianos não-newtonianos dependem da relação entre suas velocidades de corte e as tensões aplicadas Conceitos importantes: 1. Tensões de corte: são resultado das interações entre líquidos em movimento e as superfícies que estão em contato 2. Velocidade de corte: dv/dx 3. Viscosidade dinâmica: tensão de corte/ velocidade de corte 4. Líquidos newtonianos: velocidade de corte tensão aplicada 5. Líquidos não-newtonianos: apresentam viscosidades dinâmicas aparentes Ppios que governam o comportamento da mistura de líquidos 1. Conservação de massa 2. Conservação de energia 3. Leis clássicas de movimento

2 Mecanismos de mistura 1. Convecção 2. Fluxo turbulento 3. Fluxo laminar 4. Difusão molecular 1. MISTURA POR CONVECÇÃO - Há movimento de porções grandes de material - Rearranjos são comuns (dispersão em 3D) pás, lâminas, etc. 2. MISTURA POR FLUXO TURBULENTO - Fluxo turbulento: variação aleatória da velocidade do líquido em qualquer ponto do sistema - Fluxo agitado: mudanças constantes de velocidade nas três direções consideradas (difere do fluxo laminar) - Visualização do fluxo turbulento: composição de remoinhos de tamanhos variados - Escala de turbulência: distribuição dos tamanhos de remoinhos na região turbulenta - Intensidade do fluxo turbulento está associada com as veloc. que os remoinhos se movem 3. MISTURA POR FLUXO LAMINAR - Aplicada a líquidos muito viscosos - A tensão ocorre na interface - Funcionamento por retorno ou distensão

3 Exemplo: Considere-se o caso em que o misturador produz um efeito de retorno no material a ser misturado em cada 10 segundos e, se uma camada de líquido no início tiver uma espessura média de 0,1m, é necessário obterem-se camadas de 1nm de espessura para que se aproximem das dimensões em nível molecular, verificando-se uma redução da ordem dos Considerando que um único retorno resulta na redução da espessura da camada de líquido pela metade, são precisos n retornos para alcançar o nível de mistura desejado. Determinar o tempo necessário para que ocorra a mistura. Resposta: 4,43 minutos 4. MISTURA POR DIFUSÃO MOLECULAR - Ocorre subsequentemente ao fluxo laminar - Mecanismo primário para a formação de misturas - A difusão é explicada quantitativamente pela 1 ª Lei de Fick - O gradiente de concentração decai com o tempo Escala e intensidade de segregação - Determinam a qualidade da mistura - A composição de porções varia descontinuamente entre porções de líquidos a serem misturados. A alteração só se dá por difusão molecular - 2 parâmetros (Danckwerts) definem o grau de mistura: a escala de segregação e a intensidade de segregação Escala de segregação: similar à escala de turbulência. Pode ser linear ou volumétrica. Valor médio dos agregados ou média do volume dos agregados presentes. Intensidade de segregação: medida da variação da composição entre vários pontos da mistura

4 Tempo de mistura Todos mecanismos são dependentes do tempo (integrados) EXEMPLO: Mistura de líquidos miscíveis de densidades distintas contidos num tanque vertical cilíndrico. O mais denso é colocado no fundo e utiliza-se um agitador de lâmina montado num veio vertical entre o fundo e a interface dos líquidos. Considerar uma velocidade considerável do agitador. Explicar os processos envolvidos até a mistura completa dos líquidos. Seleção de equipamentos A. Misturas por lote B. Misturas contínuas MISTURAS POR LOTE - Tanque, contentor, fonte de energia - Fontes de energia são: impulsor, jatos de ar ou líquido - Auxiliares: chicanas, pás, tubos, etc IMPULSORES: -são classificados pelo tipo de fluxo (radial, axial, tangencial) ou formas das lâminas. -pás à baixas velocidades (50 rpm) funcionam como impulsores -há aplicação simultânea dos fluxos JATOS DE LÍQUIDO: -os próprios líquidos são bombeados

5 JATOS DE AR:-usados para líquidos de baixa viscosidade, não-voláteis -não podem formar espumas, reagir com o gás -há turbulência e recirculação PÁS E CHICANAS: - auxiliares que dirigem o fluxo do líquido - controle do efeito vórtex por turbulência - sua utilização deve ser sempre avaliada MISTURAS CONTÍNUAS - Há fornecimento ininterrupto e renovado de material - Tubos e câmaras de mistura com utilização de auxiliares (chicanas, palhetas, etc) - Ocorre indução de turbulência - Deve-se considerar flutuações no material que entra no misturador - Tanques em série costumam ser mais eficazes (recirculação) Seleção do misturador - Consideram-se: propriedades físicas dos materiais e custos Propriedades físicas: sistemas monofásicos sistemas polifásicos

6 SISTEMAS MONOFÁSICOS * A viscosidade e densidade determinam o tipo de fluxo Viscosidade baixa (até 10 Poise): turbulência e recirculação Viscosidade alta: Fluxo laminar/difusão molecular SISTEMAS POLIFÁSICOS - Processos de homogeneização, suspensão, emulsificação - A mistura envolve: subdivisão, desagregação, dispersão - Considerando 2 líquidos imiscíveis: 1.Há subdivisão de uma das fases em gotículas redistribuídas no restante do líquido 2.Baixas viscosidades: o líquido é passado sob pressão elevada em orifícios reduzidos ou é colocado em contato em contato com superfícies dotadas de rápida movimentação 3.Materiais viscosos: a dispersão se dá por ação de corte provocada pelo contato entre duas superfícies (misturadores com pás) Obs: pastas e massas requerem forças ainda maiores para o corte. Ex: moinho de três rolos. Descrições analíticas - Os mecanismos de mistura são muito complexos em alguns pontos não sendo formulados matematicamente - Utiliza-se, em geral, a análise empírica

7 Análises empíricas consideram: - Dimensões/localização do misturador - Dimensões dos componentes mecânicos - Velocidade do impulsor - Velocidade de alimentação dos jatos - Densidade/viscosidade dos fluidos - Nível do tanque, entre outros... Grupos adimensionais: São combinações de quantidades físicas e geométricas que afetam a dinâmica dos fluidos e, portanto, a qualidade da mistura. Ex.: Número de Reynolds (R e ) Número de Froude (F r ) Número de Potência (P n ) Auxiliam na determinação em grande parte da ocorrência de processos físicos indesejáveis (efeito vórtex), seleção de equipamentos adequados e auxiliares.