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
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
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 10-8. 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
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
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
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
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.