Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Londrina Departamento Acadêmico de Alimentos Operações Unitárias na Indústria de Alimentos Agitação e Mistura Profa. Marianne Ayumi Shirai Agitação e Mistura O sucesso de muitas operações depende da efetiva agitação e mistura dos fluidos; Agitação Mistura Agitação: única fase Mistura: duas ou mais fases ou componentes Homogênea: gás-gás, líquido-líquido (miscível); Heterogênea: sólido-líquido (areia + brita + cimento + água). Exemplo: um tanque contendo água fria pode ser agitado para trocar calor com uma serpentina, mas não pode ser misturado até que algum outro material seja adicionado a ele como, por exemplo, partículas de algum sólido. 1
Agitação e Mistura No processamento de alimentos, os líquidos são agitados para vários propósitos Misturar líquidos miscíveis (água + xarope de glicose); Dispersar gás em líquidos (carbonatação); Produzir emulsões onde os líquidos são imiscíveis (maionese); Misturar e dispersar sólidos em líquidos; Misturar dois ou mais sólidos; Auxiliar na transferência de calor e massa; Acelerar reações químicas. A mistura não possui nenhum efeito de conservação e tem a única intenção de auxiliar o processamento ou alterar características sensoriais dos alimentos. Agitação e Mistura As propriedades mais importantes dos materiais que podem influenciar a facilidade da mistura são: Fluidos: viscosidade, massa específica, relação entre as massas específicas e miscibilidade; Sólidos: granulometria, massa específica, relação entre as massas específicas, forma aderência e molhabilidade. 2
Equipamento de Agitação A agitação geralmente é efetuada num tanque cilíndrico pela ação de lâminas que giram acopladas a um eixo que coincide com o eixo vertical do tanque Tipo de fluxo Longitudinal ou axial (paralela ao eixo do agitador) Rotacional ou tangencial (tangencial ao eixo do agitador. Responsável pela formação do vórtice) Radial (direção perpendicular eixo do agitador) Fluxo tangencial Fluxo radial Fluxo axial 3
Vórtice Forma-se um redemoinho ( V) e a sua formação depende ação da força centrífuga sobre o líquido; Ocorre a formação do turbilhão em função das forças que agem sobre o fluído por efeito da gravidade; Problemas: 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; Em altas velocidades o vórtice pode ser tão grande que o agitador fica descoberto, introduzindo ar (bolhas) no líquido; Oscilação de massa flutuante. Formas de evitar vórtice Tanque com agitador horizontal (tanque largo) Escoamento padrão com agitador fora do centro (tanques pequenos) 4
Formas de evitar vórtice A formação do vórtice se resolve colocando-se chicanas (defletores), que evita o escoamento radial ou longitudinal; Sem chicana https://www.youtube.com/watch?v=6e2-y96uyr4 Agitadores com chicanas H = altura de líquido no tanque T = diâmetro do tanque D = diâmetro do impulsor N = número de rotações Hi = altura do fundo ao impulsor Wb = largura dos defletores 5
Mistura de sólidos Ao contrário de líquidos e pastas viscosas, não é possível alcançar uma mistura completamente uniforme de pós secos ou sólidos particulados; O grau de mistura alcançado depende: Do tamanho, da forma e da densidade de cada componente; Do teor de umidade, das características superficiais e do fluxo de cada componente; Da tendência do material a aglomerar; Da eficiência de um misturados específico para esses componentes. Durante a operação de mistura, diferenças nessas propriedades podem causar a separação dos ingredientes; Materiais mais semelhantes formam misturas mais uniforme. Fatores que influenciam no grau de mistura de sólidos Tamanho das partículas: homogeneidade, resistência mecânica, comportamento reológico. Forma: fluidez, segregação. Densidade: forças gravitacionais que agem sobre a partícula. Coesão: Tendência à agregação. Conteúdo de umidade: sólidos constituídos por partículas de fácil escoamento: mistura a seco material muito úmido: mistura a úmido. Características de escoamento: determinam a facilidade de mistura Eficiência do misturador 6
Equipamentos A seleção do tipo e do tamanho adequado do misturador depende do tipo e da qualidade do alimento a ser misturado e da velocidade de operação necessária para atingir o grau de mistura desejado com menor consumo de energia. São classificados em tipos adequados para: Pós secos ou sólidos particulados; Líquidos de baixa ou média viscosidade; Líquidos de alta viscosidade e massas viscoelásticas; Dispersões de pós em líquidos. Misturadores para pós secos e sólidos particulados São usados para misturas de grãos e farinhas e na preparação de misturas pré-prontas (sucos em pó, mistura para bolos e sopas). 1) Misturadores rotatórios 7
Misturadores para pós secos e sólidos particulados Movimento executado pelo misturador duplo cone Movimento executado pelo misturador cone em V Misturadores para pós secos e sólidos particulados 8
Misturadores para pós secos e sólidos particulados 2) Misturadores de fita Possuem uma ou mais lâminas finas de metal na forma de hélices que giram em direção contrária à do vaso hemisférico fechado onde se encontram. Misturadores para pós secos e sólidos particulados 3) Misturadores de rosca vertical Possuem uma rosca ou um parafuso rotatório vertical dentro de um recipiente cônico que gira ao redor de um eixo central para misturar os conteúdos. 9
Agitadores para líquidos R - TURBINA ABERTA R - PÁS RADIAIS R - ANCORA RIBBON A - PITCH BLADE A/R - HÉLICE NAVAL A/R - DISCO DE COWLES Escolha do agitador Amassadeira Tipo de agitador Pá em Z Helicoidal Âncora Turbina Hélice 10-3 10-2 10-1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 Viscosidade (Pa.s) 10
Escolha do agitador Misturadores para líquidos de baixa ou média viscosidade 1) Agitador de pás Consiste de lâminas chatas e largas, que medem cerca de 50 a 75 % do diâmetro do tanque e giram de 20 a 150 rpm; Velocidade de agitação baixa, não há a necessidade de utilizar chicanas; Fluxo radial. 11
Misturadores para líquidos de baixa ou média viscosidade 2) Agitador tipo turbina As lâminas podem ser: retas, curvadas, inclinadas ou verticais; Medem cerca de 50 a 75 % do diâmetro do tanque e giram de 20 a 150 rpm; Amplo intervalo de viscosidade; Altas forças de cisalhamento são desenvolvidas; Produzem fluxos radiais e verticais; Misturadores para líquidos de baixa ou média viscosidade 3) Disco de Cowles 1750-3500 rpm Líquidos de baixa viscosidade Dispersão e dissolução de sólidos Fluxo axial e radial Dispersão de micelas 12
Misturadores para líquidos de baixa ou média viscosidade 3) Agitador de hélice Operam de 400 a 1500 rpm e são utilizados para misturar líquidos miscíveis, diluir soluções concentradas e dissolver sólidos; Possui de 1 a 4 hélices; Fluxo axial e radial. Vantagens e limitações de alguns misturadores de líquidos Tipo de misturador Vantagens Limitações Agitador de pás Agitador de múltiplas pás Agitador de hélices Bom fluxo radial e rotacional, barato Fluxo bom nas três direções Fluxo bom nas três direções Agitador de turbinas Mistura muito boa Fluxo perpendicular fraco, alto risco de formação de vórtice e velocidade mais alta Mais caro, maior necessidade de energia Mais caro do que o agitador de pás Caro e com risco de entupimento 13
Misturadores para líquidos de alta viscosidade e pastas 1) Agitador de âncora Pode ser usado em vasos de mistura com aquecimento e lâminas de raspagem são acopladas à âncora para evitar que o alimento queime em contato com a superfície quente; Giram de 20 a 60 rpm; Fluxo radial. Misturadores para líquidos de alta viscosidade e pastas 2) Misturador em Z Consiste de duas lâminas bem resistentes montadas em uma cuba horizontal de metal; Elas entrecruzam-se e giram em direção a si mesmas em velocidades similares ou diferentes (14 a 60 rpm) para produzir forças de cisalhamento entre as lâminas e entre as lâminas e a base da cuba; Tem gasto substancial de energia que é dissipada no produto em forma de calor => cubas com paredes encamisadas. 14
Misturadores para líquidos de alta viscosidade e pastas 3) Misturadores planetários Recebem este nome devido ao percurso realizado pelas lâminas rotatórias (40 a 370 rpm), que percorrem todas as partes do recipiente durante a mistura; Pás do tipo portão, agitadores tipo gancho e batedores. Equações A taxa de mistura é caracterizada por um índice de mistura e a constante desta taxa depende das características do misturador e dos líquidos: D D3 N Dt 2 z D = diâmetro do agitador (m) N = velocidade do agitador (rev/s) Dt = diâmetro do recipiente (m) Z = altura do líquido (m) 15
O fluxo de líquidos é definido por uma série de números adimensionais: Número de Reynolds Equações Re = DNρ m μ m Número de Froude Número de Potência Fr = DN2 g Po = P ρ m N 3 D 5 P = força transmitida pelo agitador (W) ρ m = densidade da mistura (kg/m 3 ) µ m = viscosidade da mistura (N.s/m 2 ) Eles se relacionam pela seguinte equação: Po = K(Re) n (Fr) m K, m e n são fatores relacionados à geometria do agitador Fr só é importante quando um vórtice é formado em um vaso sem chicanas A densidade de uma mistura é encontrada pela soma das densidades dos componentes das fases contínua e dispersa: ρ m = V 1ρ1 + V 2ρ2 V = fração volumétrica Os subscritos 1 e 2 referem-se às fases contínua e dispersa, respectivamente. A viscosidade da mistura é encontrada: μ m sem chicana = μ 1 v1 μ 2 v2 μ m com chicana = μ 1 V 1 1 + 1,5μ 2 V 2 μ 1 + μ 2 16
Exercício 1. Uma turbina de disco de seis lâminas retas é instalada em um tanque. O diâmetro do tanque é 1,83 m, o diâmetro da turbina é 0,61m, Dt=H, e a largura da turbina é de 0,122 m. O tanque contém quatro defletores de 0,15 m de largura cada um. A turbina é operada a 90 rpm e o líquido no tanque possui uma viscosidade de 10 cp e uma densidade de 929 kg/m 3. Calcule a potência requerida pelo sistema de agitação. 17