Agitação e Mistura de Fluidos em Operações Farmacêuticas ...
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Agitação e Mistura de Fluidos em
Operações Farmacêuticas – Parte II
Prof. Dr. Wanderley Pereira Oliveira
Prof. Dr. Luis Alexandre Pedro de Freitas
Pirâmides de Teotihuacán – Cidade do México
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Existem muitos tipos de impelidores, a seguir se
apresentam os mais comuns:
1. Agitadores para líquidos pouco viscosos ou de
consistência média;
2. Agitadores para sistemas muito viscosos (ancora,
helicoidal, ..)
PRINCIPAIS IMPELIDORES COMERCIAIS
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Tipos de impelidores
IMPELIDORES DE
ESCOAMENTO RADIAL
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A) DISCO (TURBINA RUSHTON): escoamento radial
❑ Faixa de viscosidade: < 20 Pas
❑ Montagens: centralizada com chicanas
❑ Funções: agitação liq.-liq., sólido-liq. e gás-liq.
❑ Usual: Re >102 , U= 4 - 10 m/s
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B) PÁS RETAS
❑ Escoamento radial faixa de viscosidade: < 20 Pas
❑Montagens: centralizada com chicanas
❑Funções: Mistura liq.-liq., sólido-liq. e gás-liq.
❑ Usual: Re > 102 , U= 4 - 10 m/s
C) TURBINA SMITH: escoamento radial
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Física Industrial
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D) TURBINA DE PÁS CURVAS
After Tatterson, 1991
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E) DENTE DE SERRA: Radial de alto cisalhamento
IMPELIDORES DE
ESCOAMENTO AXIAL
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f) Hélice naval: escoamento axial
❑ Faixa de baixa viscosidade: < 20 Pa.s (N/m2.s)
❑ Montagens: centralizado ou excêntrica, inclinada com
chicanas.
❑ Funções: homogenização liq.-liq., sólido-liq., e raramente
gás-liq.
❑Usual: Re> 103 ; U= 3 - 15 m/s
g) Pás inclinadas:
❑Escoamento axial com leve componente radial
❑Faixa de viscosidade: < 10 Pas
❑Montagens: centralizada ou excêntrica, inclinada com/sem
chicanas
❑Funções: homogeneização liq-liq, sólido-liq, e raramente gás-liq
❑Usual: Re > 103 , U= 2 - 6 m/s
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H) HYDROFOIL
Física IndustrialFBT: Turbina Pás Planas; PBT: Turbina Pás Inclinadas;
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INFLUÊNCIA DO IMPELIDOR NA SUSPENSÃO DE SÓLIDOS
IMPELIDORES DE PROXIMIDADE
(CLOSE CLEARANCE)
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Exemplos:
◦ Âncora,
◦ Helicoidal
◦ Amassadeiras (kneaders)
◦ Pá em Z- e impelidor sigma
I) ÂNCORA: escoamento tangencial
❑ Faixa de viscosidade: < 20 Pas
❑Montagens: centralizada sem chicanas
❑ Funções: transferência de calor por camisa
❑ Usual: Re > 102 , U= 1 - 5 m/s
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After Oldshue, 1984
J) HELICOIDAL: escoamento axial
❑ Faixa de viscosidade: > 500 Pas
❑Montagens: centralizada com chicanas
❑ Funções: homogeneização de materiais viscosos
❑ Usual: Re < 20 , U < 2 m/s
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K) IMPELIDOR HELICODAL DUPLO
L) BATEDEIRA PLANETÁRIA
➢ Amplamente empregada no setor farmacêutico, ex.
fabricação de cosméticos, pomadas, entre outros.
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APLICAÇÕES DA BATEDEIRA PLANETÁRIA
➢Cremes farmacêuticos, pomadas, cerâmicas, tintas e
pigmentos, entre outros;
➢Também utilizada na área de alimentos, cerâmica,
cimento, etc.
➢Em geral líquidos de elevada viscosidade e
semissólidos, pastas termossensíveis e coesivas. Pode
operar em condições atmosféricas ou sobre vácuo.
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VANTAGENS DA BATEDEIRA PLANETÁRIA
➢Limpeza fácil
➢Facilidade de remoção do produto.
➢Operação semi-contínua
➢Custo
➢Economia de energia.
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SELEÇÃO DO AGITADOR
Tip
o d
e a
git
ad
or
Viscosidade (Pa.s)
Hélice
Turbina
Âncora
Helicoidal
Pá em Z
Amassadeira
10410310210110010-110-210-3
Tipo de agitador em função da viscosidade do sistema que está sendo agitado.
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OUTROS SISTEMAS
DE AGITAÇÃO
EQUIPAMENTOS ALTA ROTAÇÃO
(ALTO CISALHAMENTO)
Silverson Machines, Inc.
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Silverson Machines, Inc.
Greerco (Chemineer)
MOINHO COLOIDAL
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HOMOGENIZADORES E MICROFLUIDIZADORES
MicrofluidizadorHomogeneizador de alta pressão
HOMOGENIZADORES E MICROFLUIDIZADORES
Five Star Technologies GEA – NIRO SOAVI
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HOMOGENEIZADORES ULTRASSÔNICOS
➢Processo empregado para reduzir partículas pequenas em meio
líquido, de forma que se tornem muito pequenas e com
distribuição de tamanhos mais uniforme.
➢Consequentemente há um aumento do número de partículas e
da área superficial total.
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HOMOGENEIZADORES ULTRASSÔNICOS
VANTAGENS:
➢Facilidade de utilização, fácil limpeza, e controle preciso
sobre os parâmetros operacionais.
DESVANTAGENS:
➢Risco de contaminação do produto devido á resíduos
causados pelo desgaste da ponta.
APLICAÇÕES:
➢Produção de emulsões, soluções, suspensões, fragmentação
de materiais particulados.
MISTURADORES EM LINHA
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Greerco (Chemineer)
Física Industrial
MISTURADORES ESTÁTICOS
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DETERMINAÇÃO DAS
CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO
EM SISTEMAS DE
AGITAÇÃO
➢ Após a escolha do sistema de agitação é necessário
determinar o número de rotações do agitador, o que
determinará as condições dinâmicas do sistema.
➢ A determinação do número de rotações ideal pode ser
feita experimentalmente em escala de laboratório,
ou podem ser usadas correlações da literatura para
a sua estimativa.
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a) Determinação experimental
Visual - concentração de sólidos suspensos
Concentração - coleta de amostras
Mistura e homogeneização Leituras ópticas - fibras ópticas
Taxas de transf. de massa entre fases
Taxas de transformações químicas
b) Estimativa por correlações da literatura
Figura : Mistura de líquidos imiscíveis à velocidade
inferior à necessária para completa dispersão.
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Determinação da potência
consumida
NÚMERO DE POTÊNCIA, Np:
Para cada tipo ou sistema de agitação há uma
curva relacionando o número de Reynolds e o número de
potência, Np
❑ Número de Reynolds p/ agitação:
F. Inercia/Viscosas
❑ Número de Froude:
F.Inercia/gravidade
❑ Número de Potência:
Potência/F.Inerciais
Np = f ( Re, Fr, S1,S2,S3,...,Sn)
2..Re aDN
=
g
NDFr a
2
=
53. aDN
PNp
=
Onde:
P = potência consumida
N = rotações (rps)
Da = diâmetro do agitador
g = aceleração gravidade
ρ = densidade
µ = viscosidade
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S1=Da/Dt
S2 = E/Dt
S3 = L/Da
S4 = W/Da
S5 = J/Da
S6 = H/Dt
PARÂMETROS CARACTERÍSTICOS
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CURVA TÍPICA DE POTÊNCIA
região laminar Po = K / Re
(Re < 10) (K – constante que depende da
geometria do sistema)
região turbulenta Po = constante
(Re > 104)
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FAIXA POTÊNCIA CONSUMIDA EM CERTAS APLICAÇÕES
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AMPLIAÇÃO DE ESCALA
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AMPLIAÇÃO DE ESCALA
No desenvolvimento de processos, precisa-se passar da escala
de laboratório para a escala de planta piloto e desta para o
tamanho industrial.
a) Primeiro requisito: Similaridade geométrica
b) Segundo requisito: Similaridade dinâmica
Manter as condições de escoamento (velocidades)
Obs.: Regra prática => nunca extrapolar mais que dez vezes o
tamanho do sistema.
VÁRIAS TÉCNICAS:
1) Potência volumétrica: manter iguais os valores numéricos
da potência dividida pelo volume para ambas as escalas
2) Torque volumétrico: manter iguais os valores numéricos do
torque dividido pelo volume para ambas as escalas
Torque = T = P/(2.N)
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3) Velocidade da ponta do agitador constante:
Velocidade = .Da.N
4) REGRA GERAL: observou-se que os resultados eram
melhores ora com um método ora com outro, e depois
constatou-se que todos os métodos eram similares
matematicamente, ou seja tinham a forma:
Física Industrial 56
CONCLUSÕES
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Não existe um projeto universal ótimo de
agitador
O processo deve ser analisado como um todo
de forma a se determinar os mecanismos de
controle
Impelidores podem ser projetados de forma a
otimizar o Processo, sendo uma importante
área de investigação.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Cremasco, M.L., 2014. Operações Unitárias em Sistemas
Particulados e Fluidomecânicos, Cap. 5, Agitação e Mistura, p.
97-125, Ed. Blucher.
Couper, J.R., Penney, W.R., Fair, J.R., Walas, S.M. 2005. Chemical
Process Equipment, 2nd Ed., Chapter 10, Mixing and Agitation, p.
277-328, Elsevier.
Paul, E.L., Atiemo-Obeng, V.A., Kresta, S.M., 2004. Handbook of
industrial mixing : science and practice, John Wiley & Sons, 1377
p.
Armenante, Piero M. Liquid Mixing Fundamentals, Special Topics
on Pharmaceutical Engineering, Pharmaceutical Engineering
Program at the New Jersey Institute of Technology (NJIT). Notas de
Aula.