Misturadores Estaticos - Amanda Bueno Ana Caroline Klemz Angela Marchi Fernanda Schmitz e Guilherme...
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UNIVERSIDADE REGIONAL DE BLUMENAU
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS
ENGENHARIA QUÍMICA
AMANDA MADRUGA BUENO
ANA CAROLINE KLEMZ
ANGELA MARCHI KRAUSE
FERNANDA RAQUEL WUST SCHMITZ
GUILHERME DE COSTA
MISTURADORES ESTÁTICOS
BLUMENAU
2012
2
AMANDA MADRUGA BUENO
ANA CAROLINE KLEMZ
ANGELA MARCHI KRAUSE
FERNANDA RAQUEL WUST SCHMITZ
GUILHERME DE COSTA
MISTURADORES ESTÁTICOS
Trabalho sobre Misturadores Estáticos,
apresentado na disciplina de Operações
Unitárias II, do curso de Engenharia
Química, na Universidade Regional de
Blumenau.
Professor: Edelberto Luiz Reinehr
BLUMENAU
2012
3
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1 Aplicações e características dos misturadores estáticos...................................11
Tabela 2 Parâmetros de mistura e perda de carga para misturadores estáticos em
Regime Laminar..............................................................................................................15
Tabela 3 Parâmetros de mistura e perda de carga para misturadores estáticos em
Regime Turbulento..........................................................................................................15
4
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 Misturador estático Kenics KMS........................................................................7
Figura 2 - Misturador Sulzer SMX....................................................................................8
Figura 3 Misturador Sulzer SMV......................................................................................8
Figura 4 Misturador estático (a) ALETAS e (b) EDA......................................................8
Figura 5 Modelos de misturadores estáticos.....................................................................9
Figura 6 Modelos de misturadores estáticos....................................................................11
Figura 7 Funcionamento do misturador estático.............................................................12
Figura 8 Seções transversais do misturador estático Kenics KMS em processo de
mistura em escoamento laminar......................................................................................13
Figura 9 Seções transversais do misturador estático Sulzer SMX em processo de mistura
em escoamento laminar...................................................................................................13
5
SUMÁRIO
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO .................................................................................... 6
CAPÍTULO 2 - EVOLUÇÃO DOS MISTURADORES ESTÁTICOS ..................... 7
2.1 Tipos e Histórico ......................................................................................................... 7
CAPÍTULO 3 - MISTURADORES ESTÁTICOS ....................................................... 9
3.1 Mecanismo de funcionamento dos misturadores estáticos ........................................ 11
3.2 Eficiência de mistura ................................................................................................. 12
3.2.1 Parâmetros para eficiência da mistura .................................................................... 14
5. CONCLUSÃO ............................................................................................................ 18
REFERÊNCIAS ............................................................................................................ 19
6
1. INTRODUÇÃO
Os misturadores estáticos são usados em aplicações industriais para
homogeneização e mistura de líquidos diferentes, gases, gases com líquidos e/ou sólidos
granulados. Tecnologia de pequena manutenção e fácil instalação que proporciona
sensíveis melhoras de processo.
Estes, durante décadas foram estudados e desenvolvidos para uso nas indústrias.
Suas aplicações foram bem estudadas, para poder atender a cada tipo de processo.
Os misturadores estáticos são formados por uma série de elementos geométricos
que fazem a mistura, fixados dentro de um tubo. Eles utilizam a energia do fluxo para
criar a mistura dos corpos e devem funcionar com a menor perda de carga possível.
7
2. EVOLUÇÃO DOS MISTURADORES ESTÁTICOS
2.1 Tipos e histórico
Os primeiros misturadores estáticos foram desenvolvidos no final da década de
1950 para fluidos viscosos, mas somente nos anos 70 é que se iniciou um processo de
estudos e desenvolvimento destes tipos de misturadores (PAHL e
MUSCHELKNAUTZ, 1982 e FERNANDES, 2005).
Taber (1959) utilizou um misturador estático em linha, composto por um metal
espiralado inserido num tubo, para a mistura de resinas viscosas. Nobel (1962)
descreveu um elemento de mistura que permite a divisão do escoamento em um tubo
por meio de dois anéis. Schippers (1965) descreveu o processo de rotação e divisão do
fluxo utilizando elementos de mistura com dutos retangulares. Ingles (1963) utilizou
elementos de mistura compostos por quatro grupos de dutos circulares adjacentes, cada
qual rotacionando o fluxo de líquido em 90º.
Armeniades et al. (1966) desenvolveram um misturador estático com baixa
geração de perda de carga. Esse tipo de misturador foi desenvolvido e utilizado pela
empresa Chemineer Inc. com a marca Kenics. O misturador consiste em elementos
helicoidais com torção alternada, justapostos um com o outro a um ângulo de 90º e
situados dentro de uma carcaça tubular. Os meios fluidos são forçados a se misturarem
mediante uma sequência de divisões e recombinações com a formação de 2n camadas
por n elementos. Cada elemento promove um giro de 180º no fluxo, arranjado em
sequência alternada. O desempenho deste misturador está associado à divisão do fluxo,
bem como a reversão e ação de mistura radial.
Figura 1 – Misturador Estático Kenics KMS
Fonte: Chemineer (2011)
8
Tauscher e Schutz (1973) desenvolveram um misturador estático para regime
laminar de múltiplos canais com baixa geração de perda de carga para a empresa Sulzer
Bros que foi denominado Sulzer SMX. O projeto consistiu em dividir o fluxo de fluido
em correntes individuais forçando-as a se encontrarem transversalmente ao longo dos
elementos de mistura, composto de barras a 45° em relação ao eixo axial do tubo.
Diversas versões deste misturador foram criadas, permitindo seu emprego em fluxos
turbulentos com o misturador estático tipo Sulzer SMV.
Figura 2- Misturador Sulzer SMX Figura 3- Misturador Sulzer SMV
Fernandes (2005) avaliou dois misturadores denominados de ALETAS e EDA,
selecionados em um trabalho anterior. Utilizou a fluidodinâmica computacional para
realizar a otimização dos misturadores estáticos. Realizou ensaios de escoamento
laminar e turbulento nas novas geometrias. Após a análise dos resultados, verificou-se
que o misturador tipo ALETAS é adequado para operar em regime laminar e o EDA
pode ser operado em ambos os regimes. Os misturadores obtiveram desempenho similar
aos misturadores comerciais Kenics e ao Sulzer SMX. A Figura 2.5 ilustra este tipo de
misturadores.
Figura 4 – Misturador estático (a) ALETAS e (b) EDA
Fonte: Fernandes (2005)
9
Liu et al. (2006) estudaram modificações no projeto do misturador estático SMX
para melhorar a mistura e verificaram que todos os três fluxos típicos (cisalhamento
simples, alongamento e espremendo) apareciam dentro do misturador.
Lehwald et al. (2010) destacaram a importância da utilização dos misturadores
estáticos como equipamentos para mistura de fluxos altamente viscosos (por exemplo,
produtos farmacêuticos, de biotecnologia, engenharia de alimentos, produção de
polímeros) para quantificar o fluxo induzido por misturas em grandes escalas (macro-
micro), bem como mistura induzida por difusão molecular em pequenas escalas (micro
mistura).
No Brasil, porém, inexistem estudos publicados sobre estes aparatos, bem como
não é conhecida nenhuma empresa que os produza ou comercialize com tecnologia
nacional. Suas aplicações em nossas indústrias de processos, restritas e recentes,
dependem de tecnologia de desenvolvimento e de aplicação estrangeiras, encarecendo e
dificultando seu emprego.
3. MISTURADORES ESTÁTICOS
Os misturadores estáticos são equipamentos formados por uma série de
elementos geométricos que fazem a mistura, fixados dentro de um tubo. Podem ser
desenvolvidos em Aço Carbono, Aço Inoxidável, PVC e Fibra de Vidro. Utilizam parte
da energia cedida para o bombeamento dos fluidos para promover a mistura em um
processo contínuo, minimizando o uso de equipamentos e instalações industriais. Cada
tipo de aplicação e vazão identifica um tipo de geometria interna do misturador, o
número de seções ou comprimento do misturador e o diâmetro.
Figura 5 – Modelos de misturadores estáticos
10
Podem ser utilizados em processos envolvendo transferência de momento, troca
térmica e transferência de massa. Os misturadores são habilitados a operar em uma
larga faixa de temperatura, sob altas pressões e em ambientes químicos severos.
Suas aplicações são encontradas nos mais variados ramos industriais, tais como:
Mistura química, tratamento de água, mistura de óleo cru, dessalinização
bruta e injeção de aditivos.
Para líquidos e em pó mistura, reação, extração, de separação, composição,
coloração, emulsificação, de troca de calor, controle de pH, neutralização e
difusão.
Para indústria de alimentos/farmacêutica: para aplicações como óleos
comestíveis, maionese, chocolate, sorvete, leite, ketchup, produtos
farmacêuticos.
Na área de fluidos viscosos - Pressão Alta: para corantes de resinas
derretidas e misturas de polímeros, extrusão de plásticos, processamento de
fibras químicas, adesivos e outros fluidos de alta viscosidade.
Aplicação em mistura de Gases (Ozônio e Oxigênio) e Água: Nas
dissoluções de gás em água como na aeração e na aplicação de ozônio, o
misturador, colocado depois do Venturi, aumenta de 100 a 200% a eficiência
de transferência de massa para o líquido.
No tratamento convencional de Água e Efluente
Os modelos tipo Kenics são indicados para fluidos de maior viscosidade se
comparados com os modelos tipo LPD. O desempenho do misturador estático tipo
Kenics foi investigado numericamente (ARIMOND e ERWIN, 1985; DACKSON e
NAUMAN, 1987; LING e ZHANG, 1995) e com fluxos tridimensionais (KHAKHAR
et al., 1987; KUSCH e OTTINO, 1992), colocando- o sempre entre os melhores
misturadores para regime turbulento, tanto na questão de consumo de energia quanto de
eficiência de mistura. Os modelos tipo SMX e SMX(n) são equipamentos de alta
eficiência tanto em fluidos como gases.
11
Figura 6 – Modelos de misturadores estáticos
Por não possuírem partes móveis não apresentam problemas de selagem ou de
rolamentos. Os custos operacionais e o capital investido para a aquisição do
equipamento são muito menores do que para os misturadores dinâmicos.
Segundo Joaquim Junior (2008), a aplicação destes misturadores ainda é restrita
para alguns processos específicos por questões tecnológicas, principalmente, pelo
pouco conhecimento de técnicos e engenheiros dos fenômenos físicos que regem sua
aplicação. A inexistência de tecnologia nesta área impõe a dependência frente a
empresas de outros países, encarecendo e dificultando sua aplicação.
Tabela 1 - Aplicações e características dos misturadores estáticos
3.1 Mecanismos de funcionamento dos misturadores estáticos
Os misturadores estáticos constituem-se de elementos defletores, montados no
interior de trechos de tubos. A mistura ocorre pela ação de difusão do escoamento ao
passar pelos elementos do misturador. A energia utilizada para a mistura é decorrente da
12
perda de carga gerada pelo fluido ao percorrer os elementos de mistura por ação de
bombeamento mecânico ou da gravidade (JOAQUIM JÚNIOR, 2008).
O processo de mistura em misturadores estáticos pode ser compreendido quando
se relacionam as variáveis de queda de pressão, distribuições de velocidade, tempo de
residência, fator de atrito, viscosidade, densidade e outras relações de fase na
homogeneização do misturador estático. Conforme mostra a Figura 7, na fase de
homogeneização ocorrem as etapas de divisão do Fluxo (1); o fluxo então é dividido e
forçado contra as paredes opostas (2); desenvolvimento de um vórtice de mistura (3);
divisão do vórtice na fase 1 com rotação Inversa (4).
Figura 7 – Funcionamento do misturador estático
Fonte: SNatural Ambiente, 2011
Segundo Boss e Czastkiwicz (1982), os misturadores estáticos consomem menos
energia do que os misturadores dinâmicos.
Os custos de manutenção e operação são quase eliminados, e podem ser
empregados em uma ampla faixa de temperaturas e pressões. Outra vantagem é a
precisão com que se alcança a mistura terminal, qualquer que seja a demanda do
sistema, e sem necessidade de controle (PERRY e GREEN, 1997).
3.2 Eficiência de Mistura
Segundo Etchells III e Meyer (2004) todos os misturadores estáticos utilizam o
princípio de divisão do escoamento em correntes secundárias, as quais são distribuídas
radialmente e recombinadas em uma sequência reordenada. O número de camadas do
13
escoamento é aumentado e a espessura das mesmas é diminuída a cada passagem pelos
sucessivos elementos do misturador. As Figuras 8 e 9 mostram este processo, para um
misturador estático Kenics KMS e para um misturador Sulzer SMX, respectivamente.
São apresentados cortes transversais dos misturadores, através dos quais se podem notar
as divisões e recombinações dos escoamentos.
Figura 8 – Seções transversais do misturador estático Kenics KMS em processo de mistura em
escoamento laminar
Fonte: Etchells III Mayer (2004)
Figura 9 – Seções transversais do misturador estático Sulzer SMX em processo de mistura em
escoamento laminar
Fonte: Etchells III e Meyer (2004)
Segundo Oldshue (1983), a maioria dos misturadores estáticos pode ser
empregada no regime turbulento. Entretanto, uma geometria de misturador estático com
desempenho satisfatório em regime laminar, pode não ter bom desempenho em regime
turbulento e vice-versa. Por esta razão, de acordo com o autor, a maioria dos fabricantes
desenvolve desenhos específicos de misturadores estáticos para cada regime de
escoamento.
14
Segundo Godfrey (1985), o processo de mistura de fluidos de baixas
viscosidades em tubulações com escoamento em regime turbulento é mais fácil de ser
obtida que a mistura de fluidos viscosos em regime laminar. Ainda segundo este autor,
em regime turbulento a mistura radial é muito mais atuante e as características do
regime levam a uma rápida redução de escala de quaisquer não uniformidades
presentes.
3.2.1 Parâmetros para eficiência da mistura
a) Perda de Carga
Segundo Godfrey (1985), a energia para a mistura é decorrente da perda de
carga gerada pela passagem do fluido pelos elementos de mistura. Rauline et al. (1998)
definiram um fator (Z) para correlacionar a perda de carga gerada pelo misturador
estático com a perda de carga gerada através do tubo vazio, nas mesmas condições de
escoamento:
Outro modo, segundo Rauline et al. (1998), é utilizar o fator de fricção ou o
Número de Newton, Ne:
Rauline et al. (1998) citam que o produto NeRe (Kp) é usado analogamente ao
número de potência definido para os agitadores mecânicos convencionais. A perda de
carga é obtida pela seguinte equação:
De acordo com Etchells III e Meyer (2004), tanto em regime laminar como em
turbulento, a adição de elementos defletores presentes nos misturadores estáticos
15
aumenta a perda de carga gerada, demandando energia para que o efeito de mistura seja
obtido. O valor do aumento na perda de carga gerado pelos elementos de mistura, em
relação à perda de carga gerada pelo tubo vazio, pode chegar a centenas de vezes, em
função da geometria dos elementos e do número de Reynolds do escoamento. Portanto,
segundo os autores, é fato que se requer energia de pressão para se alcançar ação de
mistura no interior de tubos. Quanto menor o tempo de mistura desejado, maior será a
taxa de dissipação de energia.
Ainda segundo Etchells III e Meyer (2004), a perda de carga gerada por um
determinado misturador estático é expressa como a relação entre a perda de carga
gerada pelo mesmo e a perda de carga gerada nas mesmas condições, com o tubo vazio,
conforme as relações:
Tabela 2 - Parâmetros de mistura e perda de carga para misturadores estáticos em Regime Laminar.
Tabela 3 - Parâmetros de mistura e perda de carga para misturadores estáticos em Regime Turbulento.
b) Gradiente de velocidade
O gradiente de velocidade (G) é um parâmetro que avalia indiretamente o padrão
de escoamento em unidades de mistura, tais como os misturadores estáticos. Este
16
gradiente é proporcional ao grau de agitação do sistema. A equação geral de cálculo de
G foi desenvolvida em 1943 por Camp e Stein apud Camp (1953), levando em conta a
deformação de um elemento de volume de água devido às tensões tangenciais que
atuam neste elemento.
Ao longo de uma câmara de mistura, os valores pontuais do gradiente de
velocidade variam consideravelmente. Contudo, em regime estacionário, pode-se definir
um gradiente médio de velocidade, que corresponde ao valor médio do trabalho ao
longo do reator. Com isso, o gradiente médio pode ser expresso segundo a Equação:
A potência dissipada na mistura em misturadores estáticos pode ser definida
como a perda de carga gerada no escoamento multiplicada pela vazão volumétrica do
fluido. Desta forma, a Equação anterior pode ser expressa em termos da vazão
volumétrica e perda de carga, conforme a equação a seguir:
Esta equação permite a obtenção de um valor médio para o gradiente de
velocidade de um misturador estático. Mas na prática, observa-se uma elevada variação
17
do gradiente de velocidade ao longo do misturador. Esta variação é proporcionada pela
própria mudança de direção imposta à corrente líquida, pois, de acordo com Camp
(1953), a maior parte da perda de carga ocorre nas mudanças de direção impostas ao
fluxo, fazendo com que os gradientes de velocidade sejam muito maiores nessas regiões
e pouco significativos ao longo do misturador.
Segundo Metcalf e Eddy (1991), valores típicos de gradiente de velocidade para
mistura rápida para contato inicial efetivo e dispersão de produtos químicos estão na
faixa de 1500-6000s-1 para um tempo de retenção menor que 1 segundo.
Segundo Haarhoff e Van Der Walt (2001), a interpretação física do valor de G,
no entanto, não é um gradiente de velocidade, mas mais propriamente, a raiz média da
taxa de dissipação de energia por unidade de volume. Deste modo, a Equação anterior
também pode ser escrita em termos da dissipação de energia por unidade de volume:
18
4. CONCLUSÃO
Pode-se verificar que os misturadores estáticos são compostos basicamente por
um tubo (corpo) e por elementos fixados em seu interior, em padrão geométrico, sem
que haja um agitador, de modo que o próprio nome já diz. A mistura ocorre pelo
movimento do fluido, o qual é causado por “barreiras” as quais fazem com que o fluido
permaneça em constantes variações no seu trajeto ao longo do escoamento. Este
conjunto (tubo e elementos) é inserido em setores da tubulação de transporte dos
produtos a serem misturados, formando um conjunto único.
Desta forma, os ingredientes são transportados pela tubulação em fluxo contínuo
gerado por meio de bombas, no caso de líquidos, ou de sopradores, no caso de gases, e
ao mesmo tempo são misturados. As unidades de mistura estática são eficientes tanto
em misturas simples quanto em operações de transferência de calor e massa ou quando
reações químicas estão envolvidas.
A principal vantagem dos misturadores estáticos em relação aos equipamentos
convencionais é economia. A redução dos custos de investimento e de produção pode
alcançar de 30% a 40%, levando-se em conta a economia de espaço da instalação, pois
se torna desnecessária a utilização de tanques. O processo de automatização é mais
simples, pois requer uma quantidade menor de sensores de temperatura e vazão, além de
reduzir a necessidade de operadores. Como não há componentes móveis e desgaste de
peças, a manutenção é reduzida.
19
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21
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