Auto Instrument | Agitação é mais do que apenas misturar materiais: 

Um guia completo sobre os princípios e tipos de agitação.

Introdução

Com base nas condições reais de funcionamento de tanques de reação química, a equipe técnica da Auto Instrument analisa a lógica de funcionamento dos equipamentos de agitação e corrige a ideia equivocada de que “maior velocidade de rotação resulta em melhor desempenho de mistura”. Este guia auxilia engenheiros de processo e de equipamentos a compreenderem os princípios da agitação e a selecionarem adequadamente os impulsores e os parâmetros de operação.

Muitas equipes de campo já se depararam com este problema: vórtices visíveis aparecem no tanque de agitação, mas o sedimento continua se acumulando no fundo. Mesmo com o aumento da velocidade de rotação, a corrente do motor continua subindo, mas a mistura irregular dos materiais não melhora. A estrutura do impulsor, a altura de instalação, a viscosidade do material e o padrão de fluxo dentro do tanque determinam diretamente o desempenho da agitação. Mesmo com potência e velocidade de rotação idênticas, impulsores de designs diferentes podem gerar estados de fluxo bastante distintos.

1. Funções do processo dos equipamentos de agitação

A agitação impulsiona o fluxo de materiais por meio de rotação mecânica, borbulhamento de gás ou jato de líquido para obter contato suficiente entre materiais multifásicos, de modo a completar os processos de mistura, dispersão, transferência de calor e transferência de massa. Os objetivos comuns do processo são listados a seguir:

· Mistura de líquidos: Eliminar as diferenças de concentração dentro do tanque através da circulação do fluido;

· Suspensão sólida: Impulsiona o fluxo do líquido para evitar a sedimentação e o acúmulo de partículas sólidas;

· Dispersão líquido-líquido: Quebrar um líquido em minúsculas gotículas e dispersá-las em outro líquido por meio de força de cisalhamento;

· Dispersão gás-líquido: Quebrar as bolhas para expandir a área de contato entre o gás e o líquido;

· Transferência de calor e massa: O fluxo contínuo e circulante de materiais melhora a eficiência da troca de calor e da transferência de massa.

Diferentes objetivos de processo têm diferentes requisitos de fluido. A mistura de líquidos prioriza a taxa de fluxo de circulação; a suspensão de sólidos concentra-se na velocidade de fluxo no fundo do tanque; a dispersão líquido-líquido requer resistência ao cisalhamento local suficiente. Para muitos processos em reatores, instrumentos de medição são instalados junto ao sistema de agitação para monitorar as condições do material em tempo real. Para aplicações com suspensões, densímetros específicos para suspensões são adotados em alguns projetos. Densímetros químicos são frequentemente utilizados em conjunto com tanques de agitação para procedimentos de síntese e dosagem. Como fabricantes de densímetros, observamos inúmeros casos em que o desempenho da agitação afeta diretamente a estabilidade da amostragem e da medição de densímetros industriais de líquidos online e densímetros de líquidos convencionais.

2. Principais tipos de agitação

De acordo com a fonte de acionamento, a agitação é dividida em três categorias: agitação mecânica, agitação por gás e agitação por jato. A agitação mecânica utiliza um motor para acionar a rotação de um impulsor. Os tipos comuns de impulsores incluem pás, hélices, turbinas, âncoras e fitas helicoidais.

1. Agitador de pás Consiste em um eixo de agitação e pás, incluindo tipos de pás planas, inclinadas e com ângulo de inclinação. Possui estrutura simples e desmontagem e manutenção convenientes, sendo adequado para dissolução, dosagem e mistura de líquidos de materiais com viscosidade baixa a média.

2. Agitador de hélice Com um impulsor em forma de hélice, gera um forte fluxo axial. O líquido é impulsionado axialmente e, em seguida, sofre refluxo, formando uma circulação em grande escala. É adequado para mistura de líquidos de baixa viscosidade, dissolução e aplicações convencionais de suspensão de sólidos.

3. Agitador de turbina Estrutura com múltiplas pás, incluindo turbina de pás retas, turbina de pás inclinadas e turbina de disco. A turbina de disco de pás retas produz principalmente fluxo radial; a turbina de pás inclinadas fornece fluxo axial e radial combinado. Sua capacidade de vazão e cisalhamento é determinada pelo ângulo e estrutura das pás.

4. Agitador de âncora As pás operam próximas à parede interna do tanque, com um grande diâmetro de agitação e baixa velocidade, atuando principalmente sobre os materiais ao redor da parede do tanque. A maior viscosidade exige maior torque do eixo de agitação, portanto, deve-se reservar margem suficiente para a carga do motor e do redutor.

5. Agitador de fita helicoidal As lâminas espirais são dispostas ao longo da direção axial. A rotação impulsiona o material, fazendo com que ele se mova axialmente, e a circulação é formada com refluxo dentro do tanque. É amplamente utilizado para a agitação de materiais de alta viscosidade.

6. Agitação de gás O gás comprimido entra na fase líquida através de dispositivos de distribuição de gás. As bolhas ascendentes impulsionam a circulação do líquido, realizando a transferência de massa gás-líquido.

7. Agitação por jato O fluido pressurizado é pulverizado através de bicos por uma bomba de circulação, arrastando o meio circundante para promover a circulação no tanque. O ângulo do bico, a vazão de circulação e a perda na tubulação afetam diretamente os resultados da agitação. Para meios que contenham partículas sólidas, os riscos de desgaste e obstrução dos bicos devem ser avaliados previamente.

3. Princípios Essenciais do Campo de Fluxo de Agitação

A agitação mecânica transfere energia mecânica do impulsor para os materiais, formando três padrões de fluxo: fluxo axial, fluxo radial e fluxo tangencial. Normalmente, múltiplos campos de fluxo se sobrepõem e coexistem dentro do tanque.

1. Fluxo axial Os materiais se movem para cima e para baixo ao longo do eixo de agitação, criando uma grande circulação dentro do tanque, o que permite a troca de materiais em diferentes alturas. Possui uma alta capacidade de transporte, sendo ideal para mistura de líquidos, suspensão de sólidos e transferência de calor.

2. Fluxo radial O líquido é lançado do impulsor em direção à parede do tanque, ricocheteia para cima e para baixo após atingir a parede e retorna ao impulsor. Impulsores que geram fluxo radial produzem forte cisalhamento local e turbulência, sendo mais adequados para processos de dispersão de gotículas e bolhas.

3. Fluxo tangencial Os materiais giram circunferencialmente em torno do eixo de agitação. O fluxo tangencial excessivo cria vórtices superficiais, onde os materiais giram como um todo com pouca troca vertical. A instalação de defletores na parede do tanque pode suprimir eficazmente a rotação tangencial e melhorar a circulação geral.

Em tanques reais, os fluxos axial, radial e tangencial coexistem. A intensidade do fluxo é determinada pelo tipo de impulsor, pela posição de instalação e pelos acessórios do tanque.

4. Relação entre a velocidade de rotação e a potência de agitação

O diâmetro do impulsor, a velocidade de rotação e as propriedades do material influenciam o consumo de energia da agitação. Em condições turbulentas, a fórmula da potência no eixo é:P = Np × ρ × n³ × D⁵ P — Potência no eixo do impulsor (W) Np — Número de potência (adimensional) ρ — Densidade do líquido (kg/m³) n — Velocidade de rotação do impulsor (r/s) D — Diâmetro do impulsor (m)

Com estrutura de impulsor, tanque e material fixos, a potência é aproximadamente constante. A potência de agitação é proporcional ao cubo da velocidade de rotação. Alterar o diâmetro do impulsor também altera drasticamente o consumo de energia. A potência varia para diferentes estruturas e requer um cálculo específico. Uma velocidade de rotação mais alta nem sempre é melhor. Velocidades excessivamente altas podem levar à entrada de ar na superfície do líquido, formação de espuma, vibração do equipamento e sobrecarga do motor. Esta fórmula calcula apenas a potência no eixo do impulsor. A seleção do motor também deve levar em consideração as perdas de transmissão e a carga operacional real.

5. Lógica de Seleção para Agitadores

Para a seleção, três condições básicas devem ser confirmadas inicialmente: características do material, objetivos da agitação do processo e estrutura do reator. O tipo, o tamanho e os parâmetros de operação do impulsor são determinados de acordo com as condições reais de trabalho, considerando-se a viscosidade, a densidade, o teor de sólidos, as dimensões do tanque e o desempenho de mistura exigido do material. É importante ressaltar que o estado de agitação afeta diretamente os instrumentos de medição online. A agitação excessiva causa interferências nas medições, enquanto a agitação insuficiente leva à estratificação do material; ambas interferem na estabilidade da leitura dos densímetros online e instrumentos similares.

6. Conclusão

Os impulsores de pás e hélices são excelentes para circulação e mistura de líquidos; os impulsores de turbina são adequados para dispersão líquido-líquido e gás-líquido; os impulsores de âncora e de fita helicoidal são usados ​​principalmente para o processamento de materiais de alta viscosidade. O desempenho real dos equipamentos de agitação não pode ser avaliado apenas pela velocidade de rotação do motor e pela corrente de operação. Ele deve ser avaliado de forma abrangente com base nas propriedades do material, no layout do impulsor e nos resultados dos testes de processo.

Como fabricante de densímetros, a Auto Instrument fornece densímetros online, densímetros para líquidos, densímetros industriais online para líquidos, densímetros para pastas e densímetros químicos. Esses produtos são compatíveis com diversos reatores de agitação para detecção de materiais em tempo real no fluxo do processo, auxiliando os engenheiros de processo no monitoramento das condições dos materiais dentro dos tanques.