Aula 2 Introdução a caracterização de partículas

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14/03/2018
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FACULDADE DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS - FCA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA E SOLOS - DEAS
ENGENHARIA DE ALIMENTOS
Caracterização de Partículas
Profª. Ms. Leiliane Sodré
13/03/17
Introdução
•O conhecimento das características de uma
partícula/população é a base da ciência dos sistemas
particulados.
•Esses sistemas são regidos pela interação
partícula/partícula (semelhantes e/ou distintas) e
partícula/fluido.
•Estudo das interações: ciência dos sistemas particulados.
•Aplicação: Tecnologia de sistemas particulados.
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Características físicas de uma partícula isolada
•Exemplos:
Eng. Alimentos: transferência de massa.
Eng. Química: Diversas operações unitárias.
Eng. Ambiental: material particulado como adsorvente
(purificação de gases poluentes, tratamento de efluentes
industriais).
OBS: Importante para compreender os fenômenos que regem
uma determinada operação unitária, além de permitir
aprimorar tecnologias envolvendo sistemas particulados.
Características físicas de uma partícula isolada
•Conhecer as características de uma partícula afetam
desde:
Fenômenos moleculares: Difusão mássica.
Dimensionamento de uma coluna: construtivo (diâmetro,
altura)e operacional (vazão, perda de carga)
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Características físicas de uma partícula isolada
Geralmente os materiais sólidos em Engenharia de Alimentos
podem estar representados como:
1 – Parte integrante do material do processo;
2 – Produto ou subproduto gerado no processo;
3 – Resíduo sólido de descarte.
Características físicas de uma partícula isolada
As características de uma partícula são divididas em duas
categoriais:
Os sólidos são caracterizados pelos parâmetros tamanho e
forma, onde o tamanho é representado pelo diâmetro e a
forma pela esfericidade.
as que dependem somente da natureza da partícula isolada
as que necessitam avaliar todo o conjunto ou sistema, isto é, as 
partículas sólidas e os vazios entre elas.
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Materiais Homogêneos ou Uniformes
São caracterizados pelo estudo de uma única partícula
(isolada), uma vez que a amostra é constituída de partículas
idênticas, apresentando a mesma forma, diâmetro e massa
específica sendo também classificada em regulares e
irregulares.
Materiais Homogêneos Regulares
Caracterizam-se por apresentar forma geométrica definida
como esferas, cubos, etc..., onde o tamanho é determinado
pela dimensão de maior importância, como o diâmetro para a
esfera e a aresta para os cubos.
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Materiais Homogêneos Irregularares
Apresentam formas irregulares como esferóides (grãos de
milho, soja, trigo, arroz, feijão e etc...) e em ambos os
casos seu diâmetro é representado por uma dimensão
arbitrariamente escolhida, como sendo a segunda maior.
Métodos de determinação do tamanho de partículas 
de amostra homogênea
Para este caso, onde a amostra apresenta partículas
idênticas (regulares e irregulares), torna-se fácil a
determinação do diâmetro, podendo ser determinado por
dois métodos: direto e indireto.
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Métodos diretos
Os métodos diretos são métodos instrumentais, onde a
determinação do diâmetro de acordo com seu tamanho é
realizada a leitura direta em equipamentos, tais como:
paquímetro, microscopia ótica, etc ...., entretanto, o mais
aplicado é a utilização de peneiras padronizadas
(peneiramento), onde a sua dimensão é determinada pela
média das aberturas que reteve a partícula e a que deixou
passar.
Métodos indiretos
Nos métodos indiretos, a determinação do diâmetro da
partícula realizada por medidas indiretas através de leis
e/ou fenômenos físicos, no qual se obtém uma equação
envolvendo a variável diâmetro que é analiticamente
determinado, tais como:
�Diâmetros equivalentes;
�Diâmetro equivalente de superfície;
�Diâmetro equivalente de volume.
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Métodos indiretos
�Decantação e Elutriação
Utiliza o campo gravitacional para a separação sólido-líquido.
Métodos indiretos
�Centrifugação
Utiliza o campo centrífugo para a separação sólido-líquido.
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Métodos indiretos
�Diâmetros equivalentes
São determinados admitindo a semelhança geométrica da
partícula com a esfera sendo os principais o de superfície e
o de volume.
Métodos indiretos
�Diâmetros equivalentes de superfície
Definido como o diâmetro da esfera que apresenta a mesma
superfície da partícula.
�� = �� = ���� (1)
�� = ��� (2)
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Métodos indiretos
�Diâmetros equivalentes de volume
Definido como sendo o diâmetro da esfera que apresenta o
mesmo volume da partícula.
�� = �� = ��	�/� (3)
�� = ��� ��
	
(4)
Métodos indiretos
�Obs.: Existem outros diâmetros equivalentes citados em
literatura, como área projetada, perímetro projetado,
diâmetro de Stokes e etc ....
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Determinação da superfície específica de amostra de 
material homogêneo
Superfície específica é definida como sendo a relação entre
a superfície e a massa da amostra e para o caso da amostra
ser constituída de material homogêneo o seu cálculo é
facilitado. Os principais métodos e os respectivos poros são:
- Adsorção gasosa: Analisador de área superficial BET
- Adsorção gasosa e dessorção: Determinação da
distribuição de poros
- Porosidade por mercúrio.
Esfericidade de partículas de amostra homogênea (φ)
É um parâmetro característico de partículas isoladas que independe da
dimensão da partícula e seu valor varia de 0 ≤ φ ≤ 1,0 , assumindo o valor
máximo para partícula esférica e sua definição teórica é representada pela
relação:
 = área	da	superfície	da	esfera	que	apresenta	o	mesmo	volume	que	a	partículaárea	externa	da	partícula = área	de	superfície	da	partícula	(�$ = %$)
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Esfericidade de partículas de amostra homogênea (φ)
Observação: Para partículas irregulares apresentando uma forma
geométrica não isomérica do tipo grãos, Massarani demonstrou da
possibilidade de determinação experimental da esfericidade através da
relação entre o diâmetro circunscrito e circulo inscrito determinado através
de área projetada para esta partícula.
Esfericidade de partículas de amostra homogênea (φ)
E a esfericidade é determinada como:
 = Diâmetro	de	Circulo	Inscrito	(DCI)Diâmetro	de	Circulo	Circunscrito	(DCC)
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Porosidade (ε)
É a medida da fração de espaços vazios de uma partícula ou aglomerados de
partículas.
Sempre que existir a passagem contínua de uma lado para o outro, o objeto é dito
poroso.
Poros: fechados, fechados em uma extremidade, abertos ou vazios.
Obs.: Uma massa rígida gerada pela compressão de um pó é um típico material
poroso.
Volume de vazios: são os espaços entre as partículas do pó.
Porosidade da partícula(ε) = volume dos poros vazios
volume total da partícula
Porosidade (ε)
�O < ε < 1
� Porosidade baixa: metais, pedras.
� Porosidade alta: filtros, anéis de rasching e outros.
Classificação de poros de acordo com o tamanho.
Tipos de porosTipos de porosTipos de porosTipos de poros Tamanho dos porosTamanho dos porosTamanho dos porosTamanho dos poros
Macroporos Maiores que 50 nm
Mesoporos Entre 2 e 50 nm
Microporos Entre 0,6 e 2 nm
Ultramicroporos Menor que 0,6 nm
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Massa específica (ρ)
É definida como a massa do material dividido pelo volume ocupado por ele.
� Massa: balança analítica;
� Volume: volume geométrico (sólido com geometria conhecida).
Ex.: Esfera de vidro (diâmetro = 2mm) - (paquímetro).
� Material pequeno (amostra) = picnometria.
Imersão da amostra de partículas em um recipiente preenchido por um
líquido (geralmente água).
Volume de água deslocada = Volume de amostra
Paquímetro
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Métodos para a determinação de tamanho de partículas 
de materiais não homogêneosou heterogêneos
O tamanho representativo da amostra não homogênea é definido como sendo
diâmetro médio, e a maneira de sua determinação consiste na separação
desta amostra em frações homogêneas. O diâmetro característico é obtido
pela análise granulométrica, entretanto, de acordo com a operação utilizada.
Várias maneiras de calcular esta dimensão são apresentadas, e dentre
estas as principais:
Obs.: Nomenclatura adotada - x+	: Porcentagem retida na malha
- D+ : Diâmetro médio entre as malhas que
reteve e a que deixou passar D+ = ,#.,#/0 1�
Métodos para a determinação de tamanho de pertículas
de materiais não homogêneos ou heterogêneos
� Diâmetro médio de volume
�� = �2 =
3
∑ 56�	6
	
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Métodos para a determinação de tamanho de pertículas
de materiais não homogêneos ou heterogêneos
� Diâmetro médio de superfície
�� = �7 =
∑ 56�6
∑ 56�	6
Métodos para a determinação de tamanho de pertículas
de materiais não homogêneos ou heterogêneos
� Diâmetro médio linear
�� = �8 =
∑ 56��6
∑ 56�	6
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Métodos para a determinação de tamanho de pertículas
de materiais não homogêneos ou heterogêneos
� Diâmetro médio de massa
�� = �9 =:56�6
Métodos para a determinação de tamanho de pertículas
de materiais não homogêneos ou heterogêneos
� Diâmetro médio de Sauter
É o mais aplicado em operações unitárias envolvendo sistema sólido-fluido.
�� = ��7 =
3
∑ 56�6
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Análise Granulométrica 
Esta análise é aplicada para amostras heterogêneas com partículas de
diâmetros compreendidos entre 7,0 cm e 40µ.
Análise Granulométrica 
A análise granulométrica consiste em adicionarmos uma amostra de massa
conhecida em uma série de peneiras de aberturas padronizadas, de modo
que as aberturas superiores sejam maiores que as inferiores e sob
agitação, esta massa se distribuirá entre as peneiras, denominadas massas
retidas sendo então calculadas as respectivas porcentagens em massa.
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Análise Granulométrica 
Estas peneiras são padronizadas de acordo com as aberturas e os
diâmetros dos arames das telas de fabricação, denominadas séries, sendo
as principais: U.S.S.B., B.S., TYLER, DIN e AFNOR, entretanto na linguagem
técnica (Engenharias) utilizamos o termo MESH, definido como sendo o
número de aberturas existentes em uma polegada linear, ou seja: uma
peneira 40# Tyler, representa uma tela com 40 aberturas padronizadas da
série Tyler existentes em uma polegada linear.
Análise Granulométrica 
O resultado do análise granulométrica é apresentado sob forma de tabela ou
de gráfico, ou em ambos, onde as frações mássicas representadas em
gramas, denominadas de: massa retida, massa passante, massa retida
acumulada e massa passante acumulada obtidas figuram ao lado do diâmetro
médio.
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Análise Granulométrica – Nomenclatura adotada
# - malha, série.
-A+B – Massa da amostra que passou na malha A e ficou retida na malha B.
5;	 - % retida, também representada como x>�6....
5<= ---- %%%% retida acumulada.
5> - % passante, também representada como x<�6.
5>= - % passante acumulada.
?# - abertura da malha que reteve.
?@ - diâmetro médio.