APOSTILA -SISTEMAS PARTICULADOS (2)

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UNIVERSIDADE DO OESTE DE SANTA CATARINA - CAMPUS DE JOAÇABA 
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS 
CURSO: ENGENHARIA QUÍMICA 
COMPONENTE CURRICULAR: OPERAÇÕES UNITÁRIAS I 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SISTEMAS PARTICULADOS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 PROF. AGOSTINHO DEON 
 
 
 
 
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SUMÁRIO 
 
CAPÍTULO I- INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS PARTÍCULADOS ......................................................... 3 
CAPITULO II- MOVIMENTO DE UMA PARTÍCULA ATRAVÉS DE UM FLUIDO ............................... 12 
CAPÍTULO III- CLASSIFICAÇÃO DE SISTEMAS PARTICULADOS ..................................................... 20 
CAPÍTULO IV- CLASSIFICAÇÃO SÓLIDO-LÍQUIDO- DECANTAÇÃO ................................................ 31 
CAPÍTULO V- CLASSIFICAÇÃO SÓLIDO-LÍQUIDO- CENTRÍFUGAÇÃO ........................................... 46 
CAPÍTULO VI- CLASSIFICAÇÃO SÓLIDO-GÁS- CICLONAGEM........................................................ 55 
CAPÍTULO VII- FILTRAÇÃO ........................................................................................................... 60 
CAPÍTULO VIII- ESCOAMENTO EM LEITOS POROSOS - LEITO FIXO ............................................. 82 
CAPÍTULO IX- ESCOAMENTO EM LEITOS POROSOS- FLUIDIZAÇÃO ............................................ 94 
CAPÍTULO X- TRANSPORTE PNEUMÁTICO ................................................................................ 104 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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CAPÍTULO I- INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS PARTÍCULADOS 
 
1.1. INTRODUÇÃO 
As operações unitárias utilizam as ciências básicas da matemática, física, química 
e biologia em suas aplicações e a ciência da Engenharia. 
Na Engenharia química, o que fundamenta as operações unitárias é a ciência da 
termodinâmica e fenômenos de transporte. Tendo como base os fenômenos de transporte, 
pode-se classificar as operações unitárias conforme a seguir. 
 
 
1.2. SISTEMAS PARTICULADOS 
Na Engenharia Química são muitas as operações unitárias onde tem-se envolvidos 
sólidos particulados, além de fluídos. 
Desta forma, tem-se sistemas particulados: 
• Sólido-Sólido 
• Sólido-Líquido 
• Sólido-Gás 
Em muitos casos os sólidos fazem parte integrante do material que está sendo 
processado. Na maioria das vezes, precisa-se transportar este material para um dado 
processamento. 
 
pode-se classificar as operações unitárias conforme a seguir. 
 
 
 
 
 
 
 
1.1. SISTEMAS PARTICULADOS 
Quantidade de 
movimento 
Transferência de 
calor 
Transferência de 
massa 
Fenômenos 
de transporte 
Operações 
Unitárias 
Sistemas 
fluidomecânicos 
e particulados 
 
Operações 
energéticas 
Operações de 
transferência de 
massa 
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Exemplo de sistema sólido- sólido: 
• Processos de separação de sólidos (por tamanho) por peneiração. 
Exemplos de sistemas sólido-gás 
• Injeção de carvão pulverizado com ar num queimador. 
• Secagem de um material particulado num secador túnel. 
Exemplo de sistema sólido-líquido: 
• Movimento de fluído para separação de particulado de um líquido, no processo 
de sedimentação e filtração. 
Em todos os casos utilizam-se as equações da mecânica dos fluídos para descrever 
os sistemas e a transferência de momento é o processo de transporte que ocorre no 
sistema. 
Durante as próximas aulas serão estudas as principais operações unitárias utilizadas 
para a separação dos sistemas particulados. Os métodos de separação que serão estudados 
envolvem separações mecânicas. Estes métodos mecânicos de separação podem ser 
agrupados em 2 classes gerais: 
A primeira classe são os processos cujo mecanismo é controlado pela ciência da 
mecânica dos fluídos: filtração, sedimentação, centrifugação, elutriação, flotação e 
ciclones. 
A segunda classe de processos são os que não tem o mecanismo descrito pela 
mecânica dos fluídos, por exemplo a peneiração, onde é feito uma separação do material 
por tamanho. 
1.3.CARACTERIZAÇÃO DE PARTÍCULAS 
O conhecimento das características de uma partícula ou de um conjunto de 
partículas é o coração da ciência dos sistemas particulados, haja vista que tais sistemas 
são regidos pela interação partícula/partícula, partículas/fluído (gás ou líquido) e 
interação entre tais fases. 
É importante, em todos estes processos, conhecer as propriedades físicas e 
morfológicas das partículas tais como a porosidade, tamanho e distribuição dos poros, 
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área superficial e massa específica, para que se possa entender os fenômenos que regem 
uma determinada operação unitária. 
1.3.1. Porosidade da partícula 
Qualquer material através do qual é possível encontrar uma passagem contínua de 
um lado para outro deste, o objeto normalmente é dito poroso (ilustração 1.1). 
Desta forma, a porosidade corresponde a relação entre volume ocupado pelos 
poros e /ou vazios e o volume total da amostra. 
 
Porosidade da partícula: 
 
Ilustração 1.1. Poros em uma partícula 
 
 
 
 
 
 
 
No caso de haver partículas em pó, os espaços entre as partículas são chamados 
de volume vazio (ilustração 1.2). 
 
Porosidade do pó: 
 
Ilustração 1.2. Interstícios em pó 
 
 
 
 
 
 
 ɛ𝒑=
𝑽𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆 𝒅𝒐𝒔 𝒑𝒐𝒓𝒐𝒔 𝒂𝒃𝒆𝒓𝒕𝒐𝒔
𝒗𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆 𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 𝒅𝒂 𝒑𝒂𝒓𝒕í𝒄𝒖𝒍𝒂
 
 ɛ𝒑 =
𝑽𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆 𝒅𝒐𝒔 𝒑𝒐𝒓𝒐𝒔 𝒂𝒃𝒆𝒓𝒕𝒐𝒔
𝒗𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆 𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 𝒅𝒂𝒔 𝒑𝒂𝒓𝒕í𝒄𝒖𝒍𝒂𝒔
 
 
 
 
 
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O valor da porosidade vai depender do tipo de material e pode variar de valores 
próximo a zero até perto de um. Os poros podem ser classificados conforme tabela 1.1. 
 Tabela 1.1. Tamanho dos poros 
Tipos de Poros Tamanho de Poros (nm) 
Macroporos Maiores que 50 
Mesoporos Entre 2 e 50 
Microporos Entre 0,6 e 2 
Ultramicroporos Menor que 0,6 
 
 
1.3.2. Massa Específica da partícula 
A massa específica de um material é definida como a massa desse material 
dividida pelo volume ocupado por ele. A massa do material (partícula) é facilmente 
determinada através de uma balança analítica. No caso do volume, já não pode ser medido 
diretamente, pois a forma geométrica normalmente não permite e, muitas vezes, é 
impossível devido ao pequeno tamanho da partícula. Desta forma, o volume pode ser 
medido indiretamente, através do Método de Arquimedes. Coloca-se a amostra do 
material num recipiente com água e mede-se o volume deslocado. 
Volume da amostra = volume de água deslocado, sendo que: 
 Vágua deslocada = 
𝒎𝑯𝟐𝑶
𝝆𝑯𝟐𝑶
 
 
Desta forma, tem-se como massa específica da partícula (ρp): 
 
 
O Método de Arquimedes (técnica de picnometria) pode ser utilizado quando se 
tem sólidos não porosos. No caso de sólidos porosos, faz-se a necessidade de medição de 
2 massas específicas: uma não considerando os poros e outra considerando os poros. Por 
exemplo, pode-se tomar uma partícula e medir com o auxílio de um paquímetro e 
considerar esférica. O volume é facilmente calculado. 
Neste caso, tem-se a porosidade aparente, que é dada por: 
𝑽𝒂𝒎𝒐𝒔𝒕𝒓𝒂 = 
𝒎𝑯𝟐𝑶
𝝆𝑯𝟐𝑶
 
 
ρp = 
𝒎𝒂𝒎𝒐𝒔𝒕𝒓𝒂 (𝒑𝒂𝒓𝒕í𝒖𝒍𝒂)
𝑽𝒂𝒎𝒐𝒔𝒕𝒓𝒂
 
ρPa = mp/Volume total 
 
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Se considerarmos a porosidade, excluindo os poros, tem-se como massa específica real: 
 
 
A massa específica real é maior que a aparente (será igual para materiais de baixa 
porosidade). Pode-se obter a porosidade do material através da relação das massas 
específicas real e aparente, através de: 
 
 
1.3.3. Fator de forma e Área Específica Superficial 
O conhecimento da área superficial é de suma importância no estudo de 
fenômenos e operações de transferência de calor,