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UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
OPERAÇÕES UNITÁRIAS DA INDÚSTRIA QUÍMICA I
HORÁRIO: 37/ 58-59
PROFESSORA: Dra. Laura B. Gonella
Análise Granulométrica de PolietilenoMoído de Alta Densidade (PEAD)
Daiana Baldo
Daiane Torani
Érico Baroni
Felipe Canabarro
Juliana Zardo
Caxias do Sul, 12 de maio de 2011.
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1.0 Objetivos
1.1. Objetivos gerais:
Caracterizar através de peneiramento mecânico a distribuição
granulométrica de uma amostra de polietileno aglutinado.
1.2 Objetivos específicos:
Através da utilização dos dados obtidos empiricamente, efetuar a Análise
Granulométrica Diferencial (AGD), Análise Granulométrica de Acumulados – AGAR –
AGAF;
Calcular o número total de partículas presentes na amostra.
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2.0. Introdução
A análise granulométrica de amostras consiste na utilização de peneiras para se
efetuar a classificação e a separação de um material em suas diversas frações de
partículas com tamanhos diferentes e a subsequente análise estatística dos dados
obtidos.
Neste peneiramento, existe uma separação, segundo o tamanho geométrico das
partículas, o que leva a obtenção de frações mais homogêneas, facilitando sua utilização
em processos subsequentes e conferindo uniformidade ao peneirado. Usualmente, este
peneiramento segue um padrão de classificação, como as peneiras padrão da Série Tyler
e as peneiras padrão da Série ASTM. No presente trabalho, as peneiras Tyler foram
utilizadas.
Este tipo de classificação tem como unidade de medida o que se conhece por
mesh. O mesh nada mais é do que a razão entre os furos de uma malha da peneira e sua
área superficial, produzindo assim uma relação percentual, onde o mesh define o
tamanho do grão obtido, e assim, a média aritmética das aberturas destas malhas servirá
para caracterizar o tamanho da partícula. Desta forma, o peneiramento utiliza malhas
que são progressivamente menores, retendo em cada peneira partículas com pequena
variação de tamanho, obtendo assim frações mais distintas e menos heterogêneas.
A análise granulométrica é de suma importância em diversos ramos de ciência
e também é amplamente utilizada na indústria. A classificação por geometria não
somente auxilia no acondicionamento, transporte e estocagem de materiais, mas como
também confere uniformidade às matérias-primas, facilitando assim sua utilização
industrial posterior em dissoluções de compostos salinos, fusões de polímeros,
sinterização de metais e cerâmicas, etc., ou sua utilização científica na análise de solos e
bacias hidrográficas, no estudo de nutrição animal, nos estudos de imunologia humana
de fármacos e na otimização de inúmeros processos.
Dentre muitas de suas aplicações, a análise granulométrica de polímeros
permite que seja obtida uma matriz fundida mais uniforme, o que tem por consequência
o menor gasto com matérias-primas, a otimização do processo, a diminuição de falhas
nos produtos industrializados e um melhor controle das condições do sistema durante os
processos de beneficiamento como o sopro, a injeção e a extrusão de polímeros.
O polietileno (PE) é um polímero semicristalino e flexível que possui
diferenciados tamanhos e classificações de sua cadeia carbônica. Por sua matriz
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parafínica, seu alto peso molecular e sua estrutura parcialmente cristalina, apresentam
grande estabilidade química, além de serem atóxicos em condições normais, podendo
assim ser utilizados em indústrias do ramo farmacêutico e alimentício, representando
desta forma um dos polímeros mais importantes no contexto econômico-industrial
devido a sua arraigada utilização e aplicação, constituindo aproximadamente 60% da
demanda mundial de plásticos.
São encontrados no mercado sob cinco diferentes formas:
PE de baixa densidade (PEBD ou LDPE);
PE de alta densidade (PEAD ou HDPE);
PE linear de baixa densidade (PELBD ou LLDPE);
PE de ultra alto peso molecular (PEUAPM ou UHMWPE); e,
PE de ultra baixa densidade (PEUBD ou ULDPE).
Cada uma das formas de apresentação deste polímero é obtida através de
processos produtivos diferentes o que lhes conferem, também, características distintas,
que são amplamente regidas pela fração cristalina que o constitui.
A polimerização sob baixa pressão e com o uso de catalisadores apropriados
origina o PEAD, variedade do polímero que apresenta maior linearidade e uma maior
cristalinidade da matriz polimérica relativamente ao de baixa densidade. Já que neste
processo o empacotamento das cadeias carbônicas é mais eficiente, as forças de
interação intermoleculares serão mais intensas, o que acarreta tanto num incremento na
densidade do material como também em uma maior cristalinidade do polímero, o que
acaba por alterar suas características mecânicas.
O PEAD é utilizado em diversos segmentos da indústria de plásticos, podendo
ser processado pela moldagem a sopro, extrusão e moldagem por injeção, cada uma
delas gerando produtos com diferentes aplicações em uma extensa gama de
possibilidades e mercados:
Injeção – produção de baldes, bacias, bandejas, banheiras infantis,
brinquedos, brinquedos, conta-gotas, jarros, potes, assentos e caixas sanitárias, tampas,
boias, etc.;
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Sopro – confecção de “bombonas”, tanques e tambores de 60 a 250 litros
de capacidade (onde a resistência a queda, aos produtos químicos e ao empilhamento
são fatores decisivos), frascos de 1 a 60 litros onde a resistência ao fissuramento sob
tensão e a resistência por fendilhamento ambiental são mandatárias) e brinquedos
atóxicos;
Extrusão – é aplicado no isolamento de fios telefônicos, sacos para
congelados, revestimento de tubulações metálicas, polidutos, tubos de rede de
saneamento e de distribuição de gás, dutos de minerações e drenagem, barbantes de
costura, redes para embalagens de frutas, fitas decorativas, sacos de lixo e sacolas de
supermercados.
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3.0. Metodologia
Primeiramente, as peneiras da série Tyler de mesh 6, 10, 35, 48 e fundo foram
limpas com pincel macio e pesadas em balança analítica, onde as massas das peneiras
vazias foram registradas.
Na sequência, uma amostra contendo 300 gramas de polietileno de alta
densidade moído de massa específica 0,952 g/mm³, foi acondicionada na peneira
superior, que apresenta uma abertura de malha maior que as seguintes e o sistema de
peneiramento mecânico foi acionado e permaneceu durante 15 minutos com frequência
de vibração máxima. No término do tempo pré-definido para o experimento, as peneiras
foram pesadas e assim foi possível calcular a massa de polímero retida em cada peneira.
A Figura 1 mostra um equipamento de peneiramento similar ao utilizado neste estudo:
Figura 1 – Sistema de peneiramento mecânico série padrão Tyler.
Fonte: http://diqky.blogspot.com/2009/11/sieve-shaker-in-mining-laboratory.html
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Para fins de cálculo, consideraram-se as partículas como esferas perfeitas, ou seja,
esfericidade = 1, logo, parâmetro b = π /6.
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4.0. Resultados e Discussões
A massa de cada uma das peneiras e do fundo utilizadas foi pesada antes da adição
do polietileno moído e após o peneiramento. A Tabela 1 apresenta os valores obtidos.
Tabela 1 - Valores de massa das peneiras antes e após a adição do PE e realização do peneiramento.
Mesh Massa das Peneiras vazias (g) Massa das Peneiras com PE (g)
6 460,90 692,40
06/10 482,08 535,70
10/35 416,22 430,80
35/48 452,74 453,00
48/Fundo 350,55 350,60
A Tabela 2 mostra os valores de acumulado retido (Δφ), ou seja, a fração
percentual de material ficou retida em cada peneira após o peneiramento e alguns
cálculos preliminares necessários para a obtenção do diâmetro médio superficial das
partículas, além de realizar uma estimativa da quantidade de partículas presentes em
300 g de material utilizado.
Tabela 2 – Valores calculados necessários para caracterização dimensional do material analisado.
Mesh Acumulado
retido (g)
Δφ Di
(mm)
Di³
(mm³)
Δφ/Di³
(mm-³)
Δφ/Di
(mm-1)
6 231,5 0,7717 3,3270 36,8263 0,0210 0,2319
06/10 53,62 0,1787 2,4890 15,4197 0,0116 0,0718
10/35 14,57 0,0486 1,0340 1,1055 0,0440 0,0470
35/48 0,26 0,0009 0,3560 0,0451 0,0192 0,0024
48/Fundo 0,05 0,0002 0,1475 0,0032 0,0519 0,0011
Σ=300,00 Σ=1,0000 Σ=0,1477 Σ=0,3543
Com os dados obtidos, pode-se constatar que a maior quantidade de partículas ficou
retida na peneira Tyler de mesh 6, ou seja, a distribuição geométrica das partículas
apresenta diâmetro médio superior a 3,327 mm. Este resultado pode ser observado ao
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analisar-se o Gráfico 1, que apresenta a relação da fração de massa retida com o
diâmetro médio de cada peneira e evidencia o diâmetro da peneira Tyler de mesh 6.
Gráfico 1: Relação entre o diâmetro médio das partículas de polietileno moído com a fração
retida em cada peneira e com a peneira Tyler.
Através da análise do gráfico acima, constata-se que 77,17 % das partículas de
polietileno moído não passaram pela peneira Tyler de mesh 6, apresentando diâmetro
médio superior ao da respectiva peneira.
Através da análise granulométrica não foi possível classificar o material quanto
ao tamanho de partículas, uma vez que não foi definido qual o diâmetro médio das
partículas que ocorre em maior quantidade. Para tal classificação seria necessário
realizar uma nova análise com peneiras de abertura de malha maior, ou seja, inferiores
ao mesh 6, para poder determinar uma faixa de maior incidência de partículas e assim,
poder defini-lo entre os cinco tipos de sólidos particulados existentes.
4.1 Cálculo do Diâmetro Médio Superficial (Ds)
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
F r a ç ã o R
e t i d a
Di (mm)
Di x Fração Retida
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Ds = 1,549 mm
O cálculo do Diâmetro Médio Superficial das partículas é importante, pois se
pode relacionar esta variável com a área superficial total de cada partícula, propriedade
importante em algumas análises, como em sólidos adsorventes, catalisadores, etc.
4.1 Cálculo do Número de Partículas (N)
N = 8,889 x 104 partículas
E, o cálculo do número total de partículas, permite a estimativa da área total
formada pelo particulado, área esta que é de indispensável conhecimento em, por
exemplo, reações catalíticas heterogêneas e em processos fermentativos industriais para
determinação dos parâmetros ótimos e scale-up de processos.
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5.0. Conclusões
Através da análise granulométrica realizada para a amostra de polietileno moído
constatou-se que a maior quantidade de partículas apresenta diâmetro médio maior que
3,327 mm, valor esse, que representa a abertura de malha da peneira Tyler de mesh 6.
Pode-se concluir também que não foi possível realizar a classificação das
partículas quanto ao seu tamanho, sendo necessária a realização do ensaio com peneiras
de abertura de malha maior para uma análise mais efetiva.
E por fim, chegou-se a um número total médio de 8,9 x 104
partículas em 300
gramas de polietileno moído.
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6.0 Referências bibliográficas
BRASKEM. Folha de dados: Propriedades dos produtos. Disponível em:
http://www.braskem.com.br/site/portal_braskem/pt/produtos_e_servicos/folha_dados/fo
lha_dados.aspx?id=1&linha=Poliolefinas&familia=Polietileno (PE). Acesso em:
06/05/11.
GOMIDE, Reynaldo. Análise granulométrica. In: Manual de Operações Unitárias. 2.
ed. São Paulo: R. Gomide, 1991.
PERRY, Robert H.; GREEN, Don W. Perry's chemical engineers' handbook. 7.ed.
New York, N.Y.: McGraw-Hill, 1997. [xvi, 1650] p. (McGraw-Hill Chemical
Engineering Series) ISBN 0070498415.
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