Cristalização -_ Operações unitárias B

Seminário sobre cristalização

1. Cristalização Antônio Carlos, Augusto Marques, Júlia Figueiredo e Marina Borges 1

2. sumário Introdução Etapas do processo Técnicas de Cristalização Equipamentos Aplicações Indústrias Balanço de massa Exercício 2

3. Introdução Cristalização é a conversão de uma substância ou várias substâncias do estado gasoso, líquido ou sólido amorfo para o estado cristalino . Um sólido é dito cristalino se os átomos e moléculas que o constituem estão organizados em uma estrutura tridimensional regular. A cristalização é uma operação de finalização de produtos em indústrias químicas e farmacêuticas. 3

4. Introdução 4

5. introdução A razão de enfatizar essa operação está no fato de que a cristalização é uma operação de finalização de produtos em indústrias químicas e farmacêuticas e afeta diretamente na pureza do produto e pode evitar ou diminuir propriedades indesejáveis no produto final, como por exemplo: Empedramento; retenção demasiada de umidade; Altas perdas de material devido à formação de pó. 5

6. Etapas do processo NUCLEAÇÃO: etapa em que as moléculas do soluto dispersas no solvente começam a se juntar em aglomerados, em escala nanométrica . É no estágio de nucleação que os átomos se arranjam de uma forma definida e periódica que define a estrutura do cristal. CRESCIMENTO DO CRISTAL: é o subsequente crescimento do núcleo que atingiu o tamanho crítico do aglomerado. A nucleação e o crescimento continuam a ocorrer simultaneamente enquanto a supersaturação existir. 6

7. Etapas do processo Para que as duas etapas citas ocorram de forma satisfatória é necessário ter um sistema supersaturado. A velocidade da nucleação e do crescimento do cristal dependem da supersaturação, sendo assim, ela é a força eletromotriz do processo de cristalização. Quando a supersaturação é ultrapassada, o sistema sólido-liquido atinge o equilíbrio e a cristalização está completa. É importante salientar também que é necessário AGITAÇÃO no processo, pois assim ocorre a aproximação e choque das moléculas. 7

8. Etapas do processo 8 Esquema do processo de nucleação e crescimento .

9. Técnicas de cristalização Os diferentes métodos de geração de sobressaturação são aplicados em qualquer cristalizador contínuo em condições de funcionamento constante no tempo: Temperatura; Pressão; Sobressaturação; Concentração de sólidos. 9

10. Técnicas de cristalização 10

11. Técnicas de cristalização Há várias técnicas de cristalização, identificadas de acordo com o método pelo qual a supersaturação é alcançada: Resfriamento; Evaporação; Vácuo – resfriamento adiabático; Adição de antissolvente ( drowning out, salting out); Reação química. 11

12. Técnicas de cristalização RESFRIAMENTO POR TROCA TÉRMICA Este método é utilizado quando a variação da solubilidade com a temperatura é importante. O arrefecimento é obtido por troca térmica com as paredes do cristalizador. Os cristalizadores por arrefeciemento podem ser contínuos ou descontínuos. 12

13. TÉCNICAS DE CRISTALIZAÇÃO CRISTALIZAÇÃO INDUZIDA Compreensão da cristalização induzida por adição de um corpo que não provocará reação química, mas somente uma modificação da solubilidade. Se duas ou mais substâncias são dissolvidas em um solvente, sendo assim o composto adicionado reduz a solubilidade do soluto, ocorrendo a precipitação. É um processo que reduz o consumo de energia. 13

14. Técnicas de cristalização CRISTALIZAÇÃO POR REAÇÃO QUÍMICA Cristalização por reação química entre 2 compostos solúveis para formar um composto insolúvel, o que chamamos de precipitação. Um exemplo é o Processo Solvay, um processo industrial criado por Ernest Solvay no século XIX para a obtenção de carbonato de sódio. 14

15. Técnicas de cristalização CRISTALIZAÇÃO POR REAÇÃO QUÍMICA Na primeira etapa a salmoura é saturada de NH 3 , de forma a, além dos íons sódio e cloreto, gerar em solução amônio e hidroxila. Em seguida, injeta-se CO 2 na solução, de forma que ocorram as reações subsequentes, resultando em NaHCO 3 , que, nas condições do processo, precipita. O NaHCO 3 é então filtrado da solução e aquecido até a calcinação, de forma a produzir o Na 2 CO 3 . 15

16. TÉCNICAS DE CRISTALIZAÇÃO CRISTALIZAÇÃO POR EVAPORAÇÃO Neste caso, a solução é concentrada a temperatura constante por evaporação do solvente geralmente sob pressão reduzida; A evaporação é garantida pelo calor ao atravessar um trocador de calor seja dentro do aparelho ou em recirculação externa; Processo utilizado quando a solubilidade varia um pouco com a temperatura. 16

17. equipamentos TANQUES DE CRISTALIZAÇÃO Constituído por: Tanque com agitação Fundo Cônico Serpentinas de resfriamento 17

18. equipamentos TANQUES DE CRISTALIZAÇÃO Funcionamento: Escoamento da solução quente Resfriamento da solução Raspagem ou agitação dos cristais 18

19. equipamentos TANQUES DE CRISTALIZAÇÃO Vantagens: Indicado para pequenas escalas Processo eficaz e barato Desvantagens: Solubilidade mínima na superfícies das serpentinas; Muitas despesas na mão de obra; Levam a um produto muito irregular. 19

20. equipamentos TANQUES DE CRISTALIZAÇÃO Utilizados na cristalização do açúcar: Adição do mel na água quente Formação de cristais Aumento da concentração até mudar a aparência Resfriamento da temperatura 20

21. equipamentos EVAPORADOR Funcionamento: Aquecimento do líquido Vaporização em “flash” – redução da pressão por uma válvula de estrangulamento Diminui a quantidade de solução Ocorre a cristalização 21

22. equipamentos EVAPORADOR Escolha dos cristais: Apenas cristais grandes podem sedimentar Cristais menores voltam pro vaporizador 22

23. equipamentos EVAPORADOR Dificuldades: Sensibilidade ao calor Incrustações Corrosão Falta de espaço 23

24. equipamentos CRISTALIZADOR A VÁCUO Funcionamento: Vaporização pelo calor da carga Resfriamento do líquido ao passar para outro “flash” Ocorre a cristalização 24

25. Equipamentos 25

26. Aplicações industriais Alimentícias (sal de cozinha e açúcar);  Farmacêuticas (ácido bórico);  Químicas(sulfato de sódio e amônia para produção de fertilizantes; compostos para inseticidas; carbonato de cálcio para as indústrias de papel, cerâmica e plástico);  Mineral (óxido de alumínio retirado da bauxita);  Metalúrgico (níquel; alumínio). 26

27. Aplicações industriais CRISTALIZAÇÕES DE PROTEÍNA 27

28. Aplicações industriais CRISTALIZAÇÃO DE NaCl 28

29. Aplicações industriais OBTENÇÃO DE AÇÚCAR A PARTIR DE CANA-DE-AÇUCAR 29

30. Balanço de massa 30

31. Exercício São colocados em um cristalizador 160g de solução aquosa saturada de sacarose a 30°C, que serão resfriados a 0°C. Quanto do açúcar cristaliza, sabendo que não se perde nenhuma parte de água? Dados: Temperatur a (°C) Solubilidade de sacarose g/100g de H 2 O 180 30 220 31

32. Referências Disponível em < https://www.passeidireto.com/arquivo/6087780/operacoes-unitarias-iii---cristalizacao > , acessado em 07/01/2017. Disponível em < http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfCFwAC/cristalizacao-cozimento-acucar-2# >, acessado em 07/01/2017. COSTA, C.B.B., GIULIETTI, M. Introdução à Cristalização: Princípios e Aplicações São Carlos: EdUFSCar , 2010 Disponível em < http://sistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5817066/LOQ4086/cristalizacao.pdf >, acessado em 07/01/2017. Disponível em http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?option=com_content&task=view&id=42&Itemid=159 . acessado em 10/01/2017 Disponível em http://pt.slideshare.net/silvaniamendesmoreschi/cristalizao-25618984 , acessado em 10/01/2017 Disponível em http://pt.slideshare.net/AnglicaMariaBenedetti/cristalizao-22865348 , acessado em 10/01/2017 32