Cristalização: Processo e Importância na Indústria

Cristalização Universidade de Passo Fundo Disciplina de Operações Unitárias Perry e Green 2008 Cap 18 p 39 Geankoplis 1998 Cap 12 p 815 McCabe Smith e Harinton 1993 Cap 27 Prof Dr Jeferson Steffanello Piccin Introdução jefersonpiccinupfbr A cristalização é importante como um processo industrial devido ao número de materiais que são e podem ser comercializados na forma de cristais Seu amplo uso é devido à forma altamente purificada e favorável de um sólido químico que pode ser obtido a partir de soluções relativamente impuras em uma única etapa de processamento Em termos de equivalências energéticas a cristalização requer muito menos energia para a separação do que a destilação e outros métodos de purificação térmicos comumente usados Além disso ele pode ser realizado em temperaturas relativamente baixas e em uma escala que varia de alguns gramas a milhares de toneladas por dia O produto da cristalização cristais podem ser obtidos de diferentes correntes como por exemplo Soluções concentradas Materiais fundidos ou melaço Vapor Perry e Green 2008 Introdução Cristal pode ser definido como um sólido composto de átomos ou moléculas dispostas em um arranjo ordenado e repetitivo As distâncias interatômicas em um cristal de qualquer material definido são constantes e são características desse material Como o padrão ou arranjo dos átomos ou moléculas se repete em todas as direções existem restrições definidas aos tipos de simetria que os cristais podem possuir Perry e Green 2008 Estrutura cristalina organizada na forma de tetraedro Existem cinco tipos principais de cristais e esses tipos foram organizados em sete sistemas cristalográficos com base nos ângulos interfaciais dos cristais e no comprimento relativo de seus eixos O tratamento da descrição e disposição da estrutura atômica dos cristais é a ciência da cristalografia O material nesta discussão será limitado a um tratamento do crescimento e produção de cristais como uma operação unitária Crystallization of FoodsPart 1 Crystallization of FoodsPart 2 Introdução jefersonpiccinupfbr Como Operações Unitárias Cristalização Processo de separação que se baseia na solubilidade de certas misturas para a produção de cristais com relativa pureza de um componente menos solúvel Exemplos Produção de açúcar Salinas Farmacêutica ácido salicílico Compostos químicos ácido cítrico acetato de sódio Introdução jefersonpiccinupfbr Link Introdução Formas de cristalização Concentração de uma solução redução da quantidade de solvente Ajuste da temperatura para obtensão de uma solução supersaturada Adição de um segundo solvente no qual o soluto não seja solúvel Adição de um segundo soluto precipitação Evaporação Cristalização jefersonpiccinupfbr Equipamentos jefersonpiccinupfbr Perry e Green 2008 Equipamentos jefersonpiccinupfbr Perry e Green 2008 Equipamentos jefersonpiccinupfbr Perry e Green 2008 Equipamentos jefersonpiccinupfbr Perry e Green 2008 Fundamentos Curva de solubilidade As relações de equilíbrio para os sistemas de cristalização são expressas na forma de dados de solubilidade que são plotados como diagramas de fases ou curvas de solubilidade Perry e Green 2008 FIG 1863 Phase diagram MgSO4H2O A curva de solubilidade expressa a quantidade máxima de material solúvel em um determinado solvente Ex jefersonpiccinupfbr Tabelas de solubilidade em água de substâncias puras Perry e Green 2008 Fundamentos Curva de solubilidade jefersonpiccinupfbr x fração mássica do soluto Temperatura da solução Curva de solubilidade 1 fase líquido com sólidos solúveis 2 fases líquido com sólidos solúveis sólidos cristalizado Fundamentos Balanço de Massa jefersonpiccinupfbr Cristalizador L xL S xS C xC W xW0 L alimentação S licor mãe C Cristais W Evaporação x fração do componente de interesse 𝐿 𝐶 𝑆 W Balanço global 1 𝐿𝑥𝐿 𝐶𝑥𝐶 𝑆𝑥𝑆 Balanço para o componente 2 xS T Fundamentos Curva de solubilidade jefersonpiccinupfbr Soluções supersaturadas Ocorre quando uma solução mesmo em concentração superior a de solubilidade apresentase com uma única fase x fração mássica do soluto Temperatura da solução Curva de solubilidade Curva de supersaturação Região Metaestável mesmo saturada só é observado uma fase não ocorre cristalização Início da nucleação Início da nucleação Fonte Geankoplis 1998 Fundamentos Teoria de nucleação jefersonpiccinupfbr Nucleação Primária ocorre em sistemas com certo grau de supersaturação e prevalece a formação de substâncias relativamente puras Homogênea ocorre devido a supersaturação Heterogênea introdução de núcleos estranho Nucleação secundária ocorre devido a presença de cristais já formados Aparente na superfície dos núcleos primários por forças eletrostáticas Por contato devido a agitação do sistema e choques de núcleos já formados que se rompem gerando novos núcleos Camada intermediária núcleos gerados na camada líquida que recobre os núcleos primários Perry e Green 2008 Crystallization of FoodsPart 1 Crystallization of FoodsPart 2 Fundamentos Balanço de Energia jefersonpiccinupfbr Calor entalpia de solubilização Δhs Energia liberada ou absorvida durante a solubilização de um componente Perry e Green 2008 Cristalização Na cristalização essa energia é inversamente proporcional Calor de solubilização Perry e Green 2008 Grandeza de Hs Efeito sobre a solubilidade Tipo de processo termodinâmico Δhs0 Solubilidade aumenta com o aumento da temperatura Endotérmico Δhs0 Solubilidade diminui com o aumento da temperatura Exotérmico Fundamentos Balanço de Energia jefersonpiccinupfbr McCabe et al 1993 Cristalização Fundamentos Balanço de Energia jefersonpiccinupfbr Cristalizador L hL S hS C hC W hS L alimentação S licor mãe C Cristais W Evaporação h Entalpias hD entalpia de dissociação q fluxo de energia na forma de calor Ti temperatura de entrada To temperatura de saída 𝐿ℎ𝐿 ሶ𝑞 𝐶ℎ𝐶 𝑆ℎ𝑆 𝑊ℎ𝑊 𝐶 Δℎ𝑠 Balanço de entalpias 3 ሶ𝑞 Δℎ𝑠 Ti To ሶ𝑞 𝐿 𝑐𝑝𝐿 𝑇𝑜 𝑇𝑖 𝑊 𝜆 𝐶 Δℎ𝑠 Usando como referência a temperatura de saída 4 Exemplo jefersonpiccinupfbr Geankoplis 1998