Balanço de Massa e Energia Aula 5

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1 Balanço de Massa e Energia Aula 5 Solubilidade, Saturação e Cristalização. Solubilidade: A solubilidade de um sólido (soluto) em uma solução é a quantidade máxima desta substância que pode ser dissolvida em um determinado solvente. A solubilidade depende da natureza do soluto, da natureza do solvente e da temperatura. Uma solução que contem, no equilíbrio, tanta quantidade de uma espécie dissolvida quanto é capaz de manter, é chamada de solução saturada naquele soluto. Cristalização: A cristalização é o inverso da solubilização de um sólido. Quando por alguma razão a concentração de saturação de uma solução é ultrapassada, parte do soluto se separa da solução, e precipita na forma de cristais sólidos, de modo a manter a solução saturada. 1

2 Concentração (g soluto/100 g de solvente) Cristalização Curva de supersaturação B A C Curva de saturação Temperatura

3 Concentração (g soluto/100g de solvente) Curva de supersaturação A B C Região A: a região A é delimitada pela curva de supersaturação e é muito instável. Nessa região os cristais se formam rapidamente e de forma espontânea. Esta nucleação espontânea é chamada de nucleação primária. Região B: compreende a área entre as curvas de saturação e supersaturação, e é chamada região metaestável. Nessa região a taxa de iniciação da cristalização é baixa e os agregados de moléculas formados se dispersam novamente, não havendo crescimento de cristais, ao menos que "sementes" de cristais sejam adicionadas à solução e sobre as quais é depositado o soluto da solução até que a solução atinja a saturação. Essa nucleação, a partir da semeadura, é chamada de nucleação secundária e é mais efetiva e usada que o método anterior. Curva de saturação Temperatura Região C: essa região é estável e apresenta uma única fase. É limitada pela curva de saturação e a solução se encontra insaturada. Sementes são pequenos cristais, em geral, do próprio soluto. A supersaturação é a força motriz do processo de cristalização.

4 A supersaturação da solução pode ser definida como a diferença entre a concentração real do soluto considerado e a concentração de equilíbrio em condições idênticas, isto é, sua solubilidade na solução dada. Essa supersaturação pode ocorrer de diversas formas: Exemplos resfriamento da solução; evaporação de parte do solvente; resfriamento e evaporação; evaporação adiabática do solvente.

5 Balanço de Massa e Energia Aula 5 Solubilidade, Saturação e Cristalização. Efeito do par Soluto-Solvente: g AgNO 3 por 100 g de H 2 O a 20 o C; - 0,003 g AgCO 3 por 100 g de H 2 O a 20 o C; - 0,00002 g AgBr por 100 g de H 2 O a 20 o C Efeito da Temperatura: g AgNO 3 por 100 g de H 2 O a 20 o C; g AgNO 3 por 100 g de H 2 O a 100 o C 5

6 Balanço de Massa e Energia Aula 5 Solubilidade, Saturação e Cristalização. Sais Hidratados: São sais que possuem moléculas de água integradas ao seu arranjo cristalino. As moléculas de água encontram-se em uma proporção determinada em relação á fórmula do sal. A essa proporção damos o nome de grau de hidratação. Na fórmula de um sal hidratado, deve vir indicado o grau de hidratação. O número de moléculas de água associadas com cada molécula de soluto (água de hidratação) pode variar com a temperatura de cristalização. Fórmula Nome % peso de MgSO 4 Condições MgSO 4 Sulfato de magnésio anidro 100,0 >100 o C MgSO 4.H 2 O Sulfato de magnésio monoidratado 87,0 67 a 100 o C MgSO 4.6H 2 O Sulfato de magnésio hexaidratado 52,7 48 a 67 o C MgSO 4.7H 2 O Sulfato de magnésio heptaidratado 48,8 2 a 48 o C MgSO 4.12H 2 O Sulfato de magnésio dodecaidratado 35,8-4 a 2 o C 6

7 Tipos de Cristalizadores 1. Cristalizadores que conseguem a precipitação mediante o resfriamento de uma solução concentrada: Exemplos cristalizadores descontínuos sem agitação; cristalizadores descontínuos com agitação; cristalizador contínuo Swenson-Walker. raramente usados; ocupam muito espaço; produtos de baixa qualidade; exige muita mão-de-obra. contêm serpentinas de resfriamento; baixo custo de instalação; operação simples; baixa capacidade.

8 Cristalizador contínuo Swenson-Walker Neste cristalizadores a solução quente, concentrada, é introduzida continuamente numa das extremidades do cristalizador e flui lentamente para a outra extremidade enquanto vai sendo resfriada. cristalizador de resfriamento com operação contínua; consiste de uma calha grande semi-circular; possui uma camisa de resfriamento; possui um misturador de fitas.

9 2. Cristalizadores que conseguem a precipitação mediante a evaporação de uma solução: Exemplos cristalizador sem agitação com aquecimento; cristalizador agitado com aquecimento. Vapor Produzido Alimentação Vapor Condensado Suspensão baixa taxa de produção; incrustações. circulação natural pelo centro, usado nas indústrias de açúcar, às vezes com agitador auxiliar.

10 3. Cristalizadores que conseguem a precipitação mediante a evaporação a vácuo e resfriamento: Exemplo cristalizador com circulação externa. Vapor Produto Alimentação Nestes cristalizadores a evaporação é obtida pelo flash da solução quente num vaso a baixa pressão. A energia para a vaporização é obtida pelo calor sensível da carga. Por isso, a temperatura da mistura de líquido e vapor, depois do flash, é muito mais baixa que antes do flash.

11 Balanço de Massa e Energia Aula 5 Solubilidade, Saturação e Cristalização. Exemplo 1) Uma solução de cloreto de sódio na água, está saturada a uma temperatura de 15ºC. Calcular o peso de NaCl que pode dissolver-se em 100 lb desta solução, se ela se aquecer a uma temperatura de 65ºC. Dados: Solubilidade do NaCl a 15ºC: 6,12 lb-mol por 1000 lb de água Solubilidade do NaCl a 65ºC: 6,37 lb-mol por 1000 lb de água Exemplo 2) Depois de um processo de cristalização uma solução de cloreto de cálcio na água contém 62 lb de CaCl 2 por 100 lb de H 2 O. Calcular o peso desta solução necessário para dissolver 250 lb de CaCl 2 6H 2 O a uma temperatura de 25ºC. Dados: Solubilidade do CaCl 2 a 25ºC: 7,38 lb-mol por 1000 lb de água 1

12 Balanço de Massa e Energia Aula 5 Solubilidade, Saturação e Cristalização. Exemplo 3) Cento e cinqüenta quilos de uma solução aquosa de AgNO 3 a 100 o C são resfriados a 20 o C, formando cristais e AgNO 3, que são filtrados e removidos da solução remanescente. A torta úmida de filtro, que contém 80% em peso de cristais sólidos e 20% de solução saturada, passa através de um secador no qual a água remanescente é eliminada. Calcule a fração de AgNO 3 na corrente de alimentação posteriormente recuperada na forma de cristais secos e a quantidade de água que deve ser removida na etapa de secagem. 150 kg 100 o C 0,905 kg AgNO 3 /kg kg H 2 O/kg CRISTALIZADOR Torta de filtro m 2 [kg AgNO 3 (S)] m 3 (kg solução) AgNO 3 (S) + solução saturada a 20 o C 80% Sólidos 20% Solução Saturada FILTRO SECADOR Filtrado m 1 (kg solução) 0,689 kg AgNO 3 /kg 0,311 kg H 2 O/kg m 4 [kg H 2 O (V)] m 5 [kg AgNO 3 (S)] 1

13 Balanço de Massa e Energia Aula 5 Solubilidade, Saturação e Cristalização. Exemplo 4) Uma solução de sulfato de magnésio a 104 o C contendo 30,1% em massa de MgSO 4 alimenta um cristalizador por resfriamento que opera a 10 o C. A corrente que sai do cristalizador é uma lama de partículas sólidas de sulfato de magnésio heptaidratado [MgSO 4 7 H 2 O] suspensa em uma solução líquida. A solução saturada a 10 o C contém 23,2% em massa de MgSO 4. Determine a vazão na qual a solução deve alimentar o cristalizador para produzir uma tonelada de sulfato de magnésio heptaidratado por hora. CRISTALIZADOR T = 104 O C 30,1% MgSO 4 69,9% H 2 O T = 10 O C 1t MgSO 4 7H 2 O MgSO 4 7 H 2 O Solução Saturada MgSO 4 : - 23,1% MgSO 4-76,8% H2O 1

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