Balanço de Massa e Energia Aula 5

Tamanho: px

Começar a partir da página:

Download "Balanço de Massa e Energia Aula 5"

Melissa Lopes Aldeia
8 Há anos
Visualizações:

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

A solubilidade depende da natureza do soluto, da natureza do solvente e da temperatura.

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.

Região B: compreende a área entre as curvas de saturação e supersaturação, e é chamada região metaestável.

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

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

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

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

Na fórmula de um sal hidratado, deve vir indicado o grau de hidratação.

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.

cristalizadores descontínuos sem agitação; cristalizadores descontínuos com agitação; cristalizador contínuo

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.

extremidade enquanto vai sendo resfriada.

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.

Vapor Produzido Alimentação Vapor Condensado Suspensão baixa taxa de produção; incrustações.

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.

Vapor Produto Alimentação Nestes cristalizadores a evaporação é obtida pelo flash da solução quente num vaso a

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

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

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

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.

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

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.

Documentos relacionados

Departamento de Química Inorgânica 2. SOLUÇÕES

Departamento de Química Inorgânica 2. SOLUÇÕES 2. SOLUÇÕES I. INTRODUÇÃO Soluções são misturas homogêneas de dois ou mais componentes, sendo que estes estão misturados uniformemente em nível molecular. Em nosso cotidiano temos diversos exemplos de