Operações Unitárias II

Transcrição

1 CRISTALIZAÇÃO Operações Unitárias II Prof. Félix Monteiro Pereira

2 Cristalização Operação unitária baseada na variação da solubilidade de sólidos em líquidos com a temperatura ou com a quantidade de solvente; Transferência de Massa e de Calor.

3 Força Motriz: Supersaturação Gradiente de temperatura; Remoção do solvente; Adição anti-solvente; Reação química.

4 Nucleação É a formação de núcleos cristalinos a partir de uma solução supersaturada; Ocorre de forma ocasional pela associação aleatória do soluto.

5 Nucleação Mecanismos de Nucleação

6 Agitação Cristais menores e mais uniformes; Tempo menor de operação e maior pureza. Acetato de Sódio

7 Semeadura

8 Crescimento dos Cristais Depende das condições de fluxo do fluido, a natureza das superfícies dos cristais, a presença ou ausência de impurezas na solução; Produto final: sólidos de estrutura integrada de unidades regulares que se repetem para constituir uma rede tridimensional. Sulfato de Amônio Nitrato de Potássio

9 Poliformismo Cristais que possuem diferentes estruturas cristalinas. Formas Polifórmicas do Ritonavir

10 Poliformismo Ilustração de polimorfismo ocasionado pela cristalização em diferentes solventes:

11 Tipos de Cristalização

12 Cristalização por Arrefecimento É a forma mais eficaz para produzir a supersaturação, nos casos em que a solubilidade aumenta muito com a temperatura; Os cristalizadores de arrefecimento podem ser contínuos ou descontínuos.

13 Cristalização por Arrefecimento Cristalizador Descontínuo Indicados para processamento de pequeno porte; Vantagens: Baixo custo de instalação; Operação simples. Desvantagens: Solubilidade mínima nas superfícies das serpentinas; São dispendiosos em relação a mão-de-obra; Levam a produto muito irregular.

14 Cristalizador por Arrefecimento Cristalizador Contínuo Swenson-Walker Projetado em 1920; Grande calha semicilíndrica; Superfície raspada; Agitador helicoidal; Líquido mãe retorna ao processo e os cristais úmidos são centrifugados. Cristalizador Swenson-Walker

15 Cristalização por Evaporação Operação responsável por concentrar a solução através da vaporização do solvente por ebulição; A evaporação juntamente com a cristalização é uma operação na qual ocorrem diversos processos de transferência de calor e massa.

16 Cristalização por Evaporação Na indústria, o equipamento de evaporação é construído para operar continuamente, com uma grande superfície de troca térmica, ebulição muito violenta, levando a uma rápida evolução de líquido para vapor; É comum encontrar os seguintes problemas: espumejamento, formação de incrustações, sensibilidade ao calor, corrosão e limitações no espaço.

17 Cristalização por Evaporação Incrustações Partículas sólidas provenientes da evaporação da solução são depositadas na parede do equipamento. Solubilidade invertida : quando a solubilidade decresce com o aumento da temperatura.

18 Cristalização por Evaporação Evaporador Cristalizador Somente cristais grandes podem sedimentar; Os cristais menores retornam ao evaporador; Classificação.

19 Cristalização por Evaporação Cristalizador Oslo Efetua o controle da distribuição granulométrica dos cristais (DGC), necessário para que o produto final seja de qualidade, sendo essa uma das grandes preocupações dos projetistas dos cristalizadores. O aquecedor externo também pode ser usado como resfriador.

20 Cristalização por Evaporação Cristalizador-evaporador de circulação forçada, três andares Cristalizador Krystal

21 Cristalização por Evaporação Cristalizador a Vácuo A evaporação é obtida pelo flash da solução quente num vaso a pressão baixa. Pode ser operada continuamente ou descontinuamente.

22 Cristalização por Evaporação Cristalizador a Vácuo

23 Cristalização Drowning-Out Também conhecido por salting-out; A cristalização se dá pela adição de um não-solvente, composto que reduz a solubilidade do soluto; Vantagem: reduz o consumo de energia.

24 Cristalização Fracionada Processo de separação de misturas; Os solutos são sólidos e estão dissolvidos num solvente; Ocorre a evaporação do solvente, provocando a cristalização das substâncias separadamente.

25 Cristalização Fracionada Este processo é utilizado nas salinas, por exemplo, para obtenção de sais da água do mar, onde a água evapora e os diferentes tipos de sais cristalizam-se separadamente.

26 Equipamentos de Cristalização Tanque Funcionamento consiste em bombear a solução quente de alimentação para um tanque não agitado; O arrefecimento ocorre normalmente por convecção natural e radiação, ou pelo resfriamento através de serpentinas no tanque ou camisa de circulação na parte externa.

27 Equipamentos de Cristalização Tanque Opera com soluções concentradas e materiais de solubilidade normal. Equipamentos simples e barato.

28 Equipamentos de Cristalização Superfície Raspada Há troca direta de calor entre a suspensão e uma camisa de circulação, ou uma parede dupla, que contém um fluido de resfriamento. A superfície de troca de calor é raspada ou agitada, para não acumular depósitos; Indicado para produção em pequena escala; É eficaz e barato.

29 Equipamentos de Cristalização Votador Consiste em um trocador de calor de duplo tubo com agitadores internos contendo dispositivos para limpeza da parede dos tubos internos; O líquido refrigerante passa através dos tubos permitindo alta velocidade no lado do casco; Pode ser operado continuamente ou em batelada com recirculação.

30 Aspectos Econômicos

31 Aspectos Econômicos Como os cristalizadores são compostos por uma variedade de configurações, materiais de construção e design, os custos destes equipamentos podem variar muito de acordo com o tipo de equipamento e a substância que se quer cristalizar.

32 Aspectos Econômicos Por exemplo, para um Cristalizador Batch Atmosférico de aproximadamente litros, de aço carbono, o preço estimado é de US$ Já para um cristalizador a vácuo com as mesmas características anteriores, o preço sobe para US$ Se utilizarmos um Cristalizador Batch Atmosférico com capacidade para litros, porém feito de aço inoxidável, o custo estimado é cerca de US$

33 Aplicações Industriais

34 Aplicações Industriais Alimentício (sal de cozinha e açúcar); Farmacêutico (ácido bórico); Químico (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).

35 NaCl Cidade Rio Maior-Portugal Província de Algarve- Portugal

36 Fluxograma do processo de produção de sal de cozinha.

37 Processamento de Açúcar

38 Cristalização de Proteínas Uso na indústria farmacêutica durante o processo de desenvolvimento de novos medicamentos. Lisozima Proteína da clara de ovo

39 Cristais de proteínas Cristais de Lisofosfolipase Cristais do Citocromo c 3 da bactéria Desulfovibrio gigas

40 Fluxograma da produção de sulfato de níquel, carbonato de níquel e níquel metálico.

41 Processos de produção do alumínio metálico.

42 Fluxograma das etapas de preparo de compostos de cério pelas técnicas de precipitação fracionada e troca iônica.

43 Exemplos 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 CaCl2 por 100 lb de H2O. Calcular o peso desta solução necessário para dissolver 250 lb de CaCl2 6H2O a uma temperatura de 25ºC. Dados: Solubilidade do CaCl2 a 25ºC: 7,38 lb-mol por 1000 lb de água

44 Exemplos Exemplo 3) Cento e cinqüenta quilos de uma solução aquosa de AgNO3 a 100oC são resfriados a 20oC, formando cristais e AgNO3, 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 AgNO3 na corrente de alimentação posteriormente recuperada na forma de cristais secos e a quantidade de água que deve ser removida na etapa de secagem..

45 Exemplos Exemplo 4) Uma solução de sulfato de magnésio a 104oC contendo 30,1% em massa de MgSO4 alimenta um cristalizador por resfriamento que opera a 10oC. A corrente que sai do cristalizador é uma lama de partículas sólidas de sulfato de magnésio heptaidratado [MgSO4 7 H2O] suspensa em uma solução líquida. A solução saturada a 10oC contém 23,2% em massa de MgSO4. Determine a vazão na qual a solução deve alimentar o cristalizador para produzir uma tonelada de sulfato de magnésio heptaidratado por hora..

46 Referências Bibliográficas Foust, A. S., Wenzel, L. A., Clump, C. W., Maus, L., Andersen, L. B., PRINCÍPIOS DAS OPERAÇÕES UNITÁRIAS, 2ª Ed. Editora LTC, Rio De Janeiro, McCabe, W., Smith, J., Harriott, P., UNIT OPERATIONS OF CHEMICAL ENGINEERING, 5th Ed., McGraw-Hill, Mersmann, A. CRYSTALLIZATION TECHNOLOGY HANDBOOK, Second Edition, LLC, Germany, Ulrich, J. and Jones, M.J., HEAT AND MASS TRANSFER OPERATIONS- Crystallization. University Martin-Luther; Halley- Wittenberg, Germany, 2006.