O documento descreve o processo de cristalização, incluindo suas aplicações industriais. A cristalização é uma operação unitária antiga de separação de sólido-líquido baseada na variação da solubilidade com a temperatura ou quantidade de solvente. Descreve os principais tipos de cristalização como arrefecimento, evaporação e drowning-out e seus equipamentos associados. Apresenta exemplos industriais como produção de sal, açúcar, fármacos e metais.
2. Cristalização
Operação unitária antiga de separação de
sólido-líquido;
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.
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.
Nitrato de PotássioSulfato de Amônio
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
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.
• Cristalizador Descontínuo
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
Somente cristais
grandes podem
sedimentar;
Os cristais menores
retornam ao
evaporador;
Classificação.
• Evaporador Cristalizador
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.
21. Cristalização por Evaporação
A evaporação é obtida
pelo “flash” da solução
quente num vaso a
pressão baixa.
Pode ser operada
continuamente ou
descontinuamente.
• 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
• MSMPR - Mixed Suspension Mixed Product
Removal Crystallizers
• Este tipo de equipamento, método de magma circulante, é um
dos mais utilizados atualmente. Em equipamentos deste tipo, há
uniformidade da suspenção de produtos sólidos.
COMPLETAR
27.
28. 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.
29. Equipamentos de Cristalização
Opera com soluções
concentradas e
materiais de
solubilidade normal.
Equipamentos simples
e barato.
• Tanque
30. Equipamentos de Cristalização
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.
• Superfície Raspada
31. 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;
Pode ser operado
continuamente ou em batelada
com recirculação.
• O líquido refrigerante passa
através dos tubos
permitindo alta velocidade
no lado do casco;
33. 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.
34. Aspectos Econômicos
Por exemplo, para um Cristalizador Batch Atmosférico de
aproximadamente 1.500 litros, de aço carbono, o preço
estimado é de US$ 45.800. Já para um cristalizador a vácuo
com as mesmas características anteriores, o preço sobe para
US$ 68.400. Se utilizarmos um Cristalizador Batch
Atmosférico com capacidade para 1.500 litros, porém feito de
aço inoxidável, o custo estimado é cerca de US$ 80.000.
36. 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).
40. Cristalização de Proteínas
Uso na indústria farmacêutica durante o processo
de desenvolvimento de novos medicamentos.
Lisozima Proteína da clara de ovo
41. Cristais do Citocromo c3 da
bactéria Desulfovibrio gigas
Cristais de proteínas
Cristais de Lisofosfolipase
46. Esquema do cristalizador usado para produção de KDP
(1) Tanque de crescimento;
(2) Condução de ar;
(3) Agitador;
(4) Aquecedor;
(5) Controlador termico;
(6) Banho de água;
(7) Plataforma com a semente
(8) Solução de alimentação;
(9) Recipiente selado de
água.
47. 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, 1982.
McCabe, W., Smith, J., Harriott, P., UNIT OPERATIONS OF CHEMICAL
ENGINEERING, 5th Ed., McGraw-Hill, 1993.
Mersmann, A. CRYSTALLIZATION TECHNOLOGY HANDBOOK, Second Edition,
LLC, Germany, 2001.
Mendonça, R. A. G., CRISTALIZAÇÃO DO CLORATO DE SÓDIO-Dissertação
para o grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica na Universidade
Nova de Lisboa. Lisboa, 2008.
Ulrich, J. and Jones, M.J. , HEAT AND MASS TRANSFER OPERATIONS-
Crystallization. University Martin-Luther; Halley- Wittenberg, Germany, 2006.
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=42&Itemid=159