INTRODUÇÃO ÀS OPERAÇÕES

UNITÁRIAS E O PROCESSO DE

CRISTALIZAÇÃOInstituto Federal de São Paulo (IFSP-CPV)

Prof. André Peixoto

INTRODUÇÃO

As etapas na produção de qualquer produto químico podem ser divididas em três grandes grupos:

1- Com raras exceções, a parte principal de qualquer

unidade de produção é o reator químico, onde ocorre a transformação dos reagentes em produtos. As reações químicas podem ser classificadas como reações de hidrogenação, nitração, sulfonação, oxidação etc. Compreende o conjunto de parâmetros que processam as reações químicas: condições dos reagentes e matérias-primas (grau de pureza, composição de mistura etc) que serão utilizadas nos processos, condição de pressão e temperatura, tipos de catalisadores etc.

INTRODUÇÃO

2- Antes de entrarem no reator, reagentes ou matérias-primas passam através de vários equipamentos, onde pressão, temperatura, composição e fase são ajustadas para que sejam alcançadas as condições em que ocorrem as reações químicas, ou seja, são as etapas de preparação da carga para o reator.

3- Os efluentes do reator são, em geral, uma mistura de produtos, contaminantes e reagentes não reagidos que devem ser separados em equipamentos apropriados para se obter o(s) produto(s) na pureza adequada ao mercado.

INTRODUÇÃO

Em geral, em todos os equipamentos usados antes e após o reator ocorrem apenas mudanças físicas no material, tais como: elevação da pressão (bombas e compressores) , aquecimento ou resfriamento (trocadores de calor), mistura, separação etc. Estas várias operações que envolvem mudanças físicas no material, independentemente do material que está sendo processado, são chamadas de operações unitárias da indústria química. São tão importantes quanto as reações químicas utilizadas para a obtenção do produto.

INTRODUÇÃO

Estas operações unitárias podem ser agrupadas em cinco grandes divisões que envolvem a engenharia química:

1) Mecânica dos fluidos: é o primeiro assunto normalmente estudado nos cursos de operações unitárias. Em toda planta industrial é necessário transportar reagentes e produtos para diferentes pontos da planta. Na maioria dos casos, os materiais são fluidos (gases ou líquidos) e há necessidade de determinar os tamanhos e os tipos de tubulações, acessórios e bombas (ou compressores) para movimentá-los.

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2) Transmissão de calor: é o assunto normalmente estudado após a mecânica dos fluidos. A maioria das reações químicas não ocorre a temperaturas ambiente e, portanto, os reagentes e produtos devem ser aquecidos ou resfriados. Algumas reações são exotérmicas, o calor deve ser removido; outras são endotérmicas, o calor deve ser fornecido. São necessários cálculos de taxas de calor envolvidas e dimensionar os equipamentos (trocadores de calor) necessários.

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3) Operações de agitação e mistura: são operações normais em plantas químicas para homogeneizar a mistura formada por diferentes componentes (reagentes e produtos). São operações importantes em reatores, partes essenciais em qualquer processo. São utilizados diferentes tipos, sempre levando em consideração o tipo de reação como por exemplo processos em fase líquida ou gasosa, tipo de reagente (sólido, líquido ou gasoso), etc.

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4) Operações de agitação são importantes em processos químicos, principalmente quando estão envolvidos reagentes e produtos em fases diferentes (sólido, líquido ou gás), líquidos imiscíveis, etc.

INTRODUÇÃO

INTRODUÇÃO

5) Operações de separação: com certeza é o maior grupo de operações unitárias aplicadas nas indústrias químicas. Este grupo inclui:

• processos físicos em que se permite a separação de duas fases (sólido-

líquido e líquido-líquido), como filtração, decantação e centrifugação;

• processos em que ocorrem transferências de massa de uma fase para outra, pela afinidade do material para a segunda fase, como a absorção (do gás para o líquido), a extração (de líquido para outro líquido), a adsorção (de uma mistura gasosa ou líquida para um sólido), a secagem etc.;

• processos em que ocorrem as transferências de material de uma fase para outra pela influência da troca de calor, como a evaporação, a destilação, a cristalização, etc.

CRISTALIZAÇÃO Em muitos casos, o produto comercializável de uma

usina (planta química) deve estar na forma de partículas sólidas. Quando o processo de fabricação leva a uma solução, o sólido pode ser obtido, da forma mais conveniente, pela concentração da solução até a saturação e pela formação de cristais da solução.

Em toda a história da indústria química moderna se têm produzido cristais mediante métodos que vão desde os mais simples, como o de se deixarem arrefecer (esfriar) tabuleiros contendo soluções concentradas quentes, até os mais complexos, como os processos de cristalização contínuos, cuidadosamente controlados em várias etapas e que visam à obtenção de um produto com partículas de dimensões, de formas, de teor de umidade e de pureza muito uniformes.

CRISTALIZAÇÃO

As exigências do mercado, quanto à qualidade dos produtos, forçou o abandono dos cristalizadores mais simples, pois os produtos cristalinos modernos devem satisfazer a especificações muito rígidas.

EXEMPLOS DE INDÚSTRIAS QUE UTILIZAM A CRISTALIZAÇÃO DE SEUS PRODUTOS

Setor sucroalcooleiro – utiliza-se a cristalização para obtenção de açúcar a partir do caldo tratado da cana-de-açúcar.

Salinas (Nordeste brasileiro). Indústria farmacêutica – ex. produção ácido

acetilsalicílico; separação de penicilinas após a sua produção por via fermentativa.

Indústria cosmética – ácido hialurônico vem sendo apontado como ingrediente mágico pelo seu altíssimo poder umectante.

Formulação de sorvetes, cremes e outros alimentos (uso de surfactantes para estabilizar uma emulsão).

PROCESSO DE CRISTALIZAÇÃO

A Cristalização é uma operação de separação onde, partindo de uma mistura líquida se obtêm cristais de um dos componentes da mistura, com 100% de pureza. Na cristalização criam-se as condições que levam as moléculas a aproximarem-se e a agruparem-se em estruturas altamente organizadas, os Cristais. Por vezes, as condições operatórias não permitem obter cristais 100% puros verificando-se a existência, nos cristais, de inclusões (impurezas) de moléculas que também têm grande afinidade para o soluto.

EXEMPLOS DE CRISTAIS (SULFATO DE AMÔNIO E NITRATO DE POTÁSSIO)

FORMAÇÃO DOS CRISTAIS: NUCLEAÇÃO O primeiro passo num processo de cristalização é a Nucleação.

É necessário criar condições no seio da mistura para as moléculas se aproximarem e darem origem ao cristal. A “driving force” para a cristalização é a existência de sobressaturação na mistura líquida, ou seja, a existência de uma concentração de soluto na solução superior à concentração de saturação (limite de solubilidade). Este estado é naturalmente muito instável, daí ser possível a nucleação. Contudo, para haver cristalização é mesmo assim necessário ocorrer agitação ou circulação da mistura líquida, a qual provoca a aproximação e choque entre as moléculas. A nucleação a que nos referimos até aqui é a Nucleação Primária. Uma vez formados os primeiros cristais, pequenos fragmentos desses cristais podem transformar-se também em novos núcleos. Estamos perante a Nucleação Secundária. Muitas vezes, para tornar o processo de cristalização mais rápido, podem-se introduzir sementes (núcleos) no cristalizador.

FORMAÇÃO DOS CRISTAIS: CRESCIMENTO

Uma vez formado o núcleo o cristal começa a crescer, e entramos na etapa de crescimento do cristal. A velocidade de agitação ou circulação no cristalizador, o grau de sobressaturação, a temperatura, etc. são parâmetros operatórios que condicionam a velocidade de crescimento dos cristais e as características do produto final. Por exemplo, um grau de sobressaturação demasiado elevado e, consequentemente, uma situação muito instável, pode dar origem a uma velocidade de nucleação muito elevada. Formam-se muitos núcleos simultaneamente e o produto final é formado por cristais muito pequenos.

EQUIPAMENTOS DE CRISTALIZAÇÃO

Os cristalizadores podem ser classificados convenientemente em termos do método usado para se obter o depósito das partículas. Os grupos são:

1. Cristalizadores que conseguem a precipitação mediante o resfriamento de uma solução concentrada e quente;

2. Cristalizadores que conseguem a precipitação mediante a evaporação de uma solução;

3. Cristalizadores que conseguem a precipitação pela evaporação e pelo resfriamento.

CURVAS DE SOLUBILIDADE EM ÁGUA

TÉCNICA DE RESFRIAMENTO DIRETO OU POR TROCA TÉRMICA

•Este método é utilizado quando a variação da solubilidade com a temperatura é importante.

PRIMEIRO GRUPO DE CRISTALIZADORES

Nesse grupo estão os resfriadores de tabuleiro, os cristalizadores descontínuos com agitação e o cristalizador contínuo Swenson-Walker.

CRISTALIZADOR CONTÍNUO SWENSON-WALKER

SEGUNDO GRUPO DE CRISTALIZADORES

Nesse grupo estão os evaporadores no qual a cristalização e também a evaporação ocorrem simultaneamente; são os evaporadores-cristalizadores, os cristalizadores com tubo de tiragem e os cristalizadores Oslo.

CRISTALIZADOR OSLO

TERCEIRO GRUPO DE CRISTALIZADORES

No último grupo estão os cristalizadores a vácuo.

Vaso à baixa pressão!

CRISTALIZADOR SWENSON-WALKER

É um cristalizador de resfriamento destinado a operar continuamente. Consiste numa grande calha semicilíndrica, com 24 in de largura e 10 ft de comprimento, com camisa de água de resfriamento e um misturador de fitas que gira a cerca de 7 rpm. É possível acoplar até quatro destas unidades, com os agitadores acionados por um mesmo motor. Quando se querem comprimentos maiores, usa-se um segundo cristalizador num nível ligeiramente inferior, e alimentado pelo líquido vertido pelo terminal do primeiro conjunto de cristalizadores.

CRISTALIZADOR SWENSON-WALKER

A solução quente, concentrada, é introduzida continuamente numa das extremidades do cristalizador e flui lentamente para a outra extremidade enquanto vai sendo resfriada.

A função do agitador é a de raspar os cristais das paredes frias da unidade e agitar os cristais na solução.

CRISTALIZADOR SWENSON-WALKER