Operações Unitárias e Cristalização na Indústria Química

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INTRODUÇÃO ÀS OPERAÇÕES
UNITÁRIAS E O PROCESSO DE
CRISTALIZAÇÃO
Instituto 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.
INTRODUÇÃO
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.
INTRODUÇÃO
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.
INTRODUÇÃO
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