CRISTALIZACAO E EVAPORACaO

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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
CAMPUS CAMPO MOURÃO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA E TECNOLOGIA DE ALIMENTOS
DANIEL SCHARAN
FERNANDA DORNELLAS
OPERAÇÕES UNITARIAS NA INDÚSTRIA DE ALIMENTOS - CRISTALIZAÇÃO E EVAPORAÇÃO
CAMPO MOURÃO
2016
 DANIEL SCHARAN
FERNANDA DORNELLAS
OPERAÇÕES UNITARIAS NA INDÚSTRIA DE ALIMENTOS - CRISTALIZAÇÃO E EVAPORAÇÃO
Trabalho de cristalização e evaporação de Operações unitárias, do Curso Superior de Tecnologia de Alimentos da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, Campus Campo Mourão.
Professora: Camila Ortiz
	
CAMPO MOURÃO
2016
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO	03
2 CRISTALIZAÇÃO	05
2.1 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS DURANTE A CRISTALIZAÇÃO	07
2.2 CRISTALIZADOR CONTÍNUO EVAPORATIVO E 
CRISTALIZADOR A VÁCUO	08
2.3 CRISTALIZADOR BATELADA AGITADO 	08
2.4 EVAPORAÇÃO	08
2.5 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS DURANTE A EVAPORAÇÃO	09
2.6 EVAPORADORES DE CIRCULAÇÃO NATURAL	09
2.7 EVAPORADORES DE CIRCULAÇÃO FORÇADA	10
2.8 EVAPORADORES DE PELÍCULA MECÂNICOS (OU AGITADOS)	11
3 REFERÊNCIAS	12
1 INTRODUÇÃO
	Antigamente, do início até o auge da revolução industrial, acreditava-se que os diferentes processos indústrias químicas seguem princípios diferentes, então cada linha de produção requer métodos, aparelhos e procedimentos específicos. Em 1915, o engenheiro químico americano Arthur Dehon Little, empresário e professor universitário do MIT, estabeleceu o conceito de "operação unitária", segundo o qual um processo químico seria dividido em uma série de etapas básicas que podem incluir: transferência de massa, transporte de sólidos e líquidos, destilação, filtração, cristalização, evaporação, secagem, etc. Cada uma das etapas seqüenciais numa linha de produção industrial é, portanto, uma operação unitária. O conjunto de todas as etapas, compõe um processo unitário. Portanto, Operações Unitárias são seqüências de operações físicas necessárias à viabilização econômica de um processo químico (SILVA, 2012)
	Uma vez que as mudanças de estado sólido-líquido são as responsáveis pela maior parte das causas de letalidade de microrganismos e da perda de qualidade de tecidos vivos sob congelamento, a compreensão da cristalização é essencial para a melhor utilização dos métodos de conservação. O campo mais amplo da cristalização é a produção de sais, a partir dos seus sóis (impuros). Quase todas as substâncias inorgânicas e muitos produtos orgânicos, formam cristais que podem ser isolados com pureza elevada a partir das suas soluções. (NOBRE & LIMA, 2011).
	A cristalização consiste na formação de partículas sólidas no interior de uma solução homogênea de um soluto e um solvente. A cristalização é uma operação industrial importante devido à variedade de materiais que são comercializados na forma cristalina, como: lactose, ácido cítrico, sacarose, acetato de sódio, tiossulfato de sódio, sulfato de cobre e outras substâncias (FINZER & MARTINS, 2011). 
	Existem diversos métodos para se cristalizar uma solução, podendo ser simples, como apenas resfriar tabuleiros contendo soluções concentradas quentes, ou até os mais complexos, como utilizando cristalizadores contínuos, os quais são minuciosamente controlados para a obtenção das partículas com formas e tamanhos desejados, de acordo com as exigências do mercado. (FOUST, 2011). As técnicas de cristalização encontram-se fortemente implementadas em muitos domínios da química mantêm a sua importância como técnicas clássicas separativas ou de purificação â escala laboratorial e, industrialmente, estão ligadas â produção de produtos químicos de grande tonelagem, tais como o açúcar, a uréia, os zeólitos, os fármacos, etc. (TEIXEIRA, SOUZA & TRIGUEIROS, 1997).
	A evaporação é a operação unitária que consiste em concentrar uma solução pela ebulição do solvente. Normalmente, suspende-se o processo de concentração antes de o soluto começar a precipitar da solução. Na sua forma básica, portanto, um evaporador é constituído por um trocador de calor, capaz de levar a solução à fervura, e de um dispositivo para separar a fase vapor do líquido em ebulição (FOUST et al, 1982).
	A cristalização pode ser feita de duas maneiras, uma delas é alterando a temperatura da solução para diminuir a solubilidade do sólido dissolvido, a outra é evaporando o solvente até que a solução chegue ao ponto de saturação e os cristais comecem a se formar. Quando se utiliza o segundo método, a evaporação e a cristalização são basicamente o mesmo processo, mas diferem na finalidade da operação. Na cristalização, evapora-se o solvente até que a solução fique saturada e, conseqüentemente, o soluto cristalize, enquanto na evaporação ocorre apenas a concentração da solução sem que se atinja o ponto de saturação (MILCENT, 2013).
2 CRISTALIZAÇÃO
	Cristalização é a formação de uma fase sólida organizada em uma solução. O processo de cristalização envolve a nucleação e o crescimento de cristais. O crescimento de cristais é simplesmente o alargamento dos núcleos formados na fase de nucleação, promovido pela adição de moléculas de água ao núcleo de cristalização, portanto, nucleação e cristalização ocorrem simultaneamente (NOBRE & LIMA, 2011).
		A formação de novos cristais denominados nucleação primária é um processo mais difícil de acontecer se comparando a deposição de soluto em cristais já existentes, ocorrendo espontaneamente apenas quando a concentração do soluto supera o limite metaestável da solução. Se a solução já contiver cristais como no caso do processo continuo ocorre à nucleação secundaria que é o aparecimento de novos núcleos de cristais a partir dos fragmentos dos cristais já existentes (SILVA, 2012).
	Cristalização por evaporação é uma das operações unitárias mais utilizadas na indústria, largamente aplicada para purificação e separação. O processo de cristalização possui importância econômica na fabricação de produtos como açúcar, cloreto de sódio, ácido bórico, alumina, além de outros (SILVA, 2012).
	O objetivo da Cristalização é fazer com que partículas sólidas sejam formadas no seio de uma fase líquida homogênea. O principio de funcionamento desta Operação Unitária está baseado na variação da solubilidade de sólidos em líquidos com a temperatura ou com a quantidade de solvente (GEDRAITE, et al, 2001).
	Com o processo térmico da cristalização se conseguem purezas excelentes. Isto se deve ao fato que, para a maioria dos sistemas multicomponentes existe incompatibilidade completa em fase sólida. Portanto, na maioria das tarefas de separação uma etapa de cristalização será necessária, para alcançar a pureza exigida em componente cristalina. A cristalização prática torna-se complicada onde o tempo prolongado de cristalização leva à implementação de impurezas nos cristais; também é difícil em casos onde um filme de solvente fica grudado firmemente na superfície dos cristais (ISENMANN, 2013). 
	De acordo com ISENMANN (2013) o ponto de partida para uma cristalização é uma solução supersaturada. Podemos alcançar este estado ao evaporar solvente sobressalente ou, como as condições da maioria das soluções melhoram junto à temperatura, por um resfriamento da solução saturada. Em vez de estabelecer um alto grau de supersaturação, mostrou-se mais vantajoso para o processo de cristalização de operar: 
Com supersaturações apenas moderadas, 
Sob agitação lenta e contínua,
Com adição de cristalitos de nucleação.
	Sob essas promessas se conseguem cristais de tamanho certo (não muito grandes nem pequenos) e uniformes.
	A Cristalização pode ser realizada de três maneiras distintas: (a) pela separação do solvente puro por evaporação até que a solução resultante fique supersaturada e ocorra a cristalização da fase sólida propriamente dita; (b) pela separação dos cristais através da alteração da temperatura do meio de forma a obter-se condições de menor solubilidade do soluto e promover assima separação, e (c) pela alteração da natureza do sistema, por meio da adição de um terceiro componente que mude as condições de solubilidade do soluto que se quer separar (GEDRAITE, et al, 2001).
	No processo de cristalização a qualidade é influenciada por diversos fatores, tais como tipo e geometria do cristalizador, condições de operação, propriedades da solução e dos cristais, presença de impurezas e outras. Geralmente é indesejado obter cristais pequenos, que dificultam as etapas seguintes, como filtração e secagem. Dessa forma, deseja-se obter cristais com uma curva de distribuição de tamanho estreito e com elevado tamanho médio. A qualidade final dos cristais também é influenciada por outras etapas do processo, como por exemplo, a filtração e a secagem, e não apenas pela etapa de cristalização (ISENMANN, 2013).
	Na indústria, o critério mais utilizado é a capacidade de produção, com limitação econômica entre os processos próximos a 1000 kg/dia. O processo contínuo normalmente produz de 50 a 200 kg/h e o por bateladas pode ser projetado para qualquer escala. O tempo necessário para o crescimento dos cristais e a facilidade ou dificuldade da cristalização influem na escolha do modo de operação a ser adotado. A escolha do tipo de operação ou modo de cristalização a ser utilizada, sendo a operação contínua ou por batelada, obedecem critérios como objetivo da cristalização, requisitos para pureza dos cristais entre outros (GIULIETTI, 2001) 
2.1 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS DURANTE A CRISTALIZAÇÃO
	
Os equipamentos utilizados durante o processo de cristalização são diversos, muitos destes têm agitação, resfriamento e zonas de sedimentação onde os cristais se depositam e desenvolvem até o tamanho desejado. Existem modelos contínuos e descontínuos. Outros cristalizadores funcionam sob vácuo e estabelecem a evaporação do solvente a temperaturas somente pouco elevadas (ISENMANN, 2013).
	A cristalização pode ocorrer em processo contínuo, semi-contínuo ou descontínuo (bateladas). No processo contínuo atinge-se o estado estacionário, mantendo-se uma alimentação e uma produção de cristais contínua. A operação pode durar vários dias até ser interrompida. No processo descontínuo (batelada) é definido um volume inicial de solução. Durante o processo de cristalização, não existe alimentação de solução nova nem retirada de produto. Apenas no final de uma batelada o produto da cristalização é retirado. Já o processo semi-contínuo é iniciado de maneira similar ao processo em bateladas. Entretanto, durante a cristalização é adicionada alimentação nova, mas o produto é removido em bateladas depois de um determinado tempo (GONTIJO, 2014).
	As vantagens da utilização da cristalização contínua são: menor custo de operação, menor demanda de operadores, possibilidade de classificação do produto, lavagem e filtração dos cristais com maior eficácia, menor espaço construído, operação constante que implica características constantes do produto como o tamanho médio e distribuição de tamanhos dos cristais. Suas desvantagens podem ser caracterizadas como: risco da formação de incrustações em superfície de troca de calor e no nível do líquido, aumentando a resistência à transferência de calor, equipamentos mais complexos com maior probabilidade de falhas, mão de obra qualificada e projeção correta da saída da suspensão (GIULIETTI, 2001).
	Ainda segundo GIULIETTI (2001) vantagens na utilização de cristalizadores descontínuos ou por bateladas são: equipamentos mais simples, baixa possibilidade de que defeitos mecânicos ocorram, baixos riscos no aumento de escala, incrustações removidas com nova operação, operação quando automatizada, gera cristais maiores e com distribuição mais uniforme na distribuição de tamanho dos cristais, custo de manutenção e mão de obra mais baixos. A operação descontínua tem como desvantagens: qualidade do produto difícil de ser uniforme (reprodutível), em operações intermitentes é necessário maior tempo de funcionamento, maior demanda de mão de obra e maior espaço físico coberto construído.
2.2 CRISTALIZADOR CONTÍNUO EVAPORATIVO E CRISTALIZADOR A VÁCUO
	Os cristalizadores contínuos possibilitam estabilizar o processo de formação e crescimento dos cristais, gerando cristais mais uniformes que os cristalizadores em batelada. Nesse tipo de cristalizador a solução é circulada e aquecida por uma fonte externa de calor. Parte desta corrente (água mãe e cristais) é desviada para saída e a alimentação misturada na recirculação. A evaporação do solvente mantém a solução supersaturada na condição necessária para a formação e o crescimento dos cristais. O solvente evaporado passa por um filtro removedor de névoa na saída do cristalizador sendo condensado posteriormente (GONTIJO, 2014). 
	Os cristalizadores contínuos a vácuo são parecidos com o cristalizador evaporativo, entretanto, a pressão interna do cristalizador é mantida inferior à pressão atmosférica por uma bomba de vácuo. Dessa forma quando a solução entra no cristalizador, parte do solvente evapora a uma temperatura mais baixa e ocorre a supersaturação da solução, formação e crescimento dos cristais (GONTIJO, 2014).
2.3 CRISTALIZADOR BATELADA AGITADO 
	Consiste de tanques providos de agitação com serpentinas de resfriamento, sendo que a agitação mantém a temperatura do sistema mais uniforme, por promover a colisão entre as partículas fazendo com que ocorra uma maior troca de calor entre elas. Eles têm baixos custos de operação e são simples de serem manipulados, porém são mais utilizados em processamentos de pequeno porte, já que resultam um produto mais irregular quando em grande escala. A solução é colocada nesses tanques para a cristalização e em seguida a solução mãe é drenada e os cristais retirados (FOUST 2011).
2.4 EVAPORAÇÃO	
	
A evaporação é uma operação unitária que tem por finalidade concentrar 
soluções constituídas de solventes voláteis e solutos considerados não-voláteis através da evaporação parcial do solvente. Como os solutos são considerados não voláteis, no equilíbrio a fase gasosa ou o evaporado só contém solvente, ou seja, a fração de solvente no evaporado é de 100%. Porém, na fase líquida, que é a solução a ser concentrada, há frações tanto de soluto quanto de solvente. Na evaporação, ao término da operação, é obtido um produto líquido concentrado, já na secagem tem-se um produto sólido (MILCENT, 2013).
	A evaporação ou concentração por ebulição é a remoção parcial da água de alimentos líquidos por meio de fervura e liberação do vapor d’água. Isso aumenta o índice de sólidos dos alimentos, preservando-os por meio da redução da atividade de água. A evaporação é utilizada para pré-concentrar alimentos (por exemplo, suco de frutas, leite e café) antes da secagem, congelamento ou esterilização e assim reduzir seu peso e volume (NOBRE & LIMA, 2011).
	Ainda segundo NOBRE & LIMA (2011) isso ajuda a reduzir energia nas próximas etapas do processamento, diminuindo os custos no armazenamento, transporte e distribuição. Durante a evaporação, ocorre a transferência de calor sensível do vapor para o alimento, elevando a sua temperatura até seu ponto de ebulição. O calor latente da vaporização é, então, fornecido pelo vapor, que deixa a superfície do líquido em ebulição.
2.5 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS DURANTE A EVAPORAÇÃO
	
Durante o processo de evaporação podem ser empregados diversos equipamentos, a escolha do equipamento a ser utilizado durante o processo vai depender do material a ser evaporado, do curto, do gasto de energia e da quantidade de produto. Dentre os evaporadores mais utilizados encontram-se os evaporadores de circulação natural, evaporadores de circulação forçada e evaporadores de película mecânica (SILVA, 2011).
2.6 EVAPORADORES DE CIRCULAÇÃO NATURAL
	NOBRE & LIMA, (2011) afirmam que evaporadores de circulação natural podem ser evaporadores de tacho aberto ou fechado, evaporador de tubo curto e evaporador de tubo longo. 
Evaporadores de tacho aberto ou fechado são tachos hemisféricos aquecidosdiretamente por gás ou fios de resistência elétrica, ou indiretamente por vapor que passa em tubos internos ou camisas. Para operações a vácuo eles recebem uma tampa, e um agitador ou misturador é utilizado para aumentar a taxa de transferência de calor e impedir que o alimento se queime no tacho.
O evaporador de tubo curto é um exemplo de um trocador de calor tubo-casco, também utilizado na pasteurização e esterilização térmica. Ele consiste em uma carcaça (ou casco) que contém um conjunto de tubos verticais e, menos freqüentemente, horizontais. O arranjo vertical promove correntes de convecção natural e, por isso, maiores taxas de transferência de calor. 
Os evaporadores externos tipo calandra são trocadores de calor do tipo tubo-casco que possuem um tubo externo para recirculação do produto. Isso aumenta as correntes de convecção e as taxas de transferência de calor, sendo que as calandras são de mais fácil limpeza. 
Os evaporadores de tubo longo consistem em um conjunto vertical de tubos, todos com até 5 cm de diâmetro, contido dentro de uma carcaça de vapor de 3 a 15 m de altura. O líquido é aquecido quase ao ponto de fervura antes de entrar no evaporador. Ele é então mais aquecido dentro dos tubos e começa a ferver. O concentrado é separado do vapor e removido do evaporador, passando a efeitos subseqüentes em um sistema de múltiplos efeitos.
2.7 EVAPORADORES DE CIRCULAÇÃO FORÇADA
	
Nesse tipo de evaporador, uma bomba ou um conjunto de raspadores removem o líquido, geralmente em camadas finas, e mantêm, desse modo, elevadas taxas de transferência de calor e curtos tempos de permanência do líquido no evaporador. Os evaporadores de placa são similares, em construção, aos trocadores de calor utilizados nos processos de pasteurização e esterilização de ultra-alta temperatura (UHT). O evaporador de fluxo expandido emprega os mesmos princípios do evaporador de placas, mas usa pilhas de cones invertidos em vez de uma série de placas (NOBRE & LIMA, 2011).
2.8 EVAPORADORES DE PELÍCULA MECÂNICOS (OU AGITADOS)
	
Os evaporadores de superfície raspada ou esfregada são caracterizados pela diferença na espessura da película do alimento que está sendo processado. O liquido é introduzido entre o rotor e a superfície aquecida, e a evaporação ocorre rapidamente, enquanto uma película fina do líquido é arrastada ao longo da máquina pelas lâminas do rotor. As lâminas mantêm a película agitada intensamente, promovendo, dessa maneira, altas taxas de transferência de calor e evitando a queima do produto na superfície quente. Esse tipo de equipamento é adequado para alimentos viscosos, como polpas e sucos de frutas, extrato de tomate, etc. (NOBRE & LIMA, 2011).
3 REFERÊNCIAS
FOUST, A. S. et al. Princípios de Operações Unitárias. Rio de Janeiro: LTC, 2011.
GEDRAITE, R.; ET AL. Aspectos tecnológicos de operações unitárias ministrados no segundo ano do curso de graduação em engenharia química. São Paulo: Cobenga, 2001.
GIULIETTI, M. HOSTOMSKY, J. NYVLT, J. Cristalização. São Carlos: EdUFESCar/IPT, 2001.
GONTIJO, H. M. Modelagem de cristalizador por evaporação para tratamento efluente líquido de reinarias de petróleo. Dissertação de mestrado apresentado ao programa de pós graduação em engenharia metalúrgica e materiais da universidade federal de Minas gerais, para obtenção do titulo de mestre. Minas Gerais: UFMG, 2014.
ISENMANN, A. F. Operações unitárias na indústria química. Timoteo: Cefetmg, 2013.
MILCENT, P. F. Operações unitárias II - evaporação. Curitiba: UTFPR, 2013.
NOBRE, J. A. S.; LIMA, D. M. Tecnologia do processamento de alimentos. São Paulo: Ibemec, 2011.
SILVA, A. L. N. Dinâmica e controle de um sistema de cristalização por evaporação de múltiplo efeito. Dissertação apresentada à universidade de São Paulo para a obtenção de titulo de mestre em engenharia química. USP: São Paulo, 2012.
TEIXEIRA, C.; SOUSA, A. T.; TRIGUEIROS, I. Cristalização: Síntese de sais duplos. SPQ: São Paulo, 1997.