Aula 4 Cristalizadores Operações Unitárias na Industria Química III

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Operações Unitárias na Operações Unitárias na 
Industria Química IIIIndustria Química III
Prof.: Esdras Passos
Conteúdo: Aula 04
Operações Unitárias III
A evaporação, a cristatizaçào e a secagem envolvem a
transferência simultânea de calor e de massa. Na
evaporação, uma solução líquida é concentrada pela
vaporização de uma parte do solvente. As exigências
térmicas são grandes em virtude de o calor latente de
vaporização do solvente ter que ser fornecido ao
sistema. Quando uma solução é evaporada até que
fica saturada pelo soluto, o prosseguimento da
evaporação, ou o resfriamento, leva à precipitação dos
cristais sólidos. Esta é a base física da cristalização,
uma operação unitária que se usa para separar os
solutos da solução.
Cristalização
Operações Unitárias III
A cristalização é usada industrialmente na fabricação
de muitos sais inorgânicos. Pode ser também usada
para separar misturas de sais pela cristalização
fracionada.
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.
Operações Unitárias III
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
Operações Unitárias III
Fenômeno da cristalização
Crescimento e nucleação são os dois fenômenos
responsáveis pela retirada do soluto da solução e sua
incorporação em uma fase sólida. A nucleação consiste
na formação de novos cristais, enquanto o crescimento
é o processo pelo qual os cristais já existentes se
tornam maiores. A nucleação e o crescimento dos
cristais são fenômenos competitivos, já que ambos
consomem massa de soluto durante o processo de
cristalização.
Operações Unitárias III
Figura - Diagrama esquemático
indicando a variação de energia
livre (ΔG, linha tracejada)
resultante da variação de energia
livre de volume (ΔGv) e da
energia livre de superfície (ΔGs)
em função do tamanho do cristal.
O raio crítico (rc) é o raio a partir
do qual a semente passa a ser
estável e a cristalização progride
pela diminuição da energia livre
total do sistema.
Operações Unitárias III
Diagrama de fases esquemático representando os
estados de solução insaturada, supersaturada
(metaestável) .
Operações Unitárias III
Nucleação
 É a formação de núcleos cristalinos a partir de
uma solução supersaturada;
 Ocorre de forma ocasional pela associação
aleatória do soluto.
Operações Unitárias III
O crescimento dos cristais é afetado por vários
fatores, são eles:
 Correntes de concentração;
 Movimento da solução;
 Graus de sobressaturação;
 Temperatura de cristalização;
 Adição de substâncias estrangeiras à solução;
 Hidrodinâmica da solução;
Operações Unitárias III
Equipamento 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 adiabática e pelo resfriamento.
Operações Unitárias III
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.
Operações Unitárias III
Descontinuo
Continuo
Operações Unitárias III
Balanço de Massa
Admitindo que este processo opera em estado
permanente, com a carga líquida inicial e o magma
do produto contendo os cristais e a solução
característicos do conteúdo do cristalizador, o
balanço de massa do soluto pode ser escrito na
forma.
Soluto na carga = soluto nos cristais do produto +
soluto na solução do produto
Operações Unitárias III
Onde pode ser reescrita como:
C = massa dos cristais no magma produzido por unidade
de tempo;
Ma= massa molecular do soluto anidro;
Mh= massa molecular do cristal hidratado;
XF= fração mássica do soluto anidro na carga;
X”= solubilidade do material na temperatura do produto
expressa como a razão ponderal do sal anidro para o
solvente;
F = massa total da carga por unidade de tempo;
V = massa da solução por unidade de tempo.
Operações Unitárias III
1) Uma solução de sulfato de magnésio a 104°C
contendo 30,1% em massa de MgSO4 alimenta um
cristalizador por resfriamento que opera a 20°C. A
corrente que sai do cristalizador é uma lama de
partículas sólidas de sulfato de magnésio
heptaidratado [MgSO47H2O] suspensa em uma
solução líquida. A solução saturada a 20°C 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.
Dados: Solubilidade ponderada de MgSO4(20°C) X”= 0,710
Dados de massas atômicas:(Mg= 24,3)(S= 32,0)(O= 16,0)(H= 1,0)
Exercícios:
Operações Unitárias III
2) Uma solução de sulfato de magnésio a 104°C
contendo 35% em massa de MgSO4. Um cristalizador
é alimentado com 1,8 ton/h de solução de sulfato de
magnésio por resfriamento que opera a 20°C. Sai do
cristalizador uma lama de partículas sólidas de sulfato
de magnésio heptaidratado [MgSO47H2O]. A solução
saturada que sai do Cristalizador a 20°C contém 21,2%
em massa de MgSO4. Determine a massa de sulfato
de magnésio heptaidratado por hora dos cristais que
sai do cristalizador e qual é a massa por hora de
sulfato de magnésio na solução residual.
Dados: Solubilidade ponderada de MgSO4(20°C) X”= 0,710
Dados de massas atômicas: (Mg= 24,3)(S= 32,0)(O= 16,0)(H=
1,0)
Operações Unitárias III
3) Um cristalizador tipo Swenson-Walker deve ser
utilizado para produzir 900 Kg/h de cristais de
FeSO4.7H2O, pelo resfriamento de uma solução
saturada deste sal de 0,42 de entrada no cristalizador a
50°C. Os cristais e a solução saturada deverão sair do
cristalizador a 25°C. O resfriamento será feito com
água que é alimentada no cristalizador a 20°C e sai a
30°C. Calcular: a) A vazão mássica de solução inicial.
b) A área de troca de calor necessária, admitindo um
coeficiente global de transmissão de calor igual a 170
Kcal/h.m2. °C.
Calor de dissolução do FeSO4.7H2O a 18°C = + 4.400 Kcal/Kmol
(endotérmica)
Dados de solubilidade pondera de FeSO4.7H2O (X” = 0,29)
Dados de massas atômicas: (Fe= 55,8)(S= 32,0)(O= 16,0)(H= 1,0)