Cristalização: Conceitos e Processos

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CRISTALIZAÇÃO
Prof. MSc. Rafael Simões
Universidade Estácio de Sá
“Um cristal é uma configuração muito organizada 
de átomos, ou de moléculas ou de íons dispostos 
em redes espaciais tridimensionais”. 
SUMÁRIO
 CONCEITOS PRELIMINARES;
 INTRODUÇÃO;
 NUCLEAÇÃO;
 VELOCIDADES DE CRISTALIZAÇÃO;
 EFEITOS DAS IMPUREZAS;
 EFEITO DA TEMPERATURA;
 CRISTALIZAÇÃO FRACIONADA;
 CRISTALIZADORES.
CONCEITOS PRELIMINARES
SOLUTO: substância dissolvida pelo solvente; 
Ex.: Mistura de água + sal, o sal é o soluto.
SOLVENTE: substância que dissolve o soluto;
Ex.: No exemplo anterior, água é o solvente.
SOLUÇÃO: misturas homogêneas de duas ou mais substâncias, de aspecto uniforme;
Ex.: água e sal, água e álcool, água e açúcar, etc.
CORPO DE CHÃO, CORPO DE FUNDO OU PRECIPITADO: é a parte de soluto que não se 
dissolve no solvente e fica no fundo do recipiente;
COEFICIENTE DE SOLUBILIDADE: é a quantidade máxima que pode ser dissolvida de 
soluto numa dada quantidade de solvente, a uma determinada temperatura e pressão.
Ex.: a 20°C e 1 atm, a quantidade máxima de sal de cozinha (NaCl) que se dissolve 
em 100 gramas de água é 36 g. Logo, dizemos que o coeficiente de solubilidade do 
NaCl é: 36g NaCl/100 g de água a 20°C e 1 atm.
CONCEITOS PRELIMINARES
OBS.: Coeficiente de solubilidade do NaCl é 36 g NaCl/100 g H2O @ 20°C e 1 atm. 
SOLUÇÕES INSATURADAS OU NÃO SATURADAS: são aquelas em que a 
quantidade de soluto dissolvido ainda não atingiu o coeficiente de solubilidade. 
SOLUÇÕES SATURADAS: são aquelas que atingiram exatamente o coeficiente de 
solubilidade.
CONCEITOS PRELIMINARES
OBS.: Coeficiente de solubilidade do NaCl é 36 g NaCl/100 g H2O @ 20°C e Patm. 
SOLUÇÕES SUPERSATURADAS: possuem mais soluto dissolvido do que seria possível 
em condições normais.
O aumento da Temperatura eleva o coeficiente de solubilidade na maioria dos casos. 
Entretanto, esse tipo de solução é muito instável, agitando-a ou adicionando um 
pequeno cristal de NaCl, ocorrerá a precipitação dos 14 g de NaCl.
CONCEITOS PRELIMINARES
CONCEITOS PRELIMINARES
INTRODUÇÃO
 Cristalização é uma operação unitária baseada, simultaneamente, nos 
mecanismos de transferência de massa, calor e quantidade de movimento. 
 A “driving force” para a cristalização é a existência de supersaturação na 
mistura líquida, ou seja, a existência de uma concentração de soluto na 
solução, superior à concentração de saturação (limite de solubilidade).
 Cristalização é a remoção de um soluto de uma solução saturada, pela 
formação de um composto sólido, através da perda de solubilidade provocada 
por um método físico.
 Na cristalização criam-se as condições termodinâmicas que levam as 
moléculas a aproximarem-se e a agruparem-se em estruturas altamente 
organizadas, os Cristais.
 A cristalização é fortemente afetada pelos seguintes fatores:
 Grau de supersaturação;
 Intensidade da agitação;
 Densidade;
 Dimensões dos cristais nas vizinhanças
 Pureza da solução.
INTRODUÇÃO
As formas de atingir a sobresaturação ou supersaturação num cristalizador, 
partindo de uma solução saturada do componente a separar, podem ser diversas:
 Arrefecimento da solução saturada;
 Evaporação do diluente da solução saturada;
 Adição de um segundo solvente (anti-solvente) que reduz a solubilidade do 
soluto (drowning);
 Prover reação química que leva à precipitação do soluto;
 Alteração do pH do meio
INTRODUÇÃO
Em toda a história da indústria química moderna se tem produzido cristais 
mediante métodos:
 Mais simples: Arrefecer tabuleiros contendo soluções concentradas 
quentes.
 Mais complexos: Processos de cristalização contínuos, cuidadosamente 
controlados em várias etapas, e que visam obter um produto com partículas 
de características uniformes:
 Dimensões;
 Formas;
 Teor de umidade;
 Pureza 
Obs.: Além da coloração e aroma.
INTRODUÇÃO / APLICAÇÕES
A cristalização é uma operação muito antiga. Desde a antiguidade que a 
cristalização do cloreto de sódio a partir da água do mar é conhecida, como 
também na fabricação de pigmentos. Hoje em dia, a cristalização industrial 
surge na fabricação de:
 Sal de cozinha e açúcar;
 Sulfato de sódio e amônia para produção de fertilizantes;
 Carbonato de cálcio para as indústrias de papel, cerâmica e plásticos;
 Ácido bórico e outros compostos para a indústria de inseticidas e 
farmacêutica;
 Mineral (óxido de alumínio retirado da bauxita);
 Metalúrgico (níquel e alumínio);
 Entre outros processos industriais.
INTRODUÇÃO / APLICAÇÕES
NUCLEAÇÃO
O processo de cristalização é dividido em duas fases: nucleação e crescimento
dos cristais.
A nucleação envolve a formação de agregados de moléculas que excederam um
tamanho crítico e são, portanto, estáveis (Herrera et al., 1998; Timms, 1995).
Um núcleo cristalino começa a crescer pela incorporação de outras moléculas,
no cristal em crescimento. Estas moléculas provêm da camada de líquido
adjacente, que é continuamente preenchida pelo líquido supersaturado que
está ao redor do cristal (Hui, 1996; Larsson, 1994; Timms, 1995). Devido a
interações atrativas entre os cristais, estes tendem a formar aglomerados. Os
cristais muito grandes que podem ser observados durante a cristalização, são
normalmente compostos por vários cristais pequenos unidos por ligações fracas
(Hui, 1996).
A supersaturação da solução é a força motriz da CRISTALIZAÇÃO, que comanda
a velocidade de nucleação e de crescimento dos cristais. Quando a
supersaturação é ultrapassada , o sistema sólido-líquido atinge o equilíbrio e a
cristalização está completa.
NUCLEAÇÃO
VELOCIDADES DE CRISTALIZAÇÃO
Uma vez formado o núcleo, o cristal começa a CRESCER, e entramos na etapa de 
crescimento do cristal. São vários parâmetros que interferem na velocidade de 
cristalização e nas características do produto final:
 Grau de supersaturação;
 Intensidade da agitação;
 Temperatura e Pressão;
 Densidade;
 Dimensões dos cristais nas vizinhanças;
 Pureza da solução 
(ausência ou presença de impurezas).
ZONAS DE CRISTALIZAÇÃO
CRISTALIZAÇÃO FRACIONADA
• Processo de separação de misturas, onde as substâncias misturadas são
sólidas.
• Método baseado em diferenças de solubilidade. Se duas ou mais substâncias
são dissolvidas em um solvente, elas irão cristalizar na solução precipitando-
se a diferentes velocidades. A cristalização pode ser induzida por mudanças
na concentração, temperaturas, etc.
• Técnica usada para obter substâncias sólidas puras
• (como por exemplo, nas salinas para obtenção de sais a partir de água do
mar) ou para recuperar produtos comercializáveis ou utilizáveis em outros
processos industriais.
CRISTALIZAÇÃO FRACIONADA
CRISTALIZADORES
Os cristalizadores podem ser classificados pelos meios que conseguem a 
precipitação, que são:
 RESFRIAMENTO de uma solução concentrada e quente;
Ex.: Resfriadores de tabuleiro, cristalizadores descontínuos com agitação e o 
cristalizador contínuo Swenson-Walker.
 EVAPORAÇÃO de uma solução;
Ex.: Evaporadores-cristalizadores, cristalizadores com tubo de tiragem e os 
cristalizadores Oslo.
 EVAPORAÇÃO ADIABÁTICA E PELO RESFRIAMENTO.
Ex.: Cristalizadores a vácuo.
CRISTALIZADORES - RESFRIAMENTO
CRISTALIZADOR CONTÍNUO
 Projetado em 1920;
 Grande calha semicilíndrica;
 Superfície raspada e agitador 
helicoidal;
 Líquido mãe retorna ao processo e os 
cristais úmidos são centrifugados.
 A solução quente, concentrada, é 
introduzida continuamente numa das 
extremidades do cristalizador e flui 
lenta mente 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, de modo 
que a precipitação ocorre 
principalmente pelo acúmulo de 
material sobre os cristais formados 
anteriormente.
CRISTALIZADORES - RESFRIAMENTO
CRISTALIZADOR DESCONTÍNUO
 Indicados para processamento de 
pequeno porte;
 VANTAGENS:
 Baixo custo de instalação; Operação simples;
 DESVANTAGENS:
 Solubilidade mínima nas superfícies 
das serpentinas;
 São dispendiosos em relação à mão de 
obra;
 Levam a produto muito irregular.
CRISTALIZADORES - EVAPORAÇÃO
CRISTALIZADOR OSLO
 Efetua o controle da distribuição 
granulométrica dos cristais (DGC), 
necessário para que o produto final 
seja de qualidade.
 O aquecedor externo também pode 
ser usado com resfriador.
 VANTAGENS:
 Baixo custo de instalação;
 Operação simples;
 DESVANTAGENS:
 Solubilidade mínima nas superfícies 
das serpentinas;
 São dispendiosos em relação à mão de 
obra;
 Levam a produto muito irregular.
CRISTALIZADORES – EVAPORAÇÃO ADIABÁTICA E 
RESFRIAMENTO
CRISTALIZADOR À VÁCUO
CRISTALIZADORES – EVAPORAÇÃO ADIABÁTICA E 
RESFRIAMENTO
CRISTALIZADOR À VÁCUO COM TUBO DE TIRAGEM E CHICANA SEPARADORA
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
 PRINCÍPIOS DAS OPERAÇÕES UNITÁRIAS, 2ª edição – Foust, Alan S. [et al.]
 MCCABE, W. L.; SMITH, J. C.; HARRIOTT, P. Unit Operations of Chemical 
Engineering. 5th Edition. ed. Singapore: McGraw-Hill, Inc., 1993
 Geankoplis, G. J. Processamento de transporte e operações unitárias. 3ª 
ed. 1998