UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL CENTRO DE CIENCIAS EXATAS E TECNONOGIA DISCIPLINA: ENQ 0247 – 0247 – OPERAÇÕES UNITÁRIAS NA INDÚSTRIA QUÍMICA II ALUNO: ANDRÉ LUIZ DOTTA
CRISTALIZADORES INDUSTRIAIS Um cristalizador é um equipamento onde ocorre a formação e o crescimento de materiais cristalinos a partir de soluções. O projeto destes equipamentos tem como objetivo criar um ambiente de supersaturação para produzir a composição desejada do produto cristalino. CRISTALIZADOR A VÁCUO EM BATELADA Para aplicações que envolvem quantidades relativamente pequenas de material, ou quando o material deve ser processado de maneira não contínua, ou ainda em casos especiais que requerem uma temperatura de operação muito baixa, geralmente é conveniente utilizar um cristalizador a vácuo em batelada. Tipicamente, o ciclo neste tipo de equipamento dura de 2 a 8 horas. No final do ciclo, o material é descarregado em um tanque agitado, de onde é removido para posterior separação e secagem. Também é usado quando o material é resfriado em uma faixa muito grande de temperatura. Nestes casos, um intensificador (booster) é usado durante parte do resfriamento, para comprimir o vapor das condições finais até uma pressão alta o suficiente para condensá-lo sem utilizar água de resfriamento. Todo o ciclo para tal equipamento pode ser automatizado, porém em pequenas plantas esta despesa não se justifica. Existe ainda uma variação no tamanho dos cristais formados, pois a quantidade inicial de núcleos não pode ser controlada de uma batelada para outra. E para materiais que tem uma tendência maior para cristalização nas paredes do equipamento, quando em processo contínuo, uma solução é justamente o cristalizador em batelada, que possui a capacidade de auto-limpeza. Figura 1: Cristalizador a vácuo em batelada, com booster.
CRISTALIZADOR-EVAPORADOR DE CIRCULAÇÃO FORÇADA
Figura 2: Cristalizador de circulação forçada.
O cristalizador de circulação forçada é semelhante ao evaporador de circulação forçada, mas inclui as características necessárias para obter uma correta cristalização. O líquido circulante é forçado através de um aquecedor a vapor. O líquido aquecido flui para o espaço onde há vapor, no cristalizador. Aqui ocorre a evaporação, reduzindo a quantidade de solvente na solução (aumentando a concentração de soluto), e levando o líquido-mãe à supersaturação. O licor supersaturado desce através de um tubo, e então a uma área onde a cristalização acontece por nucleação secundária. Os cristais maiores são retirados enquanto o licor é reciclado, misturado com a alimentação e reaquecido. Características do processo: O uso mais comum deste equipamento é como cristalizador evaporativo, com materiais que possuam um coeficiente de solubilidade pequeno ou mesmo negativo, para assim promover a evaporação do solvente, com pequena variação na temperatura. Aplicações típicas: É o tipo de cristalizador mais largamente usado, encontrado com tamanhos variando entre 60 cm a 12 m de diâmetro. É um equipamento de operação com baixo custo com relação à produtividade. Usado principalmente para cristalização de NaCl, sulfato de sódio, carbonato de sódio monohidratado, ácido cítrico, uréia, açúcar, entre outros.
CRISTALIZADOR DE SUPERFÍCIE RESFRIADA Este equipamento consiste em um trocador de calor casco-tubos, onde a lama de cristais em crescimento circula através dos tubos; o cristalizador propriamente dito, com chicanas, para promover um tempo de retenção; e uma bomba de recirculação. A taxa de circulação através do trocador de calor geralmente é alta o suficiente para que a queda de temperatura seja de apenas 1 a 2 °C, Em torno dos tubos fica o meio refrigerante, que pode ser água circulante através de chicanas, ou um refrigerante que é vaporizado pelo calor removido dos tubos. É importante que a diferença de temperatura entre as paredes dos tubos e a lama circulada seja o mínimo possível.
Características do processo: geralmente usado quando a elevação do ponto de ebulição (EPE) da solução é muito alta, como no caso de soluções cáusticas, ou quando os níveis de temperatura são tão baixos que não existe possibilidade real de trabalhar com evaporação a vácuo. Aplicações típicas: cristalização de NaCl a partir de soluções cáusticas, carbonato de sódio a partir de soluções residuais, e clorato de sódio a partir de soluções saturadas de NaCl.
Figura 3: Cristalizador de superfície resfriada Swenson
CRISTALIZADOR COM TUBOS DE TEFLON Este tipo de cristalizador de superfície resfriada utiliza tubos de Teflon como superfície de troca térmica. Os tubos de Teflon ficam suspensos dentro do magma em uma posição flexível ou relaxados, de forma que possam se mover durante a agitação proveniente de turbinas ou hélices. Os depósitos cristalinos, que usualmente se formariam nas superfícies resfriadas não aderem aos tubos de Teflon tão prontamente como o fariam em tubos metálicos. O suave movimento dos tubos de Teflon também é controlado para prevenir a formação de depósitos, o que é essencial para ciclos de longa operação. Usando esta técnica, longos ciclos de operação e grandes diferenças de temperatura entre o refrigerante e o magma podem ser empregados, por exemplo, na cristalização do sal de Glauber (sulfato de sódio decahidratado) proveniente de salmouras.
Figura 4: Cristalizador com Tubos de Teflon
CRISTALIZADOR SPRAY Neste tipo de equipamento, a lama a ser cristalizada é nebulizada em uma corrente de ar, onde ocorre o resfriamento, provocando a supersaturação da solução circulante, com os cristais. É similar a um cristalizador de circulação forçada, onde uma fonte de calor ou resfriamento adiabático é usado para fornecer o calor necessário para vaporizar o solvente. Sistemas como esse podem operar em épocas de inverno e produzir temperaturas finais menores que 0°C, e podem condensar o calor proveniente de um evaporador de múltiplo efeito, adicionando-se um estágio adicional de cristalização e eliminando a necessidade de uma fonte de água de refrigeração ou uma torre de resfriamento. Características do processo e aplicações típicas: Embora seja um equipamento relativamente novo, seu uso está aumentando e já apresenta grande potencial, particularmente em aplicações onde o tamanho do cristal e a temperatura do líquido final não são pontos críticos, como na recuperação de KCl, carbonato de sódio decahidratado, e do sal de Glauber.
Figura 5: Fluxograma típico de um cristalizador spray.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS FOUST, Alan S. et alli. Princípios das Operações Unitárias. LTC, Rio de Janeiro. pp 454-458. MYERSON, Allan S. Handbook of Industrial Crystallization. Butterworth Heinemann, Woburn (MA), EUA. pp 115-140. GEA
Process
Engineering Inc. crystallization.asp, acesso em 10/06/09.
http://www.niroinc.com/evaporators_crystallizers/
Swenson Technology Inc. http://www.swensontechnology.com/crystal-broch-intro1.html , acesso em 10/06/09.
