CRISTALIZAÇAO E EVAPORAÇÃO

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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
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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
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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
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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
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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).
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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).
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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 assim a 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,
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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,
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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).
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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
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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 aquecidos
diretamente 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 tubocasco 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
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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).
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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.
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TEIXEIRA, C.; SOUSA, A. T.; TRIGUEIROS, I. Cristalização: Síntese de sais
duplos. SPQ: São Paulo, 1997.