Balanço de Massa e Energia
Aula 5
Solubilidade, Saturação e Cristalização.
Solubilidade: A solubilidade de um sólido (soluto) em uma
solução é a quantidade máxima desta substância que pode ser
dissolvida em um determinado solvente. A solubilidade
depende da natureza do soluto, da natureza do solvente e da
temperatura. Uma solução que contem, no equilíbrio, tanta
quantidade de uma espécie dissolvida quanto é capaz de
manter, é chamada de solução saturada naquele soluto.
Cristalização: A cristalização é o inverso da solubilização de
um sólido. Quando por alguma razão a concentração de
saturação de uma solução é ultrapassada, parte do soluto se
separa da solução, e precipita na forma de cristais sólidos, de
modo a manter a solução saturada.
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(g soluto/100 g de solvente)
Concentração
Cristalização
Curva de
supersaturação
B
A
C
Curva de saturação
Temperatura
Região A: a região A é delimitada pela curva de
supersaturação e é muito instável. Nessa região os cristais
se formam rapidamente e de forma espontânea. Esta
nucleação espontânea é chamada de nucleação primária.
(g soluto/100g de solvente)
Concentração
Curva de
supersaturação
B
A
C
Curva de
saturação
Temperatura
Região B: compreende a área entre as curvas de saturação
e supersaturação, e é chamada região metaestável. Nessa
região a taxa de iniciação da cristalização é baixa e os
agregados de moléculas formados se dispersam novamente,
não havendo crescimento de cristais, ao menos que
"sementes" de cristais sejam adicionadas à solução e sobre
as quais é depositado o soluto da solução até que a solução
atinja a saturação. Essa nucleação, a partir da semeadura, é
chamada de nucleação secundária e é mais efetiva e usada
que o método anterior.
Região C: essa região é estável e apresenta uma única
fase. É limitada pela curva de saturação e a solução se
encontra insaturada.
Sementes são pequenos cristais, em geral, do próprio soluto.
A supersaturação é a força motriz do processo de cristalização.
A supersaturação da solução pode ser definida como a
diferença entre a concentração real do soluto considerado e a
concentração de equilíbrio em condições idênticas, isto é, sua
solubilidade na solução dada.
Essa supersaturação pode ocorrer de diversas formas:
Exemplos
• resfriamento da solução;
• evaporação de parte do solvente;
• resfriamento e evaporação;
• evaporação adiabática do solvente.
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Efeito do par Soluto-Solvente:
- 220 g AgNO3 por 100 g de H2O a 20oC;
- 0,003 g AgCO3 por 100 g de H2O a 20oC;
- 0,00002 g AgBr por 100 g de H2O a 20oC
Efeito da Temperatura:
- 222 g AgNO3 por 100 g de H2O a 20oC;
- 925 g AgNO3 por 100 g de H2O a 100oC
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Sais Hidratados: São sais que possuem moléculas de água
integradas ao seu arranjo cristalino. As moléculas de água
encontram-se em uma proporção determinada em relação á
fórmula do sal. A essa proporção damos o nome de grau de
hidratação. Na fórmula de um sal hidratado, deve vir indicado o
grau de hidratação. O número de moléculas de água associadas
com cada molécula de soluto (água de hidratação) pode variar
com a temperatura de cristalização.
Fórmula
Nome
% peso de
MgSO4
Condições
MgSO4
Sulfato de magnésio anidro
100,0
>100oC
MgSO4.H2O
Sulfato de magnésio monoidratado
87,0
67 a 100oC
MgSO4.6H2O
Sulfato de magnésio hexaidratado
52,7
48 a 67oC
MgSO4.7H2O
Sulfato de magnésio heptaidratado
48,8
2 a 48oC
MgSO4.12H2O
Sulfato de magnésio dodecaidratado
35,8
-4 a 2oC
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Tipos de Cristalizadores
1. Cristalizadores que conseguem a precipitação mediante o
resfriamento de uma solução concentrada:
• cristalizadores descontínuos sem agitação;
Exemplos
• cristalizadores descontínuos com agitação;
• cristalizador contínuo Swenson-Walker.
• raramente usados;
• ocupam muito espaço;
• produtos de baixa qualidade;
• exige muita mão-de-obra.
• contêm serpentinas de resfriamento;
• baixo custo de instalação;
• operação simples;
• baixa capacidade.
Cristalizador contínuo Swenson-Walker
Neste cristalizadores a solução quente, concentrada, é introduzida
continuamente numa das extremidades do cristalizador e flui lentamente para
a outra extremidade enquanto vai sendo resfriada.
• cristalizador de resfriamento com operação contínua;
• consiste de uma calha grande semi-circular;
• possui uma camisa de resfriamento;
• possui um misturador de fitas.
2. Cristalizadores que conseguem a precipitação mediante a
evaporação de uma solução:
Exemplos
• cristalizador sem agitação com aquecimento;
• cristalizador agitado com aquecimento.
Vapor Produzido
Vapor
Alimentação
Condensado
Suspensão
• baixa taxa de produção;
• incrustações.
• circulação natural pelo centro, usado nas
indústrias de açúcar, às vezes com agitador
auxiliar.
3. Cristalizadores que conseguem a precipitação mediante a
evaporação a vácuo e resfriamento:
• cristalizador com circulação externa.
Exemplo
Vapor
Produto
Alimentação
Nestes cristalizadores a evaporação é obtida pelo flash da solução quente num
vaso a baixa pressão. A energia para a vaporização é obtida pelo calor sensível
da carga. Por isso, a temperatura da mistura de líquido e vapor, depois do flash,
é muito mais baixa que antes do flash.
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Exemplo 1) Uma solução de cloreto de sódio na água, está saturada a uma temperatura de
15ºC. Calcular o peso de NaCl que pode dissolver-se em 100 lb desta solução, se ela se
aquecer a uma temperatura de 65ºC.
Dados: Solubilidade do NaCl a 15ºC: 6,12 lb-mol por 1000 lb de água
Solubilidade do NaCl a 65ºC: 6,37 lb-mol por 1000 lb de água
Exemplo 2) Depois de um processo de cristalização uma solução de cloreto de cálcio na
água contém 62 lb de CaCl2 por 100 lb de H2O. Calcular o peso desta solução necessário
para dissolver 250 lb de CaCl2 6H2O a uma temperatura de 25ºC.
Dados: Solubilidade do CaCl2 a 25ºC: 7,38 lb-mol por 1000 lb de água
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Exemplo 3) Cento e cinqüenta quilos de uma solução aquosa de AgNO3 a 100oC são resfriados a 20oC,
formando cristais e AgNO3, que são filtrados e removidos da solução remanescente. A torta úmida de
filtro, que contém 80% em peso de cristais sólidos e 20% de solução saturada, passa através de um
secador no qual a água remanescente é eliminada. Calcule a fração de AgNO3 na corrente de
alimentação posteriormente recuperada na forma de cristais secos e a quantidade de água que deve ser
removida na etapa de secagem.
CRISTALIZADOR
150 kg
100oC
0,905 kg AgNO3/kg
0 095 kg H2O/kg
AgNO3 (S)
+ solução
saturada a 20oC
FILTRO
Filtrado
m1 (kg solução)
0,689 kg AgNO3/kg
0,311 kg H2O/kg
Torta de filtro
m2 [kg AgNO3(S)]
m3 (kg solução)
80% Sólidos
20% Solução Saturada
m4 [kg H2O (V)]
SECADOR
m5 [kg AgNO3(S)]
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Exemplo 4) Uma solução de sulfato de magnésio a 104oC contendo 30,1% em massa de MgSO4
alimenta um cristalizador por resfriamento que opera a 10oC. A corrente que sai do cristalizador é uma
lama de partículas sólidas de sulfato de magnésio heptaidratado [MgSO4 7 H2O] suspensa em uma
solução líquida. A solução saturada a 10oC 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.
T = 104OC
CRISTALIZADOR
T = 10OC
30,1% MgSO4
1t MgSO4 7H2O
69,9% H2O
MgSO4 7 H2O
Solução Saturada MgSO4: - 23,1% MgSO4
- 76,8% H2O
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