Curso Técnico em Química - Adsorção, Cristalização e Secagem PDF

Curso Técnico em Química Professores: Cleyla Calheiros José Diego Magalhães Adsorção, Cristalização e Secagem  Adsorção Definições: ❑ A adsorção e permuta iónica são processos de separação baseados na velocidade de transferência de massa, na presença ou não de rea...

Curso Técnico em Química Professores: Cleyla Calheiros José Diego Magalhães Adsorção, Cristalização e Secagem  Adsorção Definições: ❑ A adsorção e permuta iónica são processos de separação baseados na velocidade de transferência de massa, na presença ou não de reação química, implicando o contacto íntimo entre duas fases (sólido-líquido ou sólido-gás) entre as quais os constituintes se distribuem indiferentemente. ❑ O objetivo destas operações pode ser de purificação de correntes (tratamento de efluentes líquidos ou gasosos) ou de separação de componentes de uma mistura (análises cromatográficas).  Adsorção A adsorção é um fenômeno superficial, em que as moléculas da fase fluida são reversivelmente retidas na superfície de um sólido (adsorvente) por forças de Van der Waals, formando uma camada ou multicamadas de moléculas. Uma vez que a adsorção é um fenômeno de superfície, é importante que os adsorventes proporcionem uma grande área superficial externa e interna associada à sua estrutura porosa.  Adsorção A capacidade de adsorção depende, portanto, do tipo e tamanho dos poros, bem como da sua distribuição, e da natureza da superfície do adsorvente. Segundo a IUPAC (1982), os poros num adsorvente são classificados em função do diâmetro como (ver Figura 1), Macroporos: Φ > 50 nm Mesoporos: 2 < Φ < 50 nm Microporos: Φ < 2 nm  Adsorção Macroporos: Φ > 50 nm Mesoporos: 2 < Φ < 50 nm Microporos: Φ < 2 nm  Adsorção A unidade tecnológica mais correntemente usada à escala industrial para processos de adsorção e permuta iónica consiste em colunas cilíndricas, com enchimento de partículas esféricas de adsorvente ou resina (fase estacionária), através das quais passa o fluido a tratar (fase móvel).  Adsorção Durante a fase de saturação, a fase móvel a tratar atravessa a coluna e os solutos nela contidos são retidos pela fase estacionária. Após a saturação, é necessário regenerar o adsorvente utilizando um eletrólito forte, permitindo deste modo, que este seja novamente reutilizado.  Adsorção Os adsorventes mais comuns utilizados à escala industrial são o carvão ativado, a sílica-gel, a alumina ativada e as peneiras moleculares. Os três primeiros, usualmente designados por adsorventes amorfos, apresentam áreas específicas entre 200 e 1200 m2/g e uma distribuição de tamanhos de poros alargada. As peneiras moleculares apresentam tamanhos de poros exatos, definidos pela sua estrutura cristalina.  Adsorventes mais comuns Carvão ativado: O carvão ativado foi um dos primeiros adsorventes conhecidos e é um dos mais utilizados atualmente. Geralmente é produzido a partir da decomposição térmica controlada de material carbonáceo (casca da madeira, de coco, de arroz, carvão, ossos de animais, etc.), a temperaturas inferiores a 600 ºC, seguida pela ativação que visa submeter o material carbonizado a reações secundárias, tendo como finalidade o aumento da área superficial. A ativação física é feita com vapor de água, ar ou outro agente oxidante, enquanto que a ativação química envolve a impregnação de agentes desidratantes como ácido fosfórico, hidróxido de potássio e cloreto de zinco a temperaturas superiores a 300 ºC. Possui área específica entre 600 e 1200 m2/g.  Adsorventes mais comuns Carvão ativado: https://www.youtube.com/watch?v=PlzkOZBSoaw&t=52s https://www.youtube.com/watch?v=VSrqYJgT2A0  Adsorventes mais comuns Sílica gel: A sílica gel obtém-se quando se acidifica uma solução de silicato de sódio a uma temperatura de cerca de 360ºC. O material obtido é altamente poroso e tem como principais aplicações a secagem de correntes gasosas e a separação de hidrocarbonetos aromáticos. Neste tipo de adsorventes a área específica varia entre 600 a 800 m2/g. Adsorventes mais comuns https://www.youtube.com/watch?v=Djvw6CWasWc  Adsorventes mais comuns Alumina ativada: A alumina ativada prepara-se a partir do aquecimento a cerca de 400 ºC de hidratos de alumina originando um adsorvente com área específica entre 200 a 500 m2/g. A sua aplicação industrial é a desidratação de gases e purificações específicas de correntes líquidas.  Adsorventes mais comuns Alumina ativada: https://www.youtube.com/shorts/mVzAwE2kvGU  Adsorventes mais comuns Peneiras moleculares: As peneiras moleculares são materiais conhecidos pela designação genérica de zeólitas e consistem em estruturas cristalinas de alumino-silicatos, de ocorrência natural ou preparados em laboratório. A principal vantagem sobre os adsorventes tradicionais é que as zeólitas podem ser feitos por medida para determinadas aplicações na biotecnologia, indústria petroquímica, indústria farmacêutica e na área do ambiente. Como desvantagens pode-se apontar a sua fraca resistência mecânica e instabilidade na presença de soluções ácidas. Adsorventes mais comuns https://www.youtube.com/watch?v=H-hXE6PXSyg  Adsorção Parâmetros que Influenciam Exemplos de Operações Unitárias a Adsorção com Adsorção A eficiência da adsorção é Algumas operações unitárias que utilizam influenciada por diversos a adsorção como processo principal parâmetros, como: incluem a: temperatura, cromatografia, concentração das substâncias destilação azeotrópica, adsorvidas, adsorção em zeólitas para separação tempo de contato e de gases e a purificação de solventes características físico-químicas do orgânicos. material adsorvente.  Cristalização Às vezes, o produto de interesse deve estar na forma de partículas sólidas. Quando o processo de fabricação leva a uma solução, o sólido pode ser obtido, de forma mais conveniente, pela concentração de uma solução até a sua saturação e consequente formação de cristais. A cristalização é uma operação de conversão de uma substância ou várias substâncias do estado gasoso, líquido ou sólido amorfo para o estado cristalino.  Etapas da Cristalização Nucleação: etapa em que as moléculas do soluto dispersas no solvente começam a se juntar em aglomerados, em escala nanométrica. Nesta etapa, os átomos se arranjam de uma forma definida e periódica de acordo com a estrutura do cristal. Crescimento do cristal: acontece de forma subsequente ao crescimento do núcleo que atingiu o tamanho crítico do aglomerado. A nucleação e o crescimento continuam a ocorrer simultaneamente enquanto a supersaturação existir. O líquido mais pesado irá ocupar o espaço externo do vaso enquanto o líquido mais leve irá ocupar o centro.  Etapas da Cristalização A velocidade de nucleação e do crescimento do cristal dependem da supersaturação do sistema. Sendo esta, a força eletromotriz do processo de cristalização. Quando a supersaturação é ultrapassada, o sistema sólido-líquido atinge o equilíbrio e a cristalização está completa. A agitação é necessária ao processo, pois favorece a aproximação e choque das moléculas.  Técnicas de Cristalização Os cristalizadores podem ser classificados em termos do método usado para se obter o resultado final desejado. São os seguintes grupos: Resfriamento de uma solução concentrada e quente. Evaporação de uma solução. Vácuo – resfriamento adiabático. Adição de antissolvente. Reação química.  Técnicas de Cristalização Resfriamento por Troca Térmica Método utilizado quando a variação da solubilidade com a temperatura é importante. O arrefecimento ocorre através de troca térmica com as paredes do cristalizador e os processos podem ser contínuos ou descontínuos.  Técnicas de Cristalização Cristalização Induzida Adição de um corpo que não provocará reação química, somente uma modificação da solubilidade. O composto adicionado reduz a solubilidade do soluto, ocorrendo a precipitação. Este processo promove a redução do consumo de energia. https://www.youtube.com/watch?v=NsP9mrYFcBI  Técnicas de Cristalização Reação Química Ocorre reação química entre dois compostos solúveis para formar um composto insolúvel (precipitado). O processo Solvay, utilizado para obtenção de bicarbonado de sódio é um exemplo.  Técnicas de Cristalização Evaporação A solução é concentrada a temperatura constante por evaporação do solvente, geralmente sob pressão reduzida. A evaporação acontece ao se utilizar um trocador de calor dentro do aparelho ou em recirculação externa. Utiliza-se esse processo quando a solubilidade varia pouco com a temperatura. Técnicas de Cristalização https://www.youtube.com/watch?v=vQavEjadEAo  Equipamentos utilizados na Cristalização Tanques de Cristalização Constituído por: Tanque com agitação com fundo cônico; Serpentinas de resfriamento. Funcionamento: Escoamento da solução quente; Resfriamento da solução; Raspagem ou agitação dos cristais. Processo simples e com baixo custo de instalação. Tem como desvantagens as despesas com mão de obra, irregularidade do produto e solubilidade mínima na superfície das serpentinas.  Equipamentos utilizados na Cristalização Evaporador Funcionamento: Aquecimento do líquido; Vaporização em flash; Diminui a quantidade de solução; Ocorre a cristalização. Apenas cristais grandes podem sedimentar e os menores voltam para o vaporizador. Tem como desvantagens espumejamento, sensibilidade ao calor, incrustações, corrosão e limitações de espaço.  Cristalização Importância da Cristalização nas Operações Unitárias A cristalização desempenha um papel fundamental na obtenção de produtos de alta pureza, pois permite a separação de misturas, remoção de impurezas e concentração de soluções.  Secagem A desidratação ou secagem é a operação de remoção de água, ou de qualquer outro líquido na forma de vapor, para uma fase gasosa insaturada através de um mecanismo de vaporização térmica, numa temperatura inferior à de ebulição. A secagem é um processo combinado de transferência de calor e massa, em que uma boa parte da água é eliminada. A secagem também reduz o tamanho e o peso, tornando-os mais fáceis de serem transportados e armazenados.  Secagem Princípios Básicos da Secagem  Fatores que Afetam a Secagem Temperatura de bulbo úmido: Material úmido exposto a corrente de gás aquecido terá temperatura inferior a temperatura do gás. Temperatura de bulbo seco: Temperatura real do gás que entra no secador. Distribuição do gás dentro do secador: Maior turbulência do gás; Menor espessura da película de líquido na superfície do sólido. Maior eficiência na secagem. Fatores que Afetam a Secagem  Equipamentos utilizados na Secagem Secador de Bandejas Consiste de uma câmara com isolamento térmico, com sistemas de aquecimento e ventilação do ar circulante sobre as bandejas e através das bandejas, que ficam em uma base fixa. O ar aquecido circula por meio de ventiladores e o sistema permite uma circulação de ar para conservação do calor. É utilizado para a secagem de frutas, legumes e hortaliças em pequena escala.  Equipamentos utilizados na Secagem Secador de Esteira Estes secadores possibilitam o transporte contínuo do material em processo por meio de uma esteira perfurada. Os secadores de esteira contínua são normalmente construídos de forma modular de modo que, cada seção apresenta o seu ventilador e aquecimento próprio. Essas seções são unidas em série formando um túnel através do qual esteira se movimenta.  Equipamentos utilizados na Secagem https://www.youtube.com/watch?v=hpWzv2fDH4w  Equipamentos utilizados na Secagem Secador Pneumático – Flash Dryer Os secadores pneumáticos "Flash Dryer", são adequados especialmente a sólidos unidos, resultante de processos de filtragem, decantação e centrifugação, onde se deseja principalmente a remoção da umidade para obtenção de pós secos. No Flash Dryer, o material a ser desidratado, é introduzido em um sistema de transporte por tubulações onde o próprio ar de secagem, a medida que transporta o material, vai evaporando a água nela contida, sendo após a secagem, recuperada em um ciclone. Equipamentos utilizados na Secagem Secador Pneumático – Flash Dryer  Equipamentos utilizados na Secagem Secador Pneumático – Flash Dryer Este processo tem por princípio a atomização ou pulverização do alimento a ser desidratado em diminutas partículas. Este tipo de desidratador, é muito utilizado na indústria de alimento para secagem de produtos na forma líquida ou pastosa. A característica neste tipo de sistema, é o tempo extremamente curto, variando de 3 a 12 segundos e, a temperatura do produto durante o processo de secagem é relativamente baixo. Equipamentos utilizados na Secagem https://www.youtube.com/watch?v=Z8jI7wma8lE Aplicações da Secagem  Referências BENEDETTI, A.; CHIOT, B. F.; BASSO, T; BABINSKI, K. Cristalização: operações unitárias II. Curso de Engenharia Química. Toledo: UNIOESTE. CHAGURI, L. Peneiramento. 2015. Universidade de São Paulo - USP. Disponível em: https://sistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/8151869/LOQ4016/Aula_3_peneiramento.pdf. Acesso em: 14 de março de 2023. GUIMARÃES, M. T. G.; et al. Aplicação do Lean Seis Sigma para melhoria da etapa de separação magnética de alta intensidade em uma empresa de mineração. 2021. HOLOS, Ano 37, v.5, e9418, 2021. MARTINEZ, C. M. Separação sólido-sólido. 2016. Departamento de Engenharia Química e de Engenharia de Alimentos, UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina. Disponível em: http://paginapessoal.utfpr.edu.br/camilamartinez/operacoes-unitarias-na-industria-de-alimentos-2o-semestre- 2016/Peneiramento.%20Apostila.pdf/view. Acesso em: 14 de março de 2023. RASTEIRO, M. da G.; et al. Adsorção e permuta iônica. 2007. Portal de Laboratórios Viruais de Processos Químicos. Departamento de Engenharia Química, FCTUC – Universidade de Coimbra, Portugal. Disponível em: http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?option=com_content&task=view&id=188&Itemid=450. Acesso em: 13 de março de 2023. SULMAG. Separação magnética. 2023. Disponível em: https://www.sulmag.com.br/separacao-magnetica. Acesso em: 14 de março de 2023.