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Tese de Livre Docencia
Documento
Autor
Nome completo
Marcelo Martins Seckler
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2017
Banca examinadora
Odloak, Darci (Presidente)
Carrillo Le Roux, Galo Antonio
Coury, Jose Renato
Miranda, Everson Alves
Tavares, Frederico Wanderley
Título em português
Cristalização industrial a partir de soluções: sobre fundamentos e aplicações.
Palavras-chave em português
Cristalização industrial
Dinâmica dos fluídos
Pigmentos
Precipitação
Processo (Projeto; Desenvolvimento)
Resumo em português
A cristalização a partir de soluções é uma operação unitária da indústria química destinada tanto à separação de componentes em sistemas homogêneos quanto à obtenção de produtos na forma de sólidos particulados. Apesar de ser empregado extensa e milenarmente, o processo de cristalização é ainda hoje insuficientemente conhecido, sobretudo no que diz respeito aos processos elementares que o constituem, a saber a nucleação primária, nucleação secundária e crescimento cristalino molecular, além de diversos fenômenos acessórios, tais como aglomeração, especiação nas soluções, micromistura, envelhecimento e polimorfismo. Se quantitativamente descritos, estes fenômenos elementares permitem explicar e prever aspectos industrialmente importantes relacionados ao processo - tais como rendimento e consumo energético - e ao produto particulado - tais como tamanho e forma dos cristais e grau de perfeição do retículo cristalino. Neste trabalho são reunidas diversas pesquisas relacionadas ao desenvolvimento e projeto de processos de cristalização a partir de uma abordagem fundamental. Na primeira destas pesquisas, um processo para obtenção de cloreto de sódio foi desenvolvido até a escala piloto. Foi também desenvolvida uma metodologia de projeto inovadora aplicável a processos de cristalização evaporativa. Na segunda pesquisa, os mecanismos de incrustação indesejável em um trocador de calor associado a um reator químico foram esclarecidos como sendo resultantes da cristalização de reagente, de produto e da deposição particulada de uma impureza. Com base nos mecanismos citados, foi sugerida uma modificação do processo - a redução da quantidade de produto recirculado na batelada - que foi implementada industrialmente com sucesso.Na terceira pesquisa, os fundamentos da cristalização foram utilizados para melhorar um processo de fabricação de um pigmento à base de óxidos de ferro. Foram identificadas as condições - temperatura e taxa de aeração - que favorecem a formação do produto com as características desejadas, isto é, partículas de pequenas dimensões do polimorfo goethita. A quarta pesquisa versou sobre a fluidodinâmica em sistemas sólido-liquido. A partir de estudos computacionais, foram desenvolvidas correlações para o projeto de tanques agitados visando garantir uma qualidade de suspensão especificada. No seu conjunto, as pesquisas contribuem para uma melhoria do entendimento de aspectos fundamentais selecionados dos processos de cristalização e para o emprego deste conhecimento em situações de interesse prático.
Título em inglês
Industrial crystalization from solutions: on fundamentals and applications.
Palavras-chave em inglês
Fluid dynamics
Industrial crystalization
Pigments
Precipitation
Process (Design; Development)
Resumo em inglês
The crystallization from solutions is a unit operation of the chemical industry which is used both for the separation of components from a homogeneous mixture and for the synthesis of particulate products. Despite being millenary and extensively applied, the crystallization process is still nowadays insufficiently known, particularly with respect to its constitutive elementary processes, namely primary nucleation, secondary nucleation and molecular crystal growth, as well as several accessory phenomena such as agglomeration, speciation in solution, micromixing, aging and polymorphism. If quantitatively described, these elementary phenomena explain and predict industrially relevant aspects of the industrial processes - such as yield and energy consumption - and of the particulate product - such as particle shape, particle size and regularity of the crystalline lattice. In this work a number of researches are presented, which are related to the development and design of crystallization processes from a fundamental perspective. In the first research, a process for production of food grade sodium chloride has been developed to the pilot scale. An innovative methodology for the design of evaporative crystallization has been developed as well. In the second research, the mechanisms of the undesirable scaling in a heat exchanger associated to a chemical reactor have been elucidated as being derived from the reactant crystallization, the product crystallization and from the particulate deposition of an impurity. Based on the cited mechanisms, a process modification has been suggested - the reduction in the recirculation product in each batch - and successfully implemented industrially. In the third research, the fundamentals of crystallization have been applied to improve a process for the production of an iron oxide pigment.The conditions have been identified - temperature and aeration rate - that favor the formation of a product with the desired characteristics, i.e., small particles of the polymorph goethite. The fourth research concerned the fluid dynamics in solid-liquid systems. Based on computational studies, design correlations for agitated tanks have been developed aimed at assurance of a specified suspension quality. Altogether, the researches contribute to a better understanding of selected fundamental aspects of the crystallization processes and to the application of such knowledge to situations of practical interest.
 
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Data de Publicação
2017-11-27
 
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