CRISTALIZACIÓN

CRISTALIZACIÓN Es una operación unitaria de gran importancia

en la Industria Química, como método de purificación y de obtención de materiales cristalinos que tienen múltiples aplicaciones.

La cristalización puede tener lugar a partir de soluciones, de sólidos fundidos o de vapores.

El cristal formado es más puro que la fase homogénea donde se originó.

Es posible conseguir purezas cercanas al 100%, aún para separación de isómeros a temperaturas relativamente bajas.

En un cristal, la moléculas, iones o En un cristal, la moléculas, iones o átomos que lo constituyen están átomos que lo constituyen están dispuestos de forma regular, con el dispuestos de forma regular, con el resultado de que la forma del cristal es resultado de que la forma del cristal es independiente de su tamaño.independiente de su tamaño.

Si un cristal crece, cada una de sus caras Si un cristal crece, cada una de sus caras se desarrolla de forma regular.se desarrolla de forma regular.

La presencia de impurezas, sin embargo La presencia de impurezas, sin embargo da lugar a la formación de un cristal da lugar a la formación de un cristal irregular. irregular.

Para que la cristalización tenga lugar una solución debe estar " sobresaturada".

Sobresaturación se refiere a un estado en que el líquido (el solvente) contiene los sólidos más disueltos (el soluto) que ordinariamente puede estar arreglado a esa temperatura.

Sobresaturación

FORMAS CRISTALINAS

BASES TEÓRICAS DE LA CRISTALIZACIÓN

La transferencia de materia entre fases, requiere una fuerza impulsora que es un gradiente de concentraciones, entre la solución y la cara del cristal del sólido en crecimiento.

Esto exige una cierta sobresaturación, o sea que se sobrepase el valor de solubilidad que corresponda a la temperatura y presión del sistema.

SOBRESATURACIÓN Por eliminación del solvente: Concentración de

la solución por evaporación.

Por disminución de la temperatura: Enfriamiento.

Por agregado de un tercer componente que modifique las relaciones originales de solubilidad y provoque la separación del soluto a cristalizar.

Por reacción química (altera sólido disuelto y disminuye solubilidad).

Solubilidad y sobresaturación La solubilidad de una sustancia es la cantidad

disuelta en un disolvente en equilibrio, en condiciones dadas de temperatura y presión.

La solubilidad de un soluto en un solvente a distintas temperaturas da lugar a la curva de saturación.

Tales curvas de equilibrio presentan formas diferentes para sustancias distintas y de su observación se puede inferir el grado de dependencia de la solubilidad respecto de la temperatura para cada sustancia..

1.1. Inicio del fenómeno en la zona no Inicio del fenómeno en la zona no saturadasaturada

2.2. Saturación por enfriamientoSaturación por enfriamiento

3.3. Inicio de la nucleaciónInicio de la nucleación

4.4. Nucleación rápidaNucleación rápida

5. Disminución de la concentración 5. Disminución de la concentración por crecimiento cristalino.por crecimiento cristalino.

6. Crecimiento cristalino por 6. Crecimiento cristalino por disminución de la temperaturadisminución de la temperatura

7. Término de la cristalización.7. Término de la cristalización.

sobresaturadasobresaturada

Etapas fundamentales de la cristalización

Nucleación: Los núcleos pueden formarse

espontáneamente, pero requiere un mínimo de energía.

En muchos casos pueden añadirse pequeños cristales de siembra.

La nucleación y el crecimiento tienen lugar simultáneamente.

A mayor sobresaturación, menor tamaño del núcleo crítico.

Etapas fundamentales de la cristalizaciónCrecimiento:

Transferencia de materia (difusión), seguido de una reacción sobre la superficie del cristal.

Las moléculas o iones difunden hacia las caras del cristal y allí deben ser aceptadas a través de valencias o fuerzas residuales del reticulado cristalino, incorporándose al mismo.

En procesos de cristalización a partir de soluciones, se desprecian los efectos de transferencia de calor y solo se considera el proceso de transferencia de materia.

El tamaño relativo de las caras de un cristal ("hábito") depende de las condiciones de crecimiento y por tanto del grado de sobresaturación.

EQUIPOS DE CRISTALIZACION

Existen amplias variedades de cristales a obtener, por lo que es difícil tener un criterio uniforme para la elección de un equipo.

Pero si existen principios básicos para tener en cuenta:

PRINCIPIOS BASICOS• Controlar el nivel de sobresaturación correspondiente a bajas velocidades de formación de

núcleos.

• Mantener un número suficiente de cristales de siembra en suspensión de manera tal que haya suficiente área superficial de la suspensión para la deposición del soluto.

• Poner en contacto los cristales de siembra con la suspensión tan pronto como sea posible para evitar pérdidas debido al decaimiento del tiempo.

• Remover el exceso de núcleos tan pronto como sea posible después de su formación.

• Minimizar la nucleación secundaria manteniendo la entrada de energía mecánica y el frotamiento de cristales tan bajo como sea posible.

• Mantener una densidad del magma tan alta como sea posible, en general mientras mayor es la densidad del magma, mayor es el tamaño promedio de los cristales.

• Minimizar la acumulación de sólidos por eliminación de gradientes localizados de transferencia de masa y calor (puntos calientes o fríos), evitar restricciones innecesarias de flujo y operar a gradientes de temperatura o de sobresaturación tan bajos como sea posible.

• Proveer un ambiente químico ( es decir impurezas aditivos, etc) que favorezca la forma y crecimiento de los cristales.

Dos esquemas se han utilizado ampliamente para clasificar los equipos de cristalización de acuerdo a:

• El método de generar la sobresaturación

• El método de suspender el crecimiento de los cristales

Hay cinco métodos básicos de crear sobresaturación:

• Evaporación: Por vaporización del solvente

• Enfriamiento:Por enfriamiento de una solución a través de un intercambio de calor indirecto.

• Enfriamiento al vacío: Sometiendo la alimentación a una evaporación flash para disminuir la temperatura e inducir la cristalización por enfriamiento y evaporación simultanea del solvente.

• Reacción: Por reacción química

• Salting Out: Por la adición de una tercera sustancia para cambiar las relaciones de solubilidad.

Equipo Cristalizador

Clasificación de acuerdo al método de suspender los cristales en crecimiento :

• Magma circulante: Todos los cristales en crecimiento están circulando a través de la zona del cristalizador donde la sobresaturación es generada. Este puede ser acompañado por mezclado o remoción de producto clasificado con o sin destrucción de finos.

• Licor Circulante:Solamente el licor esta circulando, con la masa de cristales creciendo estática. La sobresaturación es impartida al licor en una parte del equipo; entonces el licor se hace circular a otra parte del cristalizador donde este incrementa su sobresaturación hasta el crecimiento de los cristales, y entonces es recirculado otra vez. Este tipo de equipos esta también disponible con o sin destrucción de finos.

• De superficie raspada: La cristalización es inducida por intercambio directo de calor con un medio enfriador a través de una superficie la cual esta continuamente raspada o agitada para minimizar el ensuciamiento y la deposición de sólidos.

• Cristalizadores de Tanque:La cristalización es inducida por el enfriamiento de la alimentación ya sea en tanques agitados o estáticos por convección natural o radiación o por el enfriamiento de la superficie a través de serpentines en el tanque o una chaqueta en el exterior del tanque.