cristalización melt

TEMA 6: CRISTALIZACIN DE FUNDIDOS


SLURRY PROCESSES:1.- PROCESOS CONTINUOS POR ETAPASB.M.

flujo msico de alimentacin, de fundido y de cristales, respectivamente. xi , yi: fracciones en masa de impureza en los cristales y en el fundido, respectivamente

F, M, C:

Relacin de equilibrioResolviendo el balance:CONCENTRACIN DE IMPUREZA


SLURRY PROCESSES:1.- PROCESOS CONTINUOS POR ETAPASAlternativamente puede usarse un diagrama de McCabe-Thiele:


SLURRY PROCESSES: 2.- PROCESOS BATCH POR ETAPAS1. Carga inicial: M0, yi,0 2. Enfriamiento y solidificacin de una fraccin g de la carga inicial CRISTALES HOMOGNEOS B.M. a la impureza al final del batch:

CRISTALES NO HOMOGNEOS B.M. en estado no estacionario: dm/dt: velocidad de crecimiento en kg/h; M: masa de lquido fundido a un tiempo t Balance global: Segn definicin de g:


SLURRY PROCESSES: 2.- PROCESOS BATCH POR ETAPASOperando: Sustituyendo en la expresin del B. M. en rgimen no estacionario: C.I.: xi = ki yi,0 para g = 0 Solucin:CONCENTRACIN INSTANTNEA DE IMPUREZA EN EL SLIDO

CONCENTRACIN MEDIA DE LOS SLIDOS


SLURRY PROCESSES: 2.- PROCESOS BATCH POR ETAPASFUSIN PARCIAL Y DRENAJE (SWEATING) Los cristales que se recogen estn contaminados con una fraccin e del lquido fundido Si el lquido retenido no se elimina, la concentracin total del producto (cristales+lquido adherido) es:

Aceptando que el lquido retenido est en equilibrio con la capa externa del cristal: Operando:

CONCENTRACIN MEDIA DE PRODUCTO


SLURRY PROCESSES: 2.- PROCESOS BATCH POR ETAPASFUSIN PARCIAL Y DRENAJE (SWEATING) Es aconsejable eliminar el lquido retenido por los cristales, pues est concentrado en la impureza FUSIN PARCIAL Y DRENAJE Se funde una porcin de cristales g. La fraccin de cristales cosechados es: La composicin media de los cristales (cuyo interior no est afectado por la fusin parcial) es:

La composicin del nuevo fundido que se adhiere a los cristales es idntica a la del cristal fundido (idealmente el nuevo fundido desplaza al anterior lquido retenido; el desplazamiento es perfecto si g e g1 . Por tanto:


SLURRY PROCESSES: 2.- PROCESOS BATCH POR ETAPASFUSIN PARCIAL Y DRENAJE (SWEATING) La composicin de producto ser ahora:

CONCENTRACIN DE PRODUCTO

CONCLUSIN:UNA CANTIDAD

LA FUSIN PARCIAL Y DRENAJE HACE QUE SE RECOJA PRODUCTO PERO DE UNA PUREZA

MENOR DE SIGNIFICATIVAMENTE MAYOR.


SLURRY PROCESSES: 3.- CRISTALIZACIN EN COLUMNASEl proceso se hace en columna cuando 1 etapa no es suficiente. Aqu, el contacto entre slido y lquido es continuo y el diseo se basa (preferible) en un anlisis de transferencia de materia. Se van a desarrollar las ecuaciones para el diseo con columnas con alimentacin por unos de sus extremos y para sistemas eutcticos. Por tanto, la misin principal de la columna es purificar los cristales lavando sus impurezas presentes en el lquido adherido, ms que obtenerlos. La columna se alimenta con una suspensin de cristales (C, xIN + eC, yAD, IN) y es adiabtica (excepto el melter). La velocidad de transferencia de impureza del lquido adherido es:End-feed column crystallizer

M: kg/h de fundido; yAD, y: fraccin en masa de impureza en el melt adherido y en el melt, respectivamente.


SLURRY PROCESSES: 3.- CRISTALIZACIN EN COLUMNASOperando: L = (HTU) (NTU)

Determinacin de NTU: Para hallar yAD-y se hace un B.M. a la envoltura sealada en el esquema de la columna

Para eutcticos xIN=x=0. Resolviendo:End-feed column crystallizer: Operating diagram


SLURRY PROCESSES: 3.- CRISTALIZACIN EN COLUMNASOperando:

Especificaciones habituales: yAD,in y xproduct Lmite superior: yout B.M. externo a la columna: para cristales puros resulta M yAD,out + M yout = e C yAD,in+ M yin

El B.M. requiere conocer yAD,out. Para ello se parte del valor conocido de xproducto: eCyAD,out+ Cxout eyAD,out (x =0) out xproducto= = eC+ C e +1 Despejar yAD,out Lmite inferior: yin yin xproducto el reflujo es producto fundido


TEMA 6: CRISTALIZACIN DE FUNDIDOS 1. CRISTALES DISCRETOS (SLURRY)

EQUIPO

(Separaciones bulk + Ultrapurificacin de eutcticos)C. UNA ETAPACristalizador de superficie rascada

C. MLTIPLE En Tanques: secuencia sucesiva de cristalizacin + (lavado) + fusin parcial(completa) + recristalizacin. til si concentracin de impurezas en F es alta.

En columnas: til si concentracin de impurezas en F es baja.Columna Schildknecht Cristalizador PHILLIPS Purificador BRODIE Proceso TSK

TEMA 6: CRISTALIZACIN DE FUNDIDOS 2. FASE SLIDA CONTINUA (Ultrapurificacin: + 99,9 %)

EQUIPO

CONGELACIN NORMAL (Normal (progressive) freezing)C. UNA ETAPAProceso PROABD Cristalizadores rotatorios

C. MLTIPLEProceso Sulzer

FUSIN POR ZONAS (Zone melting)


EQUIPO

Los cristales se forman sobre todo en la seccin de enfriamiento de colas y ascienden movidos por el convector. El melt se produce en cabezas mediante fusin de los cristales. M ;C En la columna se lavan superficialmente los cristales por contacto en contracorriente con el fundido. La columna es un equipo de laboratorio y puede operar cambiando las direcciones de flujo de M y C, sin ms que invertir la posicin de los equipos de fusin y de congelacin.


EQUIPO

(Slurry)

Melt ; C

Vertical end-feed column melt crystallizer (Phillips Petroleum)

M.P.: o-xileno p-xileno

- 46,9 C ; m-xileno -25,2 C 15,3 C


EQUIPO

Se produce purificacin por: Fusin parcial de cristales por el reflujo caliente Solidificacin parcial del reflujo al haber cedido Lavado de cristales al contactar en flujo con melt de reflujo ms puro

Phillips process for purifying p-xilene

Ejemplos de purificacin realizada en columnas end-feed: Purificacin de p-xileno Zumos de fruta Cerveza Productos alimentarios Hielo

TEMA 6: CRISTALIZACIN DE FUNDIDOSProducto relativamente puro con el p.f. mas bajo

EQUIPO

Caractersticas de las columnas de alimentacin central: HIDRODINMICAS C F mover C con espirales, pistn, pulso, centrfuga, etc. TRANSFERENCIA DE MATERIA Molculas internas del cristal no intercambian materia con el fundidoProducto con el p.f. mas alto

La funcin del movimiento en contracorriente es lavar los cristales

Schematic of a center feed melt crystallizer


EQUIPO

Brodie type column

Produccin de NAFTALENO 1-4 DICLOROBENCENOConfiguration of Brodie crystallizer


EQUIPO

Tres cristalizadores convencionales conectados en serie y una columna de purificacin conectada a la etapa1. F alimenta la etapa 1 donde cristaliza parcialmente. La suspensin de cristales se concentra en el hidrocicln y pasa a la columna tipo Brodie. El lquido claro que sobrenada de la zona intermedia de sedimentacin se lleva a la siguiente etapa. El bombeo de la suspensin y el overflow de lquido claro producen un flujo en contracorriente de slido y lquido en cada etapa. El proceso se aplica para produccin de P-XILENO a gran escala


EQUIPO


EQUIPO


EQUIPO


EQUIPO

Desarrollado por BEFS Technologies Purificacin de NAFTALENO y ANTRACENO


EQUIPO


EQUIPO

Purificacin de c. orgnicosNaftaleno Clorobencenos Nitrotoluenos Acido benzoico Cresoles

Separacin de cidos grasos (con un disolvente presente) En general, separacin de compuestos que forman disoluciones slidas


EQUIPO

Descripcin y caractersticas del proceso SULZER Es un proceso de cristalizacin mltiple por cargas donde cada etapa incluye una secuencia sucesiva de pasos de: a) solidificacin parcial de un fundido. b) fusin parcial y drenaje. c) fusin total. a) Es una cristalizacin normal por enfriamiento. Se realiza en un tubo vertical (cristalizador) por el interior del cual desciende una pelcula de fundido que se solidifica parcialmente. El producto resultante es un slido continuo de ~ 5-20 mm de espesor sobre el interior del tubo. b) La fusin parcial se hace mediante un ligero calentamiento del slido. Se almacena el fundido impuro. c) Se realiza la fusin completa, con recuperacin del producto refinado en un tanque de producto. d) Terminada la etapa se aade una nueva carga y se repite el proceso. Los productos de cada etapa se recogen separadamente y sirven de alimentacin en sucesivas etapas del ciclo. El proceso completo simula 3-5 etapas en contracorriente. La capacidad de separacin depende del n de etapas, de la relacin de reflujo y del coeficiente de distribucin.


PROCESOS CON FASE SLIDA CONTINUALa retencin de lquido por parte de los cristales (entrainment) es un problema en los procesos en suspensin pues reduce la pureza del producto final. El fenmeno disminuye si se opera con el slido formando una fase continua (barra), ya que se reduce el rea superficial. Debido a la disminucin de la velocidad de transferencia de materia, la cristalizacin de fundidos para formar una fase slida continua se hace exclusivamente en procesos de ultrapurificacin, donde se desea obtener un producto de + 99,9% de pureza. Las dos principales variantes de estos procesos son la congelacin normal y la fusin por zonas


PROCESOS CON FASE SLIDA CONTINUA: 1.- SOLIDIFICACINNORMAL (Normal or Progressive Freezing) Enfriamiento muy lento de un fundido para formar una superficie slida, preferentemente plana, evitando el crecimiento cristalino con formacin de dendritas o facetas

Laboratory Normal Freezing. a. Refrigerated. b. Heated. c. On wall of heat exchanger.

La geometra puede cambiar significativamente. El enfriamiento se puede hacer desde las paredes hacia el centro, o horizontalmente, o Para mejorar la purificacin puede realizarse fusin parcial de la barra y drenaje. El anlisis de este proceso es idntico al de formacin progresiva de cristales en un sistema batch. Por tanto, las ecuaciones a utilizar son idnticas a las del modelo con cristales no homogneos y, en su caso, con fusin parcial y drenaje.


PROCESOS CON FASE SLIDA CONTINUA: 2.FUSIN POR ZONASZone refining principles


FUSIN POR ZONAS

f = velocidad a la que se mueve la zona fundida = z/t = cte.

M0 = masa de fundido en la zona Diferenciando: Zona donde z < L l: B. M. a la impureza: x, y: f. en masa de impureza. Se acepta equilibrio en la interfase Sustituyendo en la ec. diferencial, resulta: y = x/k


FUSIN POR ZONASPara la primera parte fundida y = x0. A su vez, el primer material resolidificado est en equilibrio con y La condicin de contorno es: x = k y = k x0 , z = 0 La solucin de la ecuacin diferencial es: Zona donde z > L l: Durante el final del paso de la zona sta disminuye y el B. M. es:

Esta etapa equivale a una congelacin normal donde toda la carga es fundida y despus solidificada. La solucin del balance es: y0 : conc. de la zona fundida al comienzo del proceso de congelacin normal. Su valor puede calcularse as: g se relaciona con z as:


FUSIN POR ZONAS

Mltiples pasos: Las anteriores ecuaciones son para un solo paso. Para pasos mltiples hay que resolver numricamente (GRFICAS). x0 en las ecuaciones es el valor de x del paso anterior. Observaciones: Si ki

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