CRISTALIZACIÓN

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.
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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
átomos que lo constituyen están
dispuestos de forma regular, con el
resultado de que la forma del cristal es
independiente de su tamaño.
Si un cristal crece, cada una de sus caras
se desarrolla de forma regular.
La presencia de impurezas, sin embargo
da lugar a la formación de un cristal
irregular.
Sobresaturación

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.
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.
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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.
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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..
sobresaturada
1. Inicio del fenómeno en la zona no
saturada
5. Disminución de la concentración
por crecimiento cristalino.
2. Saturación por enfriamiento
3. Inicio de la nucleación
6. Crecimiento cristalino por
disminución de la temperatura
4. Nucleación rápida
7. Término de la cristalización.
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
cristalización
Crecimiento:

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.
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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.