Transferencia de masa - CRISTALIZACIÓN

 

CRISTALIZACIÓN

 Definición:

La cristalización es también una técnica de separación química sólido-líquido, en la que se produce la transferencia de masa de un soluto de la solución líquida a una fase cristalina sólida pura y se utiliza como procedimiento de purificación, tanto a nivel de laboratorio como a nivel industrial.

La cristalización de disoluciones es industrialmente importante dada la gran variedad de materiales que se comercializan en forma cristalina. Su amplia utilización se debe a dos razones: un cristal formado a partir de una disolución impura es esencialmente puro (excepto que se formen cristales mixtos), y la cristalización proporciona un método práctico para la obtención de sustancias químicas puras en una condición adecuada para su envasado y su almacenamiento.

 La cristalización de soluciones es importante en la industria debido a la gran variedad de materiales que se comercializan en forma cristalina. Su amplia utilidad se debe a dos razones:

• ·          Un cristal formado a partir de una solución impura es esencialmente puro  (excepto que se formen cristales mixtos).
• ·        La cristalización proporciona un método práctico para la obtención de sustancias químicas puras en una condición adecuada para su envasado y almacenamiento

La formación de partículas sólidas puede tener lugar a partir de un vapor. Destaca sobre otros procesos de separación por su potencial para combinar purificación y producción de partículas en una sola operación.

Importancia del tamaño de los cristales.

 No cabe duda de que un buen rendimiento y una elevada pureza son dos objetivos importantes de la cristalización, pero el aspecto y el intervalo de tamaños del producto cristalino también es importante. Si los cristales intervienen en un proceso posterior, para filtración, lavado, reacción con otros productos químicos, transporte y almacenamiento, es deseable que su tamaño sea adecuado y uniforme. Si los cristales se comercializan como un producto acabado, la aceptación por los consumidores exige cristales individuales resistentes de tamaño uniforme, que no se formen agregados y que no se aglomeren en el envase. Por estas razones es preciso controlar la distribución del tamaño de los cristales (CSD), y éste es uno de los principales objetivos en el diseño y operación de cristalizadores

Fundamentos de la cristalización

La cristalización puede analizarse desde los puntos de vista de pureza, rendimiento, requerimientos energéticos y velocidades de nucleación y crecimiento.

Pureza del producto . Un cristal perfectamente formado es totalmente puro, pero cuando se retira del magma tina1 retiene aguas madres por quedar ocultas en el interior de la masa de sólidos. Cuando las aguas madres retenidas, que son de baja pureza, se secan sobre el producto, se produce contaminación, cuyo alcance depende de la cantidad y grado de impureza de las aguas madres retenidas por los cristales. En la práctica, una gran cantidad de las aguas madres retenidas se separan de los cristales por filtración o centrifugación, lavando con disolvente fresco. La eficacia de estas etapas de purificación depende del tamaño y uniformidad de los cristales.

Equilibrios y rendimientos 

El equilibrio en los procesos de cristalización se alcanza cuando la disolución está saturada y la relación de equilibrio para los cristales grandes es la curva de solubilidad. (Según se verá después, la solubilidad de los cristales extraordinariamente pequeños es mayor que la de los cristales de tamaño ordinario.)

Curvas de solubilidad: curva 1, KNO,; curva 2, NaCl; curva 3, MnSO, ​​​​​​​​. H,O (todas en disolución acuosa)

.

En la Figura se presentan curvas de solubilidad en función de la temperatura. La mayor parte de los materiales presentan curvas similares a la curva 1; es decir, la solubilidad aumenta más o menos rápidamente con la temperatura. Unas pocas sustancias siguen curvas como la curva 2, con poca variación de la solubilidad con la temperatura; otras presentan lo que se llama curva de solubilidad invertida (curva 3), lo que indica que su solubilidad disminuye al aumentar la temperatura.

NUCLEACIÓN :  La nucleación es el inicio de un cambio de fase en una región pequeña, como la formación de un cristal sólido a partir de una solución líquida. 

Es consecuencia de rápidas fluctuaciones locales a escala molecular en una fase homogénea que se encuentra en un estado de equilibrio metaestable. La nucleación total es el efecto suma de dos categorías de nucleación: primaria y secundaria.  

La velocidad de nucleación es el número de nuevas partículas formadas por unidad de tiempo y unidad de volumen de magma o de aguas madres exentas de sólidos. Esta magnitud es el primer parámetro cinético que controla la distribución de tamaño de los cristales

Esquema de un sistema de cristalización en la industria

1. Preparación de la solución

• La solución sobresaturada se prepara en el tanque de alimentación.
• La solución se agita continuamente para mantener la homogeneidad.

2. Transferencia al cristalizador

• La solución se traslada al cristalizador.
• Se controla la temperatura y la agitación para iniciar la cristalización.

3. Nucleación y crecimiento

• Dentro del cristalizador, se promueve la nucleación y el crecimiento de los cristales.
• La temperatura y la velocidad de agitación son cruciales para controlar el tamaño y la calidad de los cristales.

4. Separación de cristales

• Los cristales formados se separan de la solución madre utilizando un separador.
• La separación puede realizarse mediante filtración, centrifugación o decantación.

5. Lavado

• Los cristales separados se lavan en el tanque de lavado para eliminar impurezas.
• El lavado se realiza con un solvente puro o agua.

6. Secado

• Los cristales se lavan al secador de cristales.
• El secado elimina cualquier solvente residual, obteniendo el producto final en forma de cristales secos.

Clasificación de la cristalización en la industria

En la industria, existen diversos tipos de equipos de cristalización que se clasifican según diferentes características de funcionamiento y diseño. La elección del equipo adecuado depende de factores como la solubilidad del soluto, la velocidad de crecimiento deseada de los cristales, la pureza requerida y la capacidad de producción.

Clasificación por mecanismo de operación:

Cristalización por evaporación: Este método implica la eliminación del disolvente de una solución saturada, lo que aumenta la concentración del soluto y provoca la cristalización. Los equipos de cristalización por evaporación se pueden dividir en

Evaporación atmosférica: La solución se evapora a presión atmosférica, utilizando calor externo como vapor de agua caliente o energía solar.

Evaporación al vacío: La solución se evapora a una presión reducida, lo que disminuye el punto de ebullición del disolvente y permite una evaporación más eficiente a menor temperatura.

Cristalización por enfriamiento: Este método implica la disminución de la temperatura de una solución saturada, lo que reduce la solubilidad del soluto y provoca la cristalización. Los equipos de cristalización por enfriamiento se pueden dividir en:

Enfriamiento directo: La solución se enfriaba directamente, utilizando un intercambiador de calor o un refrigerante.

Enfriamiento indirecto: La solución se enfriaba indirectamente, circulando por una chaqueta o camisa refrigerada por otro fluido.

Clasificación por tipo de agitación:

Cristalizadores con agitación mecánica: Estos equipos utilizan un agitador mecánico para mezclar la solución y mantener los cristales en suspensión. Se pueden subdividir en:

Cristalizadores de tanque agitado: Los más comunes, consisten en un tanque con un agitador central que impulsa la solución.

Cristalizadores de tubo con raspadores: La solución fluye a través de un tubo mientras los raspadores rotatorios remueven los cristales de las paredes del tubo.

Cristalizadores sin agitación mecánica: Estos equipos no utilizan agitadores mecánicos, sino que dependen de otros mecanismos para mantener la suspensión de los cristales:

Cristalizadores de circulación forzada: La solución se recircula a alta velocidad a través del cristalizador, creando un flujo turbulento que mantiene los cristales en suspensión.

Cristalizadores tipo Oslo: La solución fluye hacia arriba a través de un tanque con un deflector central, generando un flujo ascendente que mantiene los cristales en suspensión

Clasificación por diseño:

Cristalizadores continuos: Estos equipos operan de forma continua, alimentando la solución saturada por un extremo y descargando los cristales y el disolvente restante por el otro.

Cristalizadores discontinuos: Estos equipos operan por lotes, llenando el cristalizador con la solución saturada, permitiendo la cristalización y luego descargando los cristales y el disolvente restante.

Selección del equipo adecuado:

La elección del equipo de cristalización adecuado para un proceso específico depende de una serie de factores, entre ellos:

Las propiedades del soluto y el disolvente: Solubilidad, viscosidad, estabilidad térmica, etc.

La velocidad de crecimiento deseada de los cristales: Afecta el tiempo de residencia en el cristalizador y el tipo de agitación requerido.

La pureza requerida de los cristales: Influye en el diseño del equipo y las condiciones de operación.

La capacidad de producción: Determinar el tamaño y el número de equipos necesarios.

Los costos de inversión y operación: Se deben considerar los costos del equipo, la energía y la mano de obra

Aplicación de la cristalización en las industrias.

El proceso de cristalización es una técnica ampliamente utilizada en la industria para obtener sustancias sólidas puras. Se basa en la formación de cristales a partir de una solución sobresaturada. En este proceso intervienen diferentes etapas.

La cristalización es una unidad básica de operación muy extendida, que se utiliza básicamente para producir y purificar productos sólidos, en la industria química, química fina, alimentación, minería, etc. Dependiendo de los requisitos del proceso se selecciona refrigeración, evaporación o precipitación para la formación de los cristales. En consecuencia, la variación o tipo de máquina a utilizar puede ser muy amplia.

Producción de productos químicos.

La cristalización tiene un papel crucial en la producción de productos químico. Permite la formación de cristales altamente puros, lo cual es fundamental en la fabricación de fármacos, colorantes, aditivos alimentarios y otros compuestos químicos utilizados en diversas industrias.

Purificación de sustancias.

La cristalización también se utiliza para purificar sustancias. Mediante este proceso, es posible separar los componentes no deseados de una solución, obteniendo así un producto final más puro y de mayor calidad. Esto es especialmente útil en la fabricación de productos farmacéuticos y químicos de alta gama.

Separación de mezclas.

Otro uso importante de la cristalización en la industria es la separación de mezclas. Aprovechando las diferencias en la solubilidad de los componentes de una mezcla, es posible obtener cristales de una sustancia específica, dejando el resto de la mezcla en estado líquido o en forma de precipitado. Esto resulta especialmente útil en la industria alimentaria y en la producción de productos químicos.

Obtención de sal y minerales.

La cristalización también se emplea en la obtención de sales y minerales. Para aprovechar las condiciones adecuadas de enfriamiento y evaporación controlada, es posible obtener cristales de compuestos como la sal de mesa, el azúcar o diversos minerales utilizados en la industria metalúrgica y en la fabricación de materiales de construcción.

Aplicaciones adquiridas.

• Fabricación de azúcar.
• Producción de sal.
• Obtención de Farmacéuticos.
• Proceso de refinación de minerales.

 Enlace del vídeo:

https://drive.google.com/file/d/1SFgL_jcykJoOkg7t23KkK2u9-o92rNNv/view?usp=drive_link

Enlace de diapositivas:

Diapositivas (Cristalización)

Conclusión 

Podemos concluir que la cristalización y la transferencia de masa están estrechamente relacionadas en el proceso mediante el cual los cristales sólidos se forman a partir de un líquido, y ambos son aspectos importantes tanto en la ciencia de los materiales como en diversas aplicaciones industriales.  La cristalización es esencial en diversas industrias por su capacidad para purificar productos, reducir costos y mejorar la eficiencia. Su versatilidad y control preciso de las propiedades físicas permiten aplicaciones en sectores como el farmacéutico, químico y alimentario, impulsando la innovación y el desarrollo sostenible.

En la industria, se utilizan diversos tipos de equipos de cristalización en combinación para lograr los resultados deseados de acuerdo a las características específicas de cada proceso. La selección adecuada del equipo es crucial para la eficiencia, la calidad del producto y la rentabilidad del proceso de cristalización.

Bibliografía 

Caperva. (2016). EKATO CRYSTALLIZATION DAY. Caperva Filtration , 1. Obtenido de https://www.caperva.com/procesos-de-cristalizacion-agitadores-industriales/#:~:text=La%20cristalizaci%C3%B3n%20es%20una%20unidad,%2C%20alimentaci%C3%B3n%2C%20miner%C3%ADa%2C%20etc.

Warren L. McCabe, Julian C. Smith y Peter Harriott (2007), Operaciones Unitarias en Ingeniería Química - Séptima Edición, Mc Gran Hill.

Martínez, J. (2010). Aplicaciones Industriales de la Cristalización. LA INDUSTRIAL , 1. Obtenido de https://www.laindustrialeventos.com/aplicaciones-industriales-de-la-cristalizacion/

algo tarjeta . (sf). Obtenido de https://cards.algoreducation.com/es/content/qrHJr7nM/importancia-cristalizacion-industria-quimica

2 . (29 de abril de 2020). Obtenido de https://cursolusegil.blogs.upv.es/category/cristalizacion/#:~:text=La%20cristalizaci%C3%B3n%20se%20produce%20por,trabajan%20a%20presi%C3%B3n%20de% 20vac%C3%ADo.

Melgoza, G. (12 de mayo de 2012). diapositivasshare . Obtenido de https://es.slideshare.net/slideshow/equipos-de-cristalizacion/12856886

Wikipedia SA (Ley 2024). Wikipedia la Enciclopedia . Obtenido de https://es.wikipedia.org/wiki/Cristalizaci%C3%B3n#:~:text=La%20cristalizaci%C3%B3n%20es%20tambi%C3%A9n%20una,laboratorio%20como%20a%20nivel %20industrial.