Antología de Cristalización equipo 1

21/05/2013

CRISTALIZACIN Operaciones de transferencia de masa 1 Investigacin acerca de la cristalizacin y sus generalidades EQUIPO 1 INTEGRANTES:

1. Ana Karen Medina Galindo 2. Alondra Bernal Miranda 3. Arsenio Sosa Fomperosa 4. Ariana Baizabal Rivera 5. Daniel Castillo Galindo 6. Jorge Arturo Romero Bustamante 7. Amrica Canela Tapia 8. Julia Osorio Gutirrez 9. Yussef Dvila Zambrano 10. Mara del Carmen Palacios Daz 11. Maurizio Alejandro Pantoja Hernndez 12. Sal Bautista Gonzales 13. Paul Santiago Olgun 14. Brenda Soto Vzquez 15. Paola Miranda Gutirrez 16. Jess Prez Contreras 17. Vctor Alejandro Arellano Reyes 18. Aldair Cuervo Zaleta 19. Vincent Andrey Rossette Amaro 20. Joaqun Muoz Ceballos 21. Carlos Alberto Mendoza Ramos 22. Jorge Hernndez Briones

Ing. Fausto Garca Reyes

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OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MASA 1

INDICE

INTRODUCCIN.3

OBJETIVO.5

GENERALIDADES

FUNDAMENTO TERICO..8

TIPOS DE CRISTALIZACIN..10

MTODOS DE CRISTALIZACIN.14

MECANISMOS DE CRISTALIZACIN.18

TEORAS DE NUCLEACIN Y CRECIMIENTO...21

TIPOS DE GEOMETRAS CRISTALINAS26

APLICACIONES INDUSTRIALES Y SU IMPORTANCIA..46

PROBLEMAS....48

CONCLUSIONES....50

BIBLIOGRAFA........51

ANEXOS ARTICULOS.53

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Introduccin

Los procesos qumicos pueden consistir en diversas secuencias de etapas, cuyos principios son independientes del material en procesos y de otras caractersticas del sistema particular. En el diseo de un proceso, cada etapa que se utilice puede estudiarse en forma individual sin pasar por alto ninguno de ellas. Algunas de las etapas consisten en reacciones qumicas, mientras que otras son cambios fsicos. La versatilidad de la ingeniera qumica se origina en el entrenamiento prctico de la descomposicin de procesos complejos en etapas fsicas individuales, las cuales reciben el nombre de operaciones unitarias. El concepto de operaciones unitarias en la ingeniera qumica se basa en la filosofa de que muchas secuencias de etapas pueden reducirse a operaciones o reacciones simples que tienen fundamentos idnticos sin importar que material vaya a procesarse. Este principio obvio para los pioneros durante el desarrollo de la industria qumica estadounidense, lo expuso con claridad por primera vez A.D. Little en 1915:

Cualquier proceso qumico, sin importar la escala, puede resolverse en una serie coordinada de lo que puede llamarse acciones unitarias, como pulverizacin, mezclado, calentamiento, calcinacin, absorcin, condensacin, lixiviacin, precipitacin, filtracin, electrlisis y por su puesto cristalizacin que es la operacin unitaria de la cual trata el presente trabajo.

Como definicin general la cristalizacin se describe como una operacin de transferencia de materia que consiste en la formacin de partculas slidas a partir de una base homognea, la cual puede ser vapor como lo es la nieve; material en fusin, como ocurre con la formacin de grandes monocristales o como la congelacin de agua para formar hielos o bien a partir de soluciones liquidas. Directamente relacionada como operacin unitaria podra decirse que la cristalizacin es una operacin por medio de la cual se separa un componente de una solucin liquida o gaseosa transfirindola a la fase slida en forma de cristales que precipitan. Para que un soluto pueda ser transferido a cristales, requiere eliminar su calor latente o entalpia de fusin, por lo que el estado cristalino adems de ser el ms puro, es el de menor nivel energtico de los 3 estados fsicos de la

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materia, en el que las molculas permanecen inmviles con respecto a otras, formando estructuras en el espacio (redes cristalinas), con la misma geometra, sin importar la dimensin del cristal.

La cristalizacin depender de propiedades como la solubilidad de los compuestos en los disolventes, ya que sta se encuentra muy relacionada con la estructura que tomar el cristal, y se puede aumentar cuando la temperatura se aumenta. Adems de tomar en cuenta este punto tambin se deben tener conocimientos acerca de las teoras que rigen la cristalizacin como las teoras de la nucleacin, que explican cmo se forman los cristales o la llamada cristalognesis.

Se puede definir un cristal como un slido que se compone de 2 o ms tomos dispuestos en una configuracin ordenada y repetitiva. Las distancias interatmicas en un cristal de cualquier material definido son constantes y caractersticas del material que se trata. El estudio de los cristales se inicia en el XIX con el mineralogista francs Auguste Bravais cuando propone su trabajo llamado Las redes de Bravais dando as a conocer que solo existe una nica red unidimensional, 5 bidimensionales y 14 modelos distintos de redes tridimensionales; pero es hasta el siglo XX cuando se desarrolla verdaderamente la cristalografa, que es la ciencia que se encarga del estudio de la descripcin y la disposicin de estructuras atmicas de los cristales. En aos recientes se estima que se publican alrededor de 2000 trabajos por ao que tratan sobre todas las ramas de la cristalizacin, este inters no es sorprendente, ya que la cristalizacin representa un proceso vital en muchas ramas de la industria contempornea como son la qumica, farmacutica, biotecnolgica, electrnica, as como en la ciencia (qumica analtica, bioqumica, biomdica etc.)

En la presente investigacin se mostraran los temas ms destacados acerca sobre cristalizacin y su gran importancia en la industria

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OBJETIVO GENERAL

Elaborar una investigacin acerca de la operacin unitaria conocida como cristalizacin

OBJETIVOS PARTICULARES

Determinar la capacidad de organizacin del equipo para realizar la investigacin

Exponer al profesor cada uno de los temas encontrados, para verificar si en verdad todo el equipo ley el trabajo

Obtener una buena calificacin, si el trabajo se encuentra con todos los requisitos

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JUSTIFICACIN DE LA INVESTIGACIN La justificacin de este proyecto se basa en varios puntos ya mencionados en los objetivos, el primero de ellos es cambiar la dinmica de trabajo en clase, ya que en temas anteriores como el de evaporacin el profesor nos proporcion una antologa para leer, y al parecer la mayora del grupo no la ley, por este motivo el profesor decidi cambiar de estrategia y que furamos el grupo ahora el que realizara la investigacin y para verificar que as fuera expondremos los temas investigados. Otro motivo para justificar esta investigacin es que el grupo quiere aprobar la materia, y este trabajo nos ayudara a lograrlo, adems de poner a prueba nuestra capacidad de organizacin ya que somos demasiados en el grupo.

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FUNDAMENTO TERICO

En muchos casos, el producto comercial de una planta debe estar en forma de partculas slidas. Cuando el proceso genera una solucin, el slido puede formarse de manera conveniente mediante la concentracin de la solucin hasta la saturacin y formacin de cristales de la solucin.

La cristalizacin es una operacin unitaria que consiste en separar un componente de una solucin lquida transfirindolo a la fase slida por medio de una progresiva formacin de partculas slidas cristalinas en el seno de una fase homognea. El proceso de formacin de cristales consta de dos etapas: la nucleacin y el crecimiento. La nucleacin es la formacin de ncleos cristalinos a partir de iones o molculas de soluto que sean de tamao suficiente para mantenerse sin solubilizarse en la solucin. El crecimiento es el proceso de aumento de tamao de un ncleo cristalino, por adicin de nuevos iones o molculas. Para poder ser transferido a la fase solida un soluto cualquiera, debe eliminar su calor latente o entalpia de fusin, por lo que el estado cristalino adems de ser el ms puro, es el de menor nivel energtico de los tres estados fsicos de la materia, en el que las molculas permanecen inmviles unas respecto a otras, formando estructuras en el espacio, con la misma geometra, sin importar la dimensin del cristal.

Las fuerzas impulsoras en esta operacin, en ambas etapas (nucleacin y crecimiento) son las mismas: la sobresaturacin, es decir, la diferencia entre la concentracin de soluto en la solucin y la concentracin que tendra la solucin saturada en el equilibrio, y la posible diferencia de temperatura entre el cristal y el lquido, originada en el cambio de fase. Las impurezas del lquido son arrastradas en pequea cantidad adheridas a la superficie del cristal, o pueden quedar ocluidas entre los cristales al aumentar de tamao durante o despus de la cristalizacin.

En las cristalizaciones comerciales no slo interesa el rendimiento y la pureza de los cristales, sino tambin el tamao y forma de los mismos. Casi siempre se desea que los cristales tengan tamao uniforme. La uniformidad del tamao es indispensable para evitar apelmazamientos en el empaque, para facilitar la descarga, el lavado y el filtrado y para un comportamiento uniforme en su uso. Algunas veces, los usuarios solicitan cristales grandes aun cuando los pequeos puedan ser igualmente tiles. Adems, en

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ocasiones solicitan ciertas formas geomtricas, como agujas en lugar de cubos. Est operacin puede analizarse desde los puntos de vista de pureza, rendimiento, requerimientos energticos y velocidades de nucleacin y crecimiento.

Pureza: Un cristal perfectamente formado es totalmente puro, pero cuando se retira del magma final retiene aguas madres por quedar ocluidas en el interior de la masa de slidos. Cuando las aguas madres retenidas, que son de baja pureza, se secan sobre el producto, se produce contaminacin, cuyo alcance depende de la cantidad y grado de impureza de las aguas madres retenidas por los cristales. En la prctica, una gran cantidad de las aguas madres retenidas se separan de los cristales por filtracin o centrifugacin, lavando con disolvente fresco. La eficacia de estas etapas de purificacin depende del tamao y uniformidad de los cristales.

Rendimiento: La mayor parte de los procesos de cristalizacin se efectan tan lentamente y la superficie del material solido en contacto con la solucin es tan grande, que al final del proceso el lquido madre est saturado a la temperatura final. En general la concentracin final del lquido madre puede tomarse como la de la curva de solubilidad. El rendimiento de una cristalizacin puede, por tanto, calcularse a partir de los datos de solubilidad, si se conocen la concentracin inicial y la temperatura final de la solucin.

Balances de material y energa: En los clculos del proceso y para llevarse a cabo se necesitan de estos balances, tanto el de materia para saber la cantidad de materia que se est trabajando; como el de energa para calcular el enfriamiento necesario o para hallar las condiciones finales de la operacin.

Velocidades de nucleacin y crecimiento: La nucleacin es la etapa del proceso de solidificacin en la que se forma unos pequeos ncleos estables slidos dentro del lquido. El crecimiento del ncleo es la etapa del proceso de solidificacin donde los tomos del lquido se unen al slido formando las grandes estructuras cristalinas. Las velocidades de nucleacin y crecimiento se refieren a la cantidad de cristales y la longitud del mismo con respecto al tiempo. La relacin entre las velocidades de nucleacin y crecimiento determinar la forma y el tamao de los granos del slido resultante.

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TIPOS DE CRISTALIZACIN

Los tipos de cristalizacin se refieren a las distintas formas en las que se lleva a cabo o por la fase homognea en la que se cristaliza, a continuacin se mostraran los tipos de cristalizacin

De acuerdo a la fase homognea donde se realiza la cristalizacin

Cristalizacin a partir de la fusin

Se define como la separacin de los componentes de una mezcla binaria sin la adicin de disolvente y la fase solida se forma por enfriamiento directo o indirecto de la fusin. Ejemplo de ello es la formacin de cristales a partir de magma o cuando se forman cristales de hielo cuando el agua se congela. Existen muchas tcnicas para efectuar la cristalizacin a partir de la fusin, entre ellas la congelacin parcial y la recuperacin de slidos en sistemas de enfriamiento de cristalizador y centrifuga; la fusin parcial o sea la exudacin; la congelacin escalonada, la congelacin normal, la fusin por zonas y la cristalizacin en columnas

Congelacin normal: tambin conocida como progresiva es la solidificacin lenta y direccional de una fusin. Bsicamente, esto incluye una solidificacin lenta en el fondo o los lados de un recipiente, por enfriamiento directo.

Fusin por zonas: se basa tambin en la distribucin de soluto entre la fase liquida y la solida, para efectuar la separacin, sin embargo en este caso, una o ms zonas liquidas para por el lingote. Esta tcnica se ha utilizado para purificar cientos de materiales

Cristalizacin en columna: se realiza dentro de una columna con flujo a contracorriente de los cristales y el lquido, y da lugar a un producto con mayor pureza que las cristalizaciones convencionales. El concepto de trabajo consiste en formar una fase cristalina, ya sea interna o externamente y luego transportar los slidos a travs de un flujo a contracorriente de liquido enriquecido con reflujo

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Cristalizacin a partir de la solucin

En esta cristalizacin se agrega un disolvente a la mezcla y despus, la solucin se enfra en forma directa o indirecta y/o se evapora el disolvente, para que se lleve a cabo la cristalizacin. Por lo general, la fase solida se forma, y se mantiene por debajo de la temperatura de congelacin del componente puro. Ejemplo de esta cristalizacin es la sal comn disuelta en agua, en la que se evapora el agua y se llega al punto en el que la cantidad de agua no podr retener toda la sal en solucin y aquella empezara a precipitar. Dentro de esta clasificacin podemos encontrar otras subdivisiones como:

Cristalizacin en caliente

El agua caliente por ejemplo disolver algo ms de sal que la fra y si la solucin fra se deja enfriar se llegar a un punto donde la solucin se sobresaturar a su temperatura y la sal cristalizar

Cristalizacin en frio

Es aquella en la que simplemente se prepara la disolucin a temperatura ambiente, se filtra y se deja reposar, cuando se sobresature se empezaran a formar los cristales

Cristalizacin por descenso de presin

Cuando mayor sea la presin a la que se somete el agua, mayor ser la cantidad de sal que aquella podr mantener en solucin. As con el descenso de la presin de una solucin saturada, se producir una sobresaturacin y consecuentemente se formaran cristales

Cristalizacin por sembrado

Es aquella donde se prepara una disolucin saturada, se filtra y se le aaden granos de siembra de la sal que se busca cristalizar

Cristalizacin por evaporacin

Es aquella donde la sobresaturacin es producida por la evaporacin del disolvente. Cuando la solubilidad de un soluto en el disolvente no vara apreciablemente con la temperatura se puede conseguir la sobresaturacin eliminando disolvente.

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Cristalizacin por reaccin qumica

Precipita un producto slido como resultado de la reaccin qumica entre gases y/o lquidos. La precipitacin sucede debido a que las fases gaseosas o lquidas se sobresaturan respecto al componente slido. Esta precipitacin puede transformarse en un proceso de cristalizacin realizando un control cuidadoso del grado de sobresaturacin. La eleccin del mtodo de mezcla de los reactivos es muy importante y resulta clave evitar zonas de excesiva sobresaturacin. La secuencia de mezcla de los reactivos puede ser de importancia crtica.

Cristalizacin por Drowning- out

Una disolucin puede sobresaturarse, respecto a un soluto dado, aadiendo una sustancia que reduzca la solubilidad del soluto en el disolvente. La sustancia aadida, que puede ser lquido, slido o gas se suele denominar precipitante.

Cristalizacin a vaco.

Se realiza un enfriamiento flash debido a una evaporacin adiabtica del disolvente, la sobresaturacin se obtiene por evaporacin y enfriamiento simultneos de la corriente de alimentacin cuando sta entre en el cristalizador debido a la baja presin existente en el interior del mismo.

Mtodos combinados

Consiste en combinar uno o ms de los mtodos antes mencionados

Cristalizacin a partir de vapor

Se lleva a cabo con los mismos principios bsicos que las cristalizaciones por disoluciones o fusiones, a medida que el vapor se enfra, los tomos o molculas separadas se van aproximando entre s, hasta formar eventualmente un slido cristalino. Los ejemplos ms familiares de este tipo de cristalizacin son la formacin de copos de nieve a partir de aire saturado de vapor de agua y formacin de cristales de azufre en la base de las fumarolas o en el cuello de los volcanes

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Cristalizacin fraccionada

Cuando se disuelven 2 o ms solutos en un disolvente, con frecuencia es posible 1) separarlos en los componentes puros o 2) separar uno y dejar otro en la solucin. El hecho de que se pueda efectuar esto o no depende de la solubilidad las relaciones de fases del sistema en consideracin. Naturalmente, 2) solo suele tener xito cuando uno de los componentes tiene un cambio mucho ms rpido de solubilidad con la temperatura que el otro. Un ejemplo tpico de esta prctica en gran escala es separar KCl y NaCl de la solucin en agua

Cristalizacin de solutos mezclados

En general, es posible llevar a cabo la cristalizacin de soluciones de diversos solutos para obtener deposicin de cristales de uno de los solutos en lugar de cristales que son una mezcla de los 2. En consecuencia, es posible separar por cristalizacin uno de los componentes de una solucin de este tipo. No es posible predecir los productos que van a obtenerse de uno de estos sistemas con base en los diagramas de fase soluto-agua, debido a que la presencia del segundo soluto afecta de manera significativa el comportamiento de fases del primero. Por ejemplo, cuando los 2 solutos contienen un ion en comn, como Na2SO4 y Na2CO3, la solubilidad de cada soluto se reduce de manera significativa.

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MTODOS DE CRISTALIZACIN

La cristalizacin de un soluto partiendo de una solucin puede efectuarse por 3 mtodos diferentes:

Cristalizacin por expulsin del disolvente. Por este mtodo la eliminacin del solvente puro es lograda generalmente por una evaporacin cambiando de esta manera la composicin de la solucin hasta que llegue a ser sobresaturada y la cristalizacin tome lugar utilizndose generalmente para concentrar soluciones diluidas.

Cristalizacin por enfriamiento de soluciones saturadas. Este mtodo involucra un cambio de temperatura para producir condiciones de baja solubilidad y consecuentemente saturacin y cristalizacin. Es el mtodo predominante y el uso ms extenso. Las soluciones sobresaturadas empleadas en la cristalizacin pueden proceder de la disolucin de materias brutas o de evaporacin de soluciones diluidas

Mtodos especiales. La cristalizacin puede efectuarse haciendo un cambio en la naturaleza del sistema, por ejemplo, las sales inorgnicas pueden inducirse a cristalizacin a partir de soluciones acuosas por la adicin de alcohol. Otros procesos industriales involucran la cristalizacin por la adicin de un material ms soluble el cual posee un ion en comn con el soluto original. De acuerdo al tipo de mtodo tambin se tendr un tipo de cristalizacin como vimos anteriormente

Tambin existen otras tcnicas de cristalizacin en la cuales se hace uso combinado de las mencionadas anteriormente o por variaciones de temperatura, presin y difusiones. Ejemplo de ellas son las siguientes: 1) Evaporacin lenta del disolvente Es el mtodo ms sencillo, el cual se adecua a compuestos de elevada solubilidad, aunque se necesita una cantidad de muestra suficiente. Consiste en prepara la disolucin saturada, se filtra, se lleva a vial adecuado y se tapa permitiendo la salida lenta del disolvente.

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2) Enfriamiento lento de disoluciones saturadas Es un procedimiento muy sencillo, que proporciona buenos resultados, se usan sustancias que son mas solubles con altas temperaturas y es til cuando el compuesto es soluble en la mayora de los disolventes (no se puede aplicar difusin de lquidos) 3) Evaporacin lenta de mezcla de disolventes Funciona para sustancias que son muy solubles en un disolvente e insolubles en un segundo disolvente, es este mtodo tambin se puede emplear la difusin de lquidos o difusin de vapor. Se deben utilizar disolventes miscibles donde uno se mas voltil (disolvente bueno) que el otro (disolvente malo); ejemplos de ellos son cloroformo, diclorometano, ter di etlico y pentano (buenos) y metanol, etanol, tolueno, heptano y acetonitrilo (malos) 4) Difusin de lquidos Es el mtodo con mayor xito, se usa para sustancias que son muy solubles en un disolvente e insolubles en otro como es el caso anterior, en este mtodo se usan pequeas cantidades de producto (miligramos). Generalmente se usan mezclas de disolventes como aromticos- alcanos, aromticos- alcoholes etc. 5) Difusin de vapor Utiliza el mismo principio que el de difusin de lquidos pero el precipitante se difunde en fase vapor, se adeca a cantidades pequeas de producto y se pueden poner varias cristalizaciones dentro del mismo recipiente. 6) Difusin de disoluciones de reactivos. Se utiliza cuando la reaccin entre 2 disoluciones da lugar a la precipitacin del producto, se adeca para productos insolubles que una vez formados no vuelven a la disolucin. Se puede emplear un tercer disolvente como capa intermedia para regular la concentracin de los reactivos 7) Geles Se realiza en medios viscosos donde favorece la cristalizacin lenta, en donde las fases se mezclan principalmente por difusin, en este mtodo se minimizan los efectos de conveccin y sedimentacin adems de que se buscan condiciones que se aproximen a la ausencia de gravedad

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8) Siembra de cristales Se usan cristales muy pequeos y la siembra se puede realizar por el mtodo de evaporacin lenta de disolvente o enfriamiento lento de disoluciones saturadas 9) Sublimacin Se obtienen cristales de muy buena calidad, aunque es un mtodo poco empleado. Se usa para compuestos estables trmicamente y que tengan presin de vapor suficiente. Se puede emplear pequeas cantidades de producto como por ejemplo cafena, acido saliclico y ferroceno. 10) Gradientes trmicos (conveccin) En este mtodo se crea aun gradiente trmico en el vial donde crecern los cristales, la disolucin se satura en la regin caliente y el soluto emigra a la zona fra en donde tiene lugar la nucleacin y el crecimiento del cristal. La velocidad de conveccin es proporcional a la magnitud del gradiente trmico, pero las velocidades elevadas inhiben la cristalizacin. Segn el agente precipitante utilizado se emplean preferentemente diferentes mtodos de cristalizacin:

1. Variacin de la temperatura

2. Concentracin por evaporacin

3. Mtodos de difusin del vapor

4. Mtodos de bao

5. Mtodos de difusin en interfase libre

6. Congelacin-descongelacin

7. Gota colgante

En esta investigacin solo se mencionar el mtodo de la gota colgante ya que es el mtodo ms usado en el laboratorio.

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Mtodo de la gota colgante (tambin llevado a cabo por protenas)

Consiste en colocar en el centro de un cubreobjetos de vidrio micro litros (1-2) de una protena y aadir otro micro litros (1-2) de la solucin precipitante contenida en un recipiente, al cual se le ha equilibrado su ph. El cubreobjetos que contiene que contiene a la gota de mezcla se le da la vuelta y con l se tapa el recipiente mencionado. Este sistema cerrado evolucionar por equilibrio de vapor y como la mezcla de protena y precipitante en la gota esta menos concentrada que la solucin del precipitante en el recipiente, el agua de esta se evaporar, unindose a la solucin del recipiente, como resultado de este proceso, la concentracin de la protena y del precipitante aumentarn lentamente la gota y en las condiciones adecuadas se formarn los cristales.

Ejemplo de cmo se elabora el sistema de gota colgante

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MECANISMOS DE LA CRISTALIZACIN

Cualquier operacin de cristalizacin debe reunir los siguientes tres pasos bsicos:

I. Sobresaturacin de la solucin II. Formacin de ncleos cristalinos III. Crecimiento del cristal

A continuacin se muestra en qu consiste la sobresaturacin de la solucin, dejando de lado la formacin y el crecimiento ya que estos temas se explican en las teoras de la cristalizacin

I. Sobresaturacin de la solucin

Consiste en prepara una solucin que contenga ms solido disuelto que el que representado por la condicin de saturacin.

Seleccin del modo de operacin

El modo de operacin en una cristalizacin es la tcnica empleada para generar la sobresaturacin de la solucin.

Los principales modos para generar la sobresaturacin son:

A. Sobresaturacin por enfriamiento

Se utiliza cuando la solubilidad del soluto varia sensiblemente con la temperatura, el enfriamiento de la solucin a tratar permite la formacin de cristales con alto rendimiento y bajo consumo energtico. En este tipo de operacin la evaporacin de solvente es mnima.

B. Sobresaturacin por enfriamiento evaporativo

Tambin se utiliza cuando la solubilidad del soluto es muy sensible a la temperatura. En este modo el enfriamiento se produce con auxilio de un sistema de vaco. La alimentacin entra a una temperatura mayor que la mantenida en el cristalizador enfrindose adiabticamente dentro de este.

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C. Sobresaturacin por evaporacin trmica

Se emplea solo cuando la solubilidad del soluto es insensible a la temperatura. En este modo se transfiere calor al sistema para evaporar el solvente y generar la formacin de cristales por salting out.

D. Sobresaturacin por evaporacin trmica al vaco

Se emplea para la cristalizacin de solutos cuya solubilidad tiene una dependencia intermedia respecto a la temperatura. En este modo la alimentacin tiene una temperatura mayor que la mantenida en el cristalizador y al entrar se enfra adiabticamente. Paralelamente se transfiere calor al sistema para evaporar el solvente con auxilio de un sistema de vaco.

En el siguiente diagrama se muestra la solubilidad- sobresolubilidad para cualquier sistema. Los trminos lbil y metaestable se refieren a soluciones sobresaturadas en las cuales la cristalizacin espontanea de la fase solida en ausencia de ncleos cristalinos, puede o no puede ocurrir respectivamente. El diagrama se puede dividir en 3 zonas:

1) La zona estable o saturada donde la cristalizacin no es posible 2) La zona metaestable sobresaturada entre las curvas de solubilidad y

sobresolubilidad donde no es posible la cristalizacin espontanea a menos de que agreguen ncleos cristalinos o sea efectuar una siembra de la solucin

3) La zona sobresaturada inestable o lbil donde la cristalizacin espontanea es probable pero no inevitable

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Efecto de la sobresaturacin en la cristalizacin

La sobresaturacin de la solucin es una variable que puede afectar el tamao, forma y pureza del cristal as como el rendimiento. La alta sobresaturacin conducir a una alta velocidad de produccin de cristales y estos sern de un tamao pequeo y no uniforme a la vez que retendrn cantidades considerables de licores madres al separarse de la solucin lo que origina que los cristales obtenidos no sean muy puros y adoptan formas detrticas o arborescentes, esta forma permite el crecimiento cristalino rpido ya que los extremos de las dendritas estn cerca de lugares relativamente ms saturados que el resto de la solucin.

Ejemplo de la formacin de dendritas

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TEORAS DE NUCLEACIN Y CRECIMIENTO

Se considera que el proceso total de cristalizacin en una solucin sobresaturada consta de las etapas bsicas de formacin de ncleos (nucleacin) y crecimiento de los cristales como ya se haba mencionado en el tema anterior. Cuando la solucin est libre de todo tipo de slidos, ya sean extraos o del propio material que cristaliza, entonces se requiere formacin de ncleos antes de que los cristales puedan crecer. Durante su crecimiento se pueden formar otros nuevos. La fuerza impulsora para la nucleacin y el crecimiento es la sobresaturacin. Estos dos procesos solo se verifican en disoluciones sobresaturadas.

Formacin de cristales

La preparacin de la materia cristalina partiendo de una solucin comprende 2 etapas: primero tienen que formarse los cristales y despus crecer alrededor del ncleo, por consiguiente la teora se puede dividir en 2 partes:

a) Nucleacin o formacin de ncleos cristalinos b) Crecimiento resultante de los mismos

NUCLEACIN

Formacin espontanea o inducida de los primeros cristales de soluto o la generacin espontanea o inducida dentro de una fase metaestable de una fase ms estable en la cual un cristal es capaz de crecer. La nucleacin de la fase slida en la fase lquida, donde se genera una superficie slido-lquida que tiene una energa de superficie (energa por unidad de superficie).

Orgenes de los cristales en cristalizadores: Si todas las fuentes de partculas estn incluidas en el trmino nucleacin, pueden ocurrir diferentes tipos de nucleacin. Muchos de ellos solamente son importantes con el fin de evitarlos.

Pueden clasificarse en tres grupos: nucleacin purea, nucleacin primaria y nucleacin secundaria.

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Uno de los orgenes de los cristales es la friccin macroscpica, que es ms afn a la trituracin que a la nucleacin real. Los cristalizadores con magma circulante estn provistos de agitadores interiores o bombas externas rotatorias de circulacin. En el impacto con estas partes mviles, los cristales blandos o dbiles pueden romperse en fragmentos, formar esquinas y bordes redondeados y dar lugar as a nuevos cristales grandes o pequeos. Estos efectos tambin degradan la calidad del producto. La trituracin es la nica fuente de nuevos cristales que es independiente de la sobresaturacin.

NUCLEACION PRIMARIA

La nucleacin primaria es aquella en la que el origen de la nueva fase slida no est condicionado ni influido por la presencia de la fase slida que se origina. Se trata, por ejemplo, de la nucleacin de una fase slida en una disolucin absolutamente limpia, esto es, en una disolucin libre de cualquier clase de partcula de la fase slida, o bien en una disolucin que contenga nicamente partculas extraas a la fase slida que se forma. De acuerdo con esto, dependiendo de si las partculas extraas a la fase slida influyen en la nucleacin o no, distinguimos dos mecanismos de la nucleacin primaria: nucleacin heterognea y homognea, respectivamente.

HOMOGENEA: Cuanto mayor es el cristal, menor es su solubilidad. La solubilidad de los cristales pequeos del orden de micrmetros es mayor que la de los cristales grandes. Los datos comunes de solubilidad se refieren a cristales grandes. Por consiguiente, un cristal pequeo puede estar en equilibrio en una solucin sobresaturada. Si tambin est presente un cristal grande, ste crecer y el pequeo se disolver. El efecto del tamao de las partculas es un factor importante en la nucleacin.

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HETEROGENEA: El efecto cataltico de partculas slidas sobre la

velocidad de nucleacin consiste en la reduccin de la energa que se requiere para la nucleacin. Una teora de este efecto considera que si el ncleo moja a la superficie del catalizador, el trabajo de formacin de un ncleo se reduce por un factor que es funcin del ngulo de mojado formado entre el ncleo y el catalizador. La superficie del nucleante heterogneo (catalizador) facilita la formacin de la nueva fase; por tanto acta como catalizador de la nucleacin y facilita la gnesis de los grmenes de la fase en nucleacin.

NUCLEACIN SECUNDARIA

La nucleacin secundaria designa aquel proceso de formacin de cristales de la nueva fase que est condicionado por la presencia de partculas de la misma fase en el sistema sobresaturado y por cuya causa ocurre. Se trata de un mecanismo muy extendido, sobre todo en la cristalizacin de sales muy solubles a partir de disoluciones sobresaturadas. Tambin puede producirse, en condiciones especiales, en la cristalizacin de sustancias poco solubles, como por ejemplo el BaSO4. A pesar de que la nucleacin secundaria juega un papel importante en la cristalizacin a nivel industrial, y que adems representa uno de los principales mecanismos de formacin de nuevos cristales, los conocimientos hasta ahora adquiridos acerca de este proceso tienen carcter emprico e incompleto.

Los posibles mecanismos de nucleacin secundaria se indican en la siguiente figura:

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FALSA: Uno de los mecanismos de nucleacin secundaria falsa, el llamado dust breeding se manifiesta generalmente durante la siembra de cristales (seeds) en una disolucin sobresaturada. El nmero de cristales formados es, por regla general, mayor que el nmero de cristales inducidos. La razn de este fenmeno es la presencia, en la superficie de los cristales introducidos, de partculas microscpicas de la fase slida que se originaron durante el secado en la superficie del seed, la preparacin de seeds, etc. Las partculas diminutas son arrastradas hacia la disolucin sobresaturada desde la superficie de los cristales mayores y al ser mayores que el germen crtico correspondiente a la sobresaturacin existente, comienza a crecer y pueden alcanzar una dimensin observable.

VERDADERO: Se sabe que este tipo ocurre en ciertas condiciones y en otras se sospecha. Cuando una disolucin sobresaturada se mueve sobre la superficie de un cristal en crecimiento con una velocidad importante, el esfuerzo cortante en la capa lmite puede barrer hacia fuera los embriones o ncleos que, de no ser as, se incorporaran al cristal en crecimiento para aparecer como nuevos cristales. Si la disolucin est sometida a esfuerzo cortante en la cara del cristal para una sobresaturacin dada y despus se enfra rpidamente hasta una mayor sobresaturacin, permaneciendo as mientras los ncleos crecen hasta un tamao macroscpico.

DE CONTACTO: Desde hace tiempo se sabe que la nucleacin secundaria est influenciada por la intensidad de agitacin, pero slo recientemente se ha aislado y estudiado experimentalmente el fenmeno de nucleacin de contacto. Es el tipo ms frecuente de nucleacin en los cristales industriales, ya que ocurre a bajas sobresaturaciones y la velocidad de crecimiento de los cristales es ptima para una buena calidad.

NUCLEACION EPREA:

El crecimiento relacionado con la nucleacin eprea ocurre para grandes sobresaturaciones o cuando la circulacin del magma es deficiente. Se caracteriza por crecimientos anormales en forma de agujas o escobillas desde los extremos de los cristales que, en estas condiciones, pueden

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crecer mucho ms rpidamente que las caras. Las espigas son cristales imperfectos que estn unidas al cristal principal por fuerzas dbiles y que se separan para dar cristales de mala calidad. Este fenmeno recibe el nombre de crianza acicular.

Otra imperfeccin del crecimiento, no relacionada con la nucleacin, es el llamado crecimiento veludo, que ocurre para moderadas sobresaturaciones. Es el resultado de la oclusin de aguas madres en el interior de las caras cristalinas dando lugar a una superficie lechosa y a un producto impuro. La causa del crecimiento velado es un crecimiento demasiado rpido del cristal, que atrapa en sus caras aguas madres.

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TIPOS DE GEOMETRIAS CRISTALINAS

Un cristal se puede definir como un slido formado por tomos, iones o molculas, que guardan una distribucin ordenada y repetitiva. Es una de las formas de la materia ms altamente organizadas. Los tomos, iones o molculas estn situados en redes tridimensionales o cristalinas. Las distancias interatmicas en un cristal entre estos planos imaginarios o redes cristalinas, as como los ngulos entre estos planos, se miden por medio de difraccin de rayos X. El modelo o distribucin de la red cristalina se repite en todas direcciones.

Cuando un cristal crece sin interferencia de otros cristales o slidos, puede mantener la forma constante de un poliedro. Esto se conoce como cristal invariante.

Los cristales se muestran como poliedros de caras planas y vrtices agudos. Los tamaos relativos de las caras y de los bordes de diferentes cristales de un mismo material pueden diferir bastante. Sin embargo, los ngulos entre las caras equivalentes de todos los cristales de un mismo material, son siempre iguales y caractersticos del mismo. De esta forma, los cristales se clasifican con base en los ngulos interfaciales.

Existen siete clases de cristales, dependiendo de la distribucin de los ejes a los que se refieren los ngulos:

1. Sistema cbico. Tres ejes iguales que forman ngulos rectos entre s.

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2. Sistema tetragonal. Tres ejes que forman ngulos rectos entre s, con uno de los ejes ms largo que los otros dos.

3. Sistema ortorrmbico. Tres ejes a ngulos rectos entre s, todos de tamao diferente.

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4. Sistema hexagonal. Tres ejes iguales en un plano formando ngulos de 60 entre s y un cuarto eje formando un ngulo recto con este plano y no necesariamente de la misma longitud.

5. Sistema monoclnico. Tres ejes desiguales, dos a ngulos rectos en un plano y el tercero formando cierto ngulo con dicho plano.

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6. Sistema triclnico. Tres ejes desiguales que forman ngulos desiguales entre s que no son de 30,60 ni de 90.

7. Sistema Rombodrico. Presentan tres ejes de similar ngulo entre si, pero ninguno es recto, y segmentos iguales, como son los cristales de arsnico, bismuto y carbonato de calcio y mrmol.

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CARACTERSTICAS DE UN BUEN CRISTAL:

Todas las celdas unidad idnticas y orientadas en la misma direccin

Alto grado de orden interno (buen patrn de difraccin de rayos X)

Cristal sencillo, no aglomerados

Caras bien definidas y transparentes y bordes regulares. Forma de prisma

Sin grietas, defectos o maclas aparentes

Los cristales largos se rompen muy fcilmente durante la centrifugacin y secado

Los cristales en forma de disco son difciles de lavar durante su centrifugacin y difciles de secar

Los cristales esfricos son ms fciles de manejar

EJEMPLOS DE BUENOS CRISTALES

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EJEMPLOS DE MALOS CRISTALES

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TIPOS DE CRISTALIZADORES

Los cristalizadores se clasifican en cuanto a su operacin en continuos y por lotes. La operacin por lotes se utiliza en aplicaciones especiales; mientras que la operacin continua de los cristalizadores es el sistema ms usual.

El primer requerimiento de un cristalizador es generar una disolucin sobresaturada, ya que la cristalizacin no puede ocurrir sin sobresaturacin.

Los equipos de cristalizacin pueden clasificarse con base en el mtodo empleado para producir la sobresaturacin como sigue:

1) Sobresaturacin producida por enfriamiento de la solucin con evaporacin despreciable (cristalizadores de tanque y por lotes)

2) sobresaturacin producida por evaporacin del disolvente con poco enfriamiento o sin enfriamiento-evaporadores-cristalizadores o evaporadores cristalizantes

3) sobresaturacin por combinacin de enfriamiento y evaporacin en evaporadores adiabticos (cristalizadores al vaco).

Cristalizadores que producen sobresaturacin por enfriamiento

En estos las sustancias deben tener una curva de solubilidad que disminuya de manera apreciable con la temperatura. Muchas sustancias se comportan de esta manera, por lo que este mtodo es bastante comn. Cuando la curva de solubilidad cambia poco con la temperatura, como en el caso de la sal comn, casi siempre se evapora disolvente para producir la sobresaturacin. Algunas veces tambin se aplica una evaporacin con cierto grado de enfriamiento. En el mtodo de enfriamiento adiabtico al vaco, una solucin caliente se somete al vaco para que el disolvente se evapore de manera repentina y la solucin se enfre adiabticamente.

Una diferencia importante en muchos cristalizadores comerciales es la manera en que el lquido sobresaturado est en contacto con los cristales en crecimiento. En el mtodo de circulacin de magma, la totalidad del magma de cristales y el lquido sobresaturado circulan a travs de las

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etapas de sobresaturacin y cristalizacin sin separar el slido y el lquido en dos corrientes. La cristalizacin y la sobresaturacin se verifican simultneamente en presencia de los cristales. En el segundo sistema, llamado mtodo de circulacin de lquido, una corriente separada de lquido sobresaturado se hace pasar a travs de un lecho fluidizado donde crecen los cristales y se forman otros nuevos por nucleacin. Despus, el lquido saturado se hace pasar a travs de una zona de evaporacin o enfriamiento para volver a producir una sobresaturacin y se recircula.

Cristalizadores de tanque

La cristalizacin en tanques (un mtodo antiguo que todava se usa en casos especiales) consiste en enfriar soluciones saturadas en tanques abiertos. Despus de cierto tiempo, se drena el licor madre y se extraen los cristales. En este mtodo es difcil controlar la nucleacin y el tamao de los cristales. Adems, los cristales contienen cantidades considerables del licor madre y, por otra parte, los costos de mano de obra son elevados. En algunos casos, el tanque se enfra por medio de serpentines o chaquetas y se usa un agitador para lograr una mejor velocidad de transferencia de calor; sin embargo, puede haber acumulacin de cristales en las superficies de estos dispositivos. Este tipo de equipo tiene aplicaciones limitadas y algunas veces se usa para la manufactura de productos qumicos y derivados farmacuticos.

Cristalizadores con raspadores de superficie

Un tipo de cristalizador con raspadores de superficie es el de Swenson-Walker, que consiste en una artesa abierta con fondo semicircular y chaqueta de enfriamiento en el exterior. La rotacin a baja velocidad de un agitador en espiral mantiene los cristales en suspensin. Las aspas pasan cerca de las paredes y rompen los depsitos que se forman en la superficie de enfriamiento. Por lo general, el producto tiene una distribucin de tamaos de cristal bastante amplia.

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En el cristalizador de tubo doble con raspadores, el agua de enfriamiento pasa por el espacio anular. Un agitador moderno adaptado con raspadores de resorte que limpian la pared y proporcionan un buen coeficiente de transferencia de calor. Este modelo se usa para la plastificacin de margarina. En la siguiente figura se muestra un diagrama de este equipo.

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Evaporador-cristalizador con circulacin de lquido.

En la combinacin de evaporador cristalizador, la sobresaturacin se produce por evaporacin. El lquido circulante se extrae por la bomba hacia el interior del tubo del calentador por condensacin de vapor de agua. El lquido caliente fluye despus hacia el espacio del vapor donde se produce una vaporizacin repentina que causa sobresaturacin. El vapor de salida se condensa, el lquido sobresaturado fluye hacia el tubo de bajada y despus asciende a travs del lecho de cristales fluidizados y agitados, que de esta manera crecen. El lquido saturado de salida vuelve al calentador como corriente de recirculacin, donde se une a la alimentacin de entrada. Los cristales grandes se sedimentan y el producto se extrae como suspensin de cristales y licor madre. Este modelo se llama tambin cristalizador de Oslo.

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Cristalizador al vaco con tubo de aspiracin con bafle

Principio de operacin

En el cristalizador al vacio con tubo de aspiracin se hace circular el lodo de cristales a travs de un tubo de aspiracin mediante un agitador. Este cristalizador tiene una instalacin de retirada/destruccin de finos que permite eliminar el lquido madre con pequeos cristales (finos) de la zona del bafle. La energa necesaria para la evaporacin llega al sistema mediante el calentamiento de este lquido madre en circulacin. El calentamiento tambin vuelve a disolver los finos, por lo que el tamao y la distribucin de dimensiones de cristal del producto pueden verse afectado.

Ventajas

Bajos costes operativos

Largos ciclos operativos

El tamao del cristal puede controlarse

La gama de tamaos de cristal puede seleccionarse

Filtracin y centrifugacin superiores

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Aplicaciones

Se utiliza para producir una densidad del lodo muy alta en el volumen activo del cristalizador

Una gama selectiva de pequeos cristales puede retirarse y disolverse

Operacin continua

Ejemplos tpicos de lquidos aptos para cristalizadores al vaco con tubo de aspiracin con bafle

Clorato de sodio

Sulfatos de amonio

Sulfatos de cobre

Cristalizador al vaco con circulacin de magma

En el cristalizador al vaco con circulacin de magma, el magma o suspensin de cristales circula por fuera del cuerpo principal del aparato por medio de un tubo de circulacin o bomba en espiral. El magma fluye a travs de un calentador, donde su temperatura se eleva de 2 a 6 K. Entonces, el licor calentado se mezcla con la suspensin del cuerpo principal y se produce una ebullicin en la superficie del lquido, misma que causa sobresaturacin en el lquido arremolinado cerca de la superficie, provocando depsitos en los cristales suspendidos de esta zona, que salen por la tubera de circulacin, mientras los vapores salen por la parte superior. El vaco se produce con un eyector de chorro de vapor.

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Cristalizador de evaporacin de circulacin forzada.

Elementos principales

Calentador, intercambiador de calor de tubo vertical

Cabezal de vapor (separacin de vapor)

Recipiente cilndrico vertical

Desempaador, si procede

Bomba de circulacin y tuberas

Principio de operacin

En un cristalizacin de evaporacin de circulacin forzada, se hace circular la solucin a evaporar/cristalizar mediante la bomba de circulacin a travs de los tubos del intercambiador de calor a alta velocidad de abajo arriba. La alta densidad del lodo en la superficie de ebullicin y el volumen de retencin suficiente en el cuerpo garantizan una nucleacin mnima y el crecimiento del tamao del cristal deseado.

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Ventajas

Alternativa econmica cuando el tamao del producto es menos importante

Aplicaciones

Cuando el ndice de evaporacin es dominante

Se utiliza en soluciones de sales en las que la solubilidad depende menos de la temperatura

Ejemplos tpicos de lquidos aptos para cristalizadores de circulacin forzada

Sulfatos de sodio

Cloruro de sodio

Sulfatos de nquel

Cloruro de potasio

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Cristalizador evaporador de desviador y tubo de extraccin (DTB)

Puesto que la circulacin mecnica influye considerablemente en el nivel de nucleacin dentro del cristalizador, se han desarrollado muchos diseos que utilizan circuladores situados dentro del cuerpo del cristalizador, reduciendo en esta forma la carga de bombeo que se ejerce sobre el circulador. Esta tcnica reduce el consumo de potencia y la velocidad de punta del circulador y, por ende, la rapidez de nucleacin. La suspensin de los cristales de productos se mantiene mediante una hlice grande y de movimiento lento, rodeada por un tubo de extraccin dentro del cuerpo. La hlice dirige la lechada hacia la superficie del lquido, para evitar que lo slidos pongan en cortocircuito la zona de sobresaturacin ms intensa. La lechada enfriada regresa al fondo del recipiente y vuelve a recircular a travs de la hlice.

En esta ltima, la solucin calentada se mezcla con la lechada de recirculacin. Este diseo consta de una caracterstica de destruccin de partculas finas que comprende la zona de asentamiento que rodea al cuerpo del cristalizador, la bomba de circulacin y el elemento calentador. Este ltimo proporciona suficiente calor para satisfacer los requisitos de evaporacin y elevan la temperatura de la solucin retirada del asentador, con el fin de destruir todas las partculas cristalinas pequeas que se retiran. Los cristales gruesos se separan de las partculas finas en la zona de asentamiento por sedimentacin gravitacional.

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Cristalizador de refrigeracin de contacto directo

Para algunas aplicaciones, como la obtencin de hielo a partir de agua de mar, es necesario a llegar a temperaturas tan bajas que hagan que el enfriamiento mediante el empleo de refrigerantes sea la nica solucin econmica. En estos sistemas, a veces no resulta prctico emplear equipos de enfriamiento superficial, porque la diferencia admisible de temperaturas

es tan baja (menos de 3C), que la superficie de intercambio de calor se hace excesiva o porque la viscosidad es tan elevada que le energa mecnica aplicada por el sistema de circulacin mayor que el que se puede obtener con diferencias razonables de temperatura. En estos sistemas, es conveniente mezclar el refrigerante con la lechada que se enfra en el cristalizador, de modo que el calor de vaporizacin del refrigerante del refrigerante sea relativamente inmiscible con el licor madre y capaz de sufrir separacin, compresin, condensacin y un reciclaje

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subsiguiente en el sistema de cristalizacin. Las presiones operacionales y las temperaturas escogidas tienen una influencia importante sobre el consumo de potencia. Esta tcnica resulto muy adecuada para reducir los problemas que se asocian con la acumulacin de slidos sobre una superficie de enfriamiento. El empleo de la refrigeracin de contacto directo reduce tambin las necesidades generales de energa del proceso, puesto que es un proceso de refrigeracin que incluye dos fluidos se requiere una diferencia mayor de temperaturas, sobre una base general, cuando el refrigerante debe enfriar primeramente alguna solucin intermedia, como la salmuera de cloruro de calcio, y esa solucin, a su vez, enfra al licor madre en el cristalizador. Los equipos de este tipo han funcionado adecuadamente a temperaturas tan bajas como -59C (-75F).

Cristalizador de tubo de extraccin (DT).

Este cristalizador se puede emplear en sistemas en que no se desea ni se necesita la destruccin de las partculas finas. En esos casos se omite el desviador y se determina el tamao del circulador interno para que tenga una influencia mnima de nucleacin sobre la suspensin.

En los cristalizadores DT y DBT, la velocidad de circulacin que se alcanza suele ser mucho mayor que la que se obtiene en un cristalizador similar de circulacin forzada. Por tanto, el equipo se aplica cuando sea necesario

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hacer circular grandes cantidades de lechada, para minimizar los niveles de sobresaturacin dentro del equipo.

En general, mtodo se requiere para tener ciclos operacionales prolongados con materiales capaces de crecer en las paredes del cristalizador. Los diseos de tubo de extraccin y desviador se utilizan comnmente para la produccin de materiales granulares, de malla 8 a la 30, como el sulfato de amonio, cloruro de potasio y otros cristales inorgnicos y orgnicos.

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Cristalizador de enfriamiento superficial

Para algunos materiales, como el clorato de potasio, es posible utilizar un intercambiador de tubo y coraza de circulacin forzada, en combinacin directa con un cuerpo de cristalizador de tubo de extraccin.

Es preciso prestar una atencin cuidadosa a la diferencia de temperatura entre el medio enfriador y la lechada que circula por los tubos del intercambiador. Adems la trayectoria y la velocidad de flujo de la lechada dentro del cuerpo del cristalizador deben ser de tal ndole que el volumen contenido en el cuerpo sea activo. Esto quiere decir que puede haber cristales suspendidos dentro del cuerpo debido a la turbulencia y que son eficaces para aliviar la sobresaturacin creada por la reduccin de temperatura de la lechada, al pasar por el intercambiador. Evidentemente la bomba de circulacin es parte del sistema de cristalizacin y es preciso prestar atencin cuidadosa a este tipo y sus parmetros operacionales para evitar influencias indebidas de la nucleacin. Este tipo de equipo produce cristales en la gama de malla de 30 a 100. El diseo se basa en las velocidades admisibles de intercambio de calor y la retencin que se requiere para el crecimiento de los cristales de producto.

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DIAGRAMA DE UN CRISTALIZADOR

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APLICACIONES INDUSTRIALES Y SU IMPORTANCIA

En el ramo industrial la cristalizacin no solo es una operacin unitaria o se usa como proceso nico para la obtencin de un producto, sino que en grandes procesos esta operacin puede ser solo una parte de la operacin fundamental para la obtencin de algn producto final o parte de este. Tambin se puede decir que La cristalizacin es importante como proceso industrial por los diferentes materiales que son y pueden ser comercializados en forma de cristales. Su empleo tan difundido se debe probablemente a la gran pureza y la forma atractiva del producto qumico slido, que se puede obtener a partir de soluciones relativamente impuras en un solo paso de procesamiento. En trminos de los requerimientos de energa, la cristalizacin requiere mucho menos para la separacin que lo que requiere la destilacin y otros mtodos de purificacin utilizados comnmente. Adems se puede realizar a temperaturas relativamente bajas y a una escala que vara desde unos cuantos gramos hasta miles de toneladas diarias. La cristalizacin se puede realizar a partir de un vapor, una fusin o una solucin. La mayor parte de las aplicaciones industriales de la operacin incluyen la cristalizacin a partir de soluciones. Sin embargo, la solidificacin cristalina de los metales es bsicamente un proceso de cristalizacin y se ha desarrollado gran cantidad de teora en relacin con la cristalizacin de los metales.

Otras aplicaciones en la industria qumica que pueden mencionarse son la produccin de cristales puros y polvos de diferentes compuestos como lo es la produccin de azcar y NaOH, obtencin de cido acetilsaliclico (aspirina) y purificacin de cido tereftlico, separacin de ceras en la refinacin de aceites (winterizacin) y purificacin de productos en el refino del petrleo.

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Ventajas de la cristalizacin

Se puede obtener en una sola etapa un producto de una pureza de hasta 99%

Se puede controlar la cristalizacin de tal manera que se produzcan cristales uniformes que faciliten su manejo, empaque y almacenamiento

La cristalizacin mejora la apariencia del producto para comercializacin

Es una operacin que puede llevarse a cabo a temperaturas moderadas si el producto final lo requiere.

Desventajas de la cristalizacin

En general, ni se puede purificar ms de un componente ni recuperar todo el soluto en una nica etapa.

Es necesario equipo adicional para retirar el soluto restante de las aguas madres

La operacin implica el manejo de slidos, con los inconvenientes tecnolgicos que esto

conlleva.

En la prctica supone una secuencia de procesado de slidos, que incluye equipos de cristalizacin junto con otros de separacin solido-lquido y de secado.

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PROBLEMAS

EJEMPLO 1

Se va a usar un cristalizador Swenson-Walker para producir 1Tm/h de cristales de caparrosa verde (FeSO4*7H2O) por enfriamiento de una solucin saturada que entra en el cristalizador a 49 C .El lodo que sale del mismo estar a 26.7C .Los datos de seguridad se dan en la figura 11.9 (Pg. 553, de Introduccin a la Ingeniera Qumica de Badger-Banchero).El agua de enfriamiento entra en la camisa del cristalizador a 15.6 |C y sale a 21.1C. Se puede suponer que el coeficiente global de transmisin del calor para el cristalizador es de 171 kcal/hm2C. El cristalizador tiene una superficie de enfriamiento de un m2 por metro de longitud.

a) Determina la cantidad de agua necesaria en m3/min.

b) Determina el nmero de secciones de cristalizador que han de utilizarse.

SOLUCION: El rendimiento puede calcularse por la curva de solubilidad (Ve la figura en la curva 3) a 49C, la solucin saturada contiene 140 partes de caparrosa verde por 100 partes de exceso de agua , y la solucin saturada a 26.7 C contiene 74 partes de caparrosa verde por 100 partes de exceso de agua .El rendimiento ser por tanto de 66 partes de caparrosa verde por 100 partes de exceso de agua o 66 partes de caparrosa verde por 240 verde la solucin inicial .La cantidad total de solucion que habra que alimentar es:

(1.000)(240/66)=3.635 Kg/h

Las necesidades de enfriamiento pueden calcularse pueden calcularse ahora por el procedimiento esbozado, utilizando los siguientes valores:

*Calor especifico medio de la solucin inicial: 0.70 Kcal/kg-C

*Calor de disolucin del FeSO4*7H2O a 18C: -4.400 Cal/Peso molecular

Basados en las hiptesis mencionadas, el calor de cristalizacin del FeSO4*7H2O =-(-4.400)/278=15.83 Kcal/Kg. Se supondr que este valor puede utilizarse a 26.7C .El balance de energa es por tanto:

Q= (3.635) (0.70) (49-26.7)+ (1.000) (15.83)=56.740+15.870=72.610 Kcal/h

El agua de enfriamiento necesaria es:

72.610/(21.1-15.6)(60)=220 l/min=0.220 m3/min

La superficie de calentamiento necesaria es:

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Q=UAtm

t1=49-21.1=27.9 t2=26.7-15.6=11.1

tm=27.9-11.1/ln(27.9/11.1)=18.3C

A=72.610/71*18.3=23 m2

Cada metro de longitud presenta una superficie de enfriamiento de 1 m2, suponiendo que cada seccin tiene 3.5 m de longitud serian necesarias siete secciones.

EJEMPLO 2

Cul ser rendimiento en hiposulfito sdico (Na2S2O3*5 H2O)? Si 100 kg de una solucin al 48% Na2S2O3 se enfra hasta 20C?

SOLUCION:

La solucin inicial contiene 48 partes de Na2S2O3 en 52 partes de agua .De la figura 11.7 del libro de Introduccin a la Ingeniera Qumica de Badger-Banchero (Pagina 549), curva 3, la solubilidad a 20 C es de 70 partes de Na2S2O3 por 100 partes de agua. Estas cifras deben convertirse en partes de Na2S2O3*5 H2O por 100 partes de agua en exceso, utilizando el cociente del peso molecular de la sal anhidra de la hidratada. Este cociente es Na2S2O3 / Na2S2O3*5 H2O= 158/248. En el enfriamiento desde la temperatura inicial a la final, el exceso de agua no es afectado y es por tanto una base valida de comparacin .Las cifras de la ltima columna han de restarse entre si para obtener el rendimiento, que es 305-183=122 kg de hiposulfito. Esta cantidad se obtendr con cantidad suficiente de solucin al 48% para que contenga 100 kg de agua en exceso, es decir: 305+100=405 de solucin. El rendimiento es de 122 kg de cristales de solucin o de 30.2 kg de cristales por 100kg de solucin al 48%. Pueden calcularse ms puntos siguiendo el mismo mtodo y puede desarrollarse una curva completa de solubilidad en

funcin de kg de sal por 100 kg de agua en exceso.

SOLUCION INICIAL AGUA

(kg)

52

Na2S2O3

(kg)

48

Na2S2O3*5

H2O (kg)

75.3

AGUA DEL

HIDRATO (kg)

27.3

EXCESO DE

AGUA (kg)

24.7

Hidrato por 100 partes

de exceso de agua

(kg)

305

SOLUCION FINAL 100 70 109.9 39.9 60.1 183

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CONCLUSIONES

Con la investigacin realizada podemos concluir que es de suma importancia conocer los principios, mecanismos y mtodos bajo los cuales trabaja la cristalizacin, ya que es una operacin unitaria de suma importancia para la industria que es el ramo donde nosotros como ingenieros qumicos nos desenvolvemos.

Adems como cumplimiento de los objetivos establecidos, concluimos que la organizacin del equipo resulto efectiva y que los conocimientos adquiridos sobre cristalizacin fueron importantes.

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BIBLIOGRAFA

Libros

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Cristalizacin la gua qumica http://quimica.laguia2000.com/general/cristalizacion

Mtodos de cristalizacin http://www.xtal.iqfr.csic.es/Cristalografia/parte_07_1.html

Laboratorio de estudios cristalogrficos http://www.lec.csic.es/es/

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Cristalizacin qumica http://www.slideshare.net/martimarti/cristalizacion-quimica-presentation

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ARTCULOS*

1. MORFOLOGA Y CRISTALIZACIN DE COPOLMEROS DIBLOQUE A BASE DE POLILACTIDE Y POLIETILENO CON UNO O AMBOS BLOQUES CRISTALIZABLES

2. SNTESIS DEL SULFATO DE QUITINA Y EFECTO SOBRE LA CRISTALIZACIN DEL CaCO3 IN VITRO. http://cabierta.uchile.cl/revista/22/articulos/pdf/edu6.pdf

3. ESTUDIO DE LOS FENMENOS DE CRISTALIZACIN DE PARAFINAS EN EL COMPORTAMIENTO FLUIDODINMICO DE CRUDOS PARAFNICOS.

4. CRISTALIZACIN SENSIBLE, SECRETOS DETRS DE LO QUE COMEMOS

Textos: Chefs Javier y Sergio Torres, en colaboracin con Carlos Pl Descarrega

http://www.revistasexcelencias.com/excelencias-gourmet/gourmet-el-octavo-arte/al-detalle/cristalizacion-sensible-secretos-detras-de-lo-

5. ESTUDIO DE LA CRISTALIZACIN ISOTRMICA DE MEZCLAS MISCIBLES DE POLIHIDROXIBUTIRATO

6. CRISTALIZACIN DE PROTENAS POR TCNICAS DE CONTRA DIFUSIN EN GELES, PARA ESTUDIANTES DE FARMACIA

7. CRISTALIZAN LOS ALIMENTOS 8. FORMACIN DE MEGACRISTALES NATURALES DE YESO EN NAICA,

MXICO 9. LA CRISTALIZACIN EN LA INDUSTRIA FARMACUTICA 10. LA CRISTALIZACIN SENSIBLE DE SANGRE, MIGUEL NGEL FERNNDEZ

BRAVO

*Los artculos se encuentran en una carpeta separada de este trabajo

Antología de Cristalización equipo 1

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