Cristalizacion
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CRISTALIZACION
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CRISTALIZACION
Proceso físico por medio del cual es
posible separar un componente de una
mezcla, transformando y desarrollando un
sólido cristalino.
Los sólidos cristalinos o cristales se
pueden obtenerse a partir de un gas, un
líquido o una disolución.
CRISTALIZACION
La cristalización es una operación
necesaria para la producción de productos
químicos que se presentan principalmente
en forma de polvos o cristales.
También es una técnica, empleada
frecuentemente para la identificación,
purificación y separación de substancias
sólidas.
Dentro de la cadena de las operaciones
unitarias de los procesos de fabricación,
esta se ubica después de la evaporación y
antes de la operación de secado (de los
cristales) y envasado de un producto.
Para la obtención de los sólidos cristalinos,
se han desarrollado varias técnicas como :
Enfriar una disolución concentrada
(Solubilidad).
La mayoría de los sólidos es más soluble a
temperaturas altas que a temperaturas bajas.
Preparando una disolución concentrada a altas
temperaturas y enfriándola posteriormente se
puede conseguir que cristalice esencialmente el
compuesto principal enriqueciéndose las aguas
madre de las impurezas presentes en la mezcla
inicial al no alcanzar su límite de solubilidad
(Sobresaturación).
Cambio de solvente (Polaridad)
Preparando una disolución concentrada de una
sustancia en un buen disolvente y añadiendo un
disolvente peor que es miscible con el primero el
componente principal del sólido disuelto empieza
a precipitar, enriqueciendose relativamente las
aguas madres en las impurezas. Por ejemplo,
puede separarse ácido benzoico de una
disolución de éste en acetona por agregado de
agua
Sublimación
Los vapores formados condensan en zonas
más frías ofrecidas, pasando habitualmente
directamente del estado gaseoso al sólido,
(resublimación), dejando atrás las posibles
impurezas. De esta manera se pueden obtener
por ejemplo sólidos puros de cafeína, azufre
elemental, ácido salicílico, iodo, etc.
Evaporación del disolvente
Evaporando el disolvente se consigue
igualmente que empiecen a cristalizar los
sólidos disueltos cuando se alcanza el límite
de su solubilidad (Sobresaturación).
Enfriando un sólido fundido
Para limpiar un sólido cristalino este es
fundido. Del líquido obtenido se cristaliza en
primer lugar el sólido puro, enriqueciéndose
la fase líquida de impurezas
Toda sal o compuesto químico disuelto en
algún solvente en fase liquida puede ser
precipitado por cristalización bajo ciertas
condiciones de concentración y temperatura
que el químico debe establecer dependiendo
de las características y propiedades de la
solución, principalmente la solubilidad o
concentración de saturación, la viscosidad de
la solución, etc.
Para poder ser transferido a la fase sólida, es
decir, cristalizar un soluto cualquiera debe
eliminar su calor latente o entalpía de fusión
(energías de enlace), por lo que el estado
cristalino además de ser el mas puro, es el de
menor nivel energético de los tres estados
físicos de la materia, en el que las moléculas
permanecen inmóviles unas respecto a otras,
formando estructuras en el espacio, con la
misma geometría, sin importar la dimensión
del cristal.
Tipo de cristales
Un cristal puede ser definido como un sólido
compuesto de átomos arreglados en orden, en un
modelo de tipo repetitivo.
La distancia interatómica en un cristal de cualquier
material definido es constante y es una
característica del material. Debido a que el patrón
o arreglo de los átomos es repetido en todas
direcciones, existen restricciones definidas en el
tipo de simetría que el cristal posee.
La forma geométrica de los cristales es una de las
características de cada sal pura o compuesto
químico, por lo que la ciencia que estudia los
cristales en general, la cristalografía, los ha
clasificado en siete sistemas universales de
cristalización:
Sistema Cúbico
Sistema Tetragonal
Sistema Ortorrómbico
Sistema Monoclínico
Sistema Triclínico
Sistema Hexagonal
Sistema Romboédrico
Importancia de la cristalización en la
industria
Es importante como proceso industrial por los
diferentes materiales que pueden ser
comercializados en forma de cristales.
Su empleo tan difundido se debe a la gran pureza
y la forma atractiva del producto sólido, que se
puede obtener a partir de soluciones relativamente
impuras en un solo paso de procesamiento.
En términos de requerimientos de energía, la
cristalización requiere mucho menos para la
separación que lo que requiere la destilación y otros
métodos de purificación utilizados comúnmente.
Además se puede realizar a temperaturas
relativamente bajas y a una escala que varía desde unos
cuantos gramos hasta miles de toneladas diarias.
La cristalización se puede realizar a partir de un vapor,
una fusión o una solución.
La mayor parte de las aplicaciones industriales de la
operación incluyen la cristalización a partir de soluciones.
Sin embargo, la solidificación cristalina de los metales es
básicamente un proceso de cristalización y se ha
desarrollado gran cantidad de teoría en relación con la
cristalización de los metales.
La cristalización consiste en la formación de partículas
sólidas en el seno de una fase homogénea.
• Los cristales son la forma más pura de la materia
• Cuando cristaliza solamente un solo compuesto
químico, los cristales son 100% puros.
• Además de su forma geométrica, los cristales son
caracterizados por su densidad, su índice de
refracción, color y dureza
Teoría de la cristalización
La cristalización se puede analizar desde
los puntos de vista de pureza,
rendimiento, consumo de energía, o
velocidades de formación y crecimiento.
Sobresaturación
La cristalización a partir de una solución es un ejemplo
de la creación de una nueva fase dentro de una
mezcla homogénea. El proceso tiene lugar en dos
etapas.
La primera de ellas consiste en la formación del
cristal y recibe el nombre de nucleación.
La segunda corresponde al crecimiento del cristal.
El potencial impulsor de ambas etapas es la
sobresaturación, de forma que ni la nucleación un el
crecimiento tendrán lugar en un solución saturada o
insaturada.
Para generar la sobresaturación se pueden utilizar
tres métodos distintos:
La solubilidad del soluto aumenta con la
temperatura, una solución saturada se transforma en
sobresaturada, simplemente disminuyendo la
temperatura por enfriamiento.
Si la solubilidad es relativamente independiente de
la temperatura la sobresaturación se puede dar
evaporando una parte del disolvente.
Si tanto el enfriamiento como la evaporación no
resultan adecuados, como en el caso de solubilidad
elevada, la sobresaturación se puede generara
añadiendo un tercer componente.
El tercer componente puede actuar físicamente dando
lugar a una mezcla con el disolvente original en la que
la solubilidad del soluto disminuye bruscamente.
También, si se desea una precipitación prácticamente
completa, se puede crear químicamente un nuevo
soluto añadiendo un tercer componente que reaccione
con el soluto original para formar una sustancia
insoluble.
Este proceso recibe el nombre de precipitación, los
métodos utilizados en análisis cuantitativo constituyen
ejemplos típicos de precipitación. Mediante la adición
de un tercer componente es posible crear rápidamente
sobresaturaciones muy grandes.
Equilibrio y rendimientos
En muchos procesos industriales de cristalización los
cristales y las aguas madres permanecen en
contacto durante el tiempo suficiente para alcanzar el
equilibrio, de forma que las aguas madres están
saturadas a la temperatura final del proceso.
El rendimiento de la cristalización se puede calcular a
partir de la concentración de la solución original y la
solubilidad a la temperatura final.
Si se produce una evaporación apreciable durante el
proceso es preciso tenerla en cuenta.
Cuando la velocidad de crecimiento de los cristales es
pequeña, se necesita un tiempo relativamente grande
para alcanzar el equilibrio, sobre todo cuando la
solución es viscosa o cuando los cristales se depositan
en el fondo del cristalizador, de forma que la superficie
de cristales expuesta a la solución sobresaturada es
pequeña.
En estos casos, las aguas madres finales pueden
contener una considerable sobresaturación y el
rendimiento real será menor que el calculado a partir de
la curva de solubilidad
Solubilidad de equilibrio en la
cristalización
El equilibrio en la cristalización de cualquier sistema
puede ser definido en términos de su curva de
solubilidad o saturación y sobresaturación.
La curva de sobresaturación difiere de la de
solubilidad en que su posición no es solamente una
propiedad de el sistema sino también depende de
otros factores como el rango de enfriamiento, el grado
de agitación y la presencia de partículas extrañas
Las curvas de saturación y sobresaturación dividen el
campo de concentración-temperatura en tres zonas:
La región insaturada, a la derecha de la curva
de saturación
La región metaestable, entre las dos curvas.
La región sobresaturada o lábil, a la izquierda de
la curva de sobresaturación.
Cristalizadores
Los cristalizadores son equipos que pueden operar de
forma continua o por cargas, para llevar a cabo el
proceso de cristalización.
La primera condición que debe de cumplir un
cristalizador es crear una solución sobresaturada, ya
que la cristalización no se puede producir sin
sobresaturación.
Una forma de clasificar los aparatos de cristalización
se basa en el método utilizado para crear la
sobresaturación:
1. Sobresaturación producida por enfriamiento sin
evaporación apreciable, por ejemplo,
cristalizadores de tanque.
2. Sobresaturación producida por evaporación,
con enfriamiento apreciable, por ejemplo,
evaporadores de cristalización, cristalizadores-
evaporadores.
3. Evaporación combinada con enfriamiento
adiabático: cristalizadores al vacío.
Cristalizadores de suspensión mezclada y de
retiro de productos combinados
Este tipo de equipo, llamado a veces cristalizador de
magma circulante, es el más importante de los que se
utilizan en la actualidad. En la mayor parte de los equipos
comerciales de este tipo, la uniformidad de la suspensión
de los sólidos del producto en el cuerpo del cristalizador
es suficiente para que se pueda aplicar la teoría. Aun
cuando se incluyen ciertas características y variedades
diferentes en esta clasificación, el equipo que funciona a
la capacidad mas elevada es del tipo en que se produce
por lo común la vaporización de un disolvente, casi
siempre agua.
Cristalizador de enfriamiento superficial
Para algunos materiales, como el clorato de potasio, es
posible utilizar un intercambiador de tubo y coraza de
circulación forzada, en combinación directa con un
cuerpo de cristalizador de tubo de extracción.
Cristalizador de evaporación de circulación
forzada
Cristalizador evaporador de desviador y tubo de
extracción (DTB).
Cristalizador de tubo de extracción (DT).
