Cristalización La operación de cristalización es aquella por media de la cual se separa un componente de una solución liquida transfiriéndolo a la fase sólida en forma de cristales que precipitan. Es una operación necesaria para todo producto químico que se presenta comercialmente en forma de polvos o cristales, ya sea el azúcar o sacarosa, la sal común o cloruro de sodio. En la cadena de operaciones unitarias de los procesos de fabricación se ubica después de la evaporación y antes de la operación de secado de los cristales y envasado. Toda sal o compuesto químico disuelto en algún solvente en fase liquida puede ser precipitada por cristalización bajo ciertas condiciones de concentración y temperatura que el ingeniero 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, 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. TIPOS BASICOS DE CRISTALIZACION DESDESOLUCIONESTipo de Cristalización: Sobresaturación producida por:Cristalización por Reducción de Temperatura ....enfriamientoCristalización por Evaporación de Disolvente ...evaporaciónCristalización por Reacción Química .............reacción quimicaCristalización por saltingout ............... Adición de otra sustanciaCristalización al vacío ............................. Flashing y evaporaciónMétodos combinados ..................Combinación de métodos anteriores

Características principales de la cristalización

Una vez concretada la definición de Cristalización, procederemos a explicar los aspectos más importantes de dicha operación unitaria.

Definimos Magma como la disolución de la mezcla bifásica formada por las aguas madres y los cristales de todos los tamaños, contenida en un cristalizador y que se saca como producto.

La pureza del producto: Un cristal perfectamente formado es totalmente puro, pero cuando se retira del magma, retiene aguas madres por quedar ocluidas 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. Rendimientos: Rendimientos. En muchos procesos industriales de cristalización, los cristales y las aguas madres están en contacto suficiente tiempo para alcanzar el equilibrio y las aguas madres están saturadas a la temperatura final del proceso. El rendimiento del proceso se puede calcular entonces a partir de la concentración de la disolución original y la solubilidad para la temperatura final. Si durante el proceso se produce una evaporación apreciable, ésta debe de ser conocida o estimada. Cuando la velocidad de crecimiento de los cristales es lenta se requiere un tiempo considerable para alcanzar el equilibrio(disoluciones viscosas) de forma que hay poca superficie de cristales expuesta a la disolución sobresaturada.En tales situaciones las aguas madres finales pueden retener una apreciable sobresaturación y el rendimiento real será menor que el calculado a partir de la curva de solubilidad.

Por último, es importante destacar el tamaño de los cristales. No cabe duda 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 es también 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 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.

Etapas de la cristalización.

En toda formación de cristales hay que considerar dos etapas:

-Nucleación: formación de los primeros iones a partir de los iones o moléculas que se encuentran en el seno de la disolución. Puede ser que estos primeros cristales que se forman, se destruyan debido a un proceso inverso a la nucleación. Dentro de la nucleación podemos distinguir entre Nucleación primaria y nucleación secundaria.

Primaria: es aquella en la que el origen de la nueva fase sólida no está condicionada ni influida por la presencia de la fase sólida que se origina.

Secundaria: la nucleación secundaria designa aquel proceso de formación de cristales de la nueva fase que está condicionado por la presencia de partículas de la misma fase en el sistema sobresaturado y por cuya causa ocurre.

-Crecimiento:etapa del proceso de solidificación donde los átomos del líquido se unen al sólido formando las grandes estructuras cristalinas.

Importancia de la cristalización en la industria

Dado que en muchos casos, el producto que sale a la venta de una planta, tiene que estar bajo la forma de cristales, la cristalización 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 químico sólido, que se puede obtener a partir de soluciones relativamente impuras en un solo paso de procesamiento. Los cristales se han producido mediante diversos métodos de cristalización que van desde los más sencillos que consisten en dejar reposar recipientes que se llenan originalmente con soluciones calientes y concentradas, hasta procesos continuos rigurosamente controlados y otros con muchos pasos o etapas diseñados para proporcionar un producto que tenga uniformidad en la forma, tamaño de la partícula, contenido de humedad y pureza. Las demandas cada vez mas crecientes de los clientes hacen que los cristalizadores sencillos por lotes se estén retirando del uso, ya que las especificaciones de los productos son cada vez más rígidas. En términos de los 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 mayor parte de las aplicaciones industriales de la operación incluyen la cristalización a partir de soluciones.

Tipos de Cristalización

Enfriamiento de una disolución en la que la solubilidad de ese componente aumente con la temperatura (éste es el caso más general) o calentamiento de una disolución donde la solubilidad del componente disminuya al aumentar la temperatura. Presenta la desventaja que en sistemas muy solubles permanece aún mucho soluto en el disolvente. El enfriamiento puede realizarse indirectamente por convección natural, encamisados, tubos intercambiadores de calor,etc. El empleo de métodos de enfriamiento por contacto directo evita los problemas de incrustaciones en las superficies de transferencia de calor. El enfriante puede ser un sólido, un líquido o un gas y el calor es extraído por transferencia de calor sensible o calor latente.

Evaporación de disolvente. Cuando la solubilidad de un soluto en el disolvente no varía apreciablemente con la temperatura se puede conseguir la sobresaturación eliminando disolvente.

Cristalización a vacío. Se realiza un enfriamiento flash debido a una evaporación adiabática del disolvente, la sobresaturación se obtiene por evaporación y enfriamiento simultáneos de la corriente de alimentación cuando ésta entre en el cristalizador debido a la baja presión existente en el interior del mismo.

Precipitación por mezcla directa o reacción química. Precipita un producto sólido como resultado de la reacción química entre gases y/o líquidos. La precipitación sucede debido a que las fases gaseosas o líquidas se sobresaturan respecto al componente sólido. Esta precipitación puede transformarse en un proceso de cristalización realizando un control cuidadoso del grado de sobresaturación. La elección del método de mezcla de los reactivos es muy importante y resulta clave evitar zonas de excesiva sobresaturación. La secuencia de mezcla de los reactivos puede ser de importancia crítica.

Drowning-out. Una disolución puede sobresaturarse, respecto a un soluto dado, añadiendo una sustancia que reduzca la solubilidad del soluto en el disolvente. La sustancia añadida, que puede ser líquido, sólido o gas se suele denominar precipitante.