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PROCESO DE CRISTALIZACIN

CRISTALIZACINLa cristalizacin es una operacin de transferencia de materia en la que se produce la formacin de un slido (cristal o precipitado) a partir de una fase homognea (soluto en disolucin o en un fundido).

Que es un cristal?Un cristal es el tipo de materia no viva ms altamente organizada. Se caracteriza por el hecho de que sus partculas constituyentes, que pueden ser tomos, molculas o iones, estn dispuestas en formaciones ordenadas de forma tridimensional llamadas redes espaciales.

FUNDAMENTOS DE LA CRISTALIZACIONEn muchos procesos industriales de cristalizacin los cristales y las aguas madres permanecen en contacto durante el tiempo suficiente para alcanzar el equilibrio, de forma que las aguas madres estn saturadas a la temperatura final del proceso.

El rendimiento de la cristalizacin se puede calcular a partir de la concentracin de la solucin original y la solubilidad a la temperatura final.

Si se produce una evaporacin apreciable durante el proceso es preciso tenerla en cuenta.EQUILIBRIO Y RENDIMIENTOSCuando la velocidad de crecimiento de los cristales es pequea, se necesita un tiempo relativamente grande para alcanzar el equilibrio, sobre todo cuando la solucin es viscosa o cuando los cristales se depositan en el fondo del cristalizador, de forma que la superficie de cristales expuesta a la solucin sobresaturada es pequea.En estos casos, las aguas madres finales pueden contener una considerable sobresaturacin y el rendimiento real ser menor que el calculado a partir de la curva de solubilidadLas relaciones de equilibrio para los sistemas de cristalizacin se presentan en forma de curvas de solubilidad.En estas curvas la solubilidad se expresa comnmente en por ciento de peso de soluto a peso de solvente. Las curvas de solubilidad representan la solubilidad de soluciones saturadas a diferentes temperaturas. La saturacin es el resultado del equilibrio entre la fase slida y la fase lquida, y consecuencia de la igualacin de sus potenciales qumicosSOLIBILIDAD ES UN PROCESO DE CRISTALIZACION

Los datos experimentales de equilibrio sirven de base para la evaluacin de las diversas opciones que existen para llevar a cabo un proceso de cristalizacin ya que permite entre otras cosas:

Determinar si el slido que se cristaliza slo contiene el soluto de inters Seleccionar el solvente. Establecer el rango de temperatura y presin de operacin Conocer la concentracin del lquido de salida del cristalizadorDeterminar la recuperacin mxima posible de la operacin a. Regin metaestable, donde el soluto en exceso a la concentracin de equilibrio se deposita en cristales ya existentes (sembrados o formados por nucleacin) pero no forma cristales nuevos o ncleos

b. Regin intermedia, donde el soluto en exceso a la concentracin de equilibrio se deposita en cristales existentes y forma nuevos ncleos

c. Regin lbil, donde la formacin de cristales nuevos o ncleos ocurre en forma espontnea a partir de una solucin que no contiene cristales o semillasSOBRESATURACION

A diferencia de la solubilidad de equilibrio, los lmites de estas tres zonas se controlan no slo por el equilibrio sino tambin por los parmetros del proceso como el grado de agitacin. El conocimiento de la regin de sobresaturacin permite determinar regiones de operacin.

Operacin Intermitente: Propsito: lograr un tamao de cristal lo ms uniforme posible Grado de sobresaturacin: Regin metaestable, crecimiento de cristales ya existentes y no formacin de nuevos ncleos Operacin continua: Propsito: Crecimiento y formacin de nuevos ncleos Grado de sobresaturacin: Lmite inferior de la regin Intermedia.

Adems es necesario proveer un mecanismo de clasificacin de cristales, de tal manera que slo se retiren cristales de un mismo tamao

SOBRESATURACION Y CRISTALIZACIONLa velocidad de crecimiento de un cristal es conocida como velocidad de cristalizacin. La cristalizacin puede ocurrir solamente desde soluciones sobresaturadas. El crecimiento ocurre primero con la formacin del ncleo, y luego con su crecimiento gradual. En concentraciones arriba de la sobresaturacin, la nucleacin es concebida como espontnea, y rpida. En la regin metaestable, la nucleacin es causada por un golpe mecnico, o por friccin y una nucleacin secundaria puede resultar de el rompimiento de cristales ya formados. VELOCIDAD DE CRISTALIZACINHa sido observado que la velocidad de cristalizacin se ajusta a la siguiente ecuacin:

Los valores del exponente m se encuentran en el rango de 2 a 9, pero no ha sido correlacionada como un valor cuantitativo que se pueda estimar. Esta velocidad es media contando el nmero de cristales formados en periodos determinados de tiempo.Esta velocidad depende de su superficie instantnea y de la velocidad lineal de la solucin, que pasa a la solucin as como tambin de la sobresaturacin. Y estas son representadas mediante la ecuacin:

PUREZA DE LOS CRISTALESLos cristales formados de la mayora de las soluciones alcanzan purezas de hasta 99.8% bajo condiciones de velocidad de crecimiento moderadas.

Cuando las aguas madres retenidas en el cristal, que son de baja pureza, se secan sobre el producto, se produce contaminacin.

Para purificar se usan los mtodos de filtracin o centrifugacin, lavando con disolvente fresco.

La eficacia de estas etapas de purificacin depende del tamao y uniformidad de los cristales.

La separacin alcanzada en una cristalizacin puede ser caracterizada mediante la distribucin del soluto y las impurezas entre las fases:De manera similar para la impureza BDonde:El factor de cristalizacin E ( anlogo al factor de extraccin) depende de la naturaleza del sistema solvente-soluto-impurezas, delas condiciones de temperatura y presin a las que se realice la cristalizacin, y del grado de saturacin (sobresaturacin) con que se realice la operacin. 18GEOMETRIA DE LOS CRISTALES

La geometra de los cristales es necesaria para poder entender porque difractan los rayos X. Un cristal puede definirse como un slido compuesto de tomos distribuidos segn unas pautas peridicas en las tres direcciones del espacio.SISTEMAS CRISTALOGRAFICOSPuesto que todos los cristales de una determinada sustancia tienen los mismos ngulos entre las superficies de contacto, a pesar de que existan grandes diferencias en lo que respecta al desarrollo de las caras individuales, es posible clasificar las formas de los cristales con base en estos ngulos.

Sistema cbico:Tres ejes iguales que forman ngulos rectos entre s.Sistema tetragonal:Tres ejes que forman ngulos rectos entre s, con uno de los ejes ms largo que los otros dos.Sistema ortorrmbico:Tres ejes a ngulos rectos entre s, todos de tamao diferente.

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

24Sistema triclnico:Tres ejes desiguales que forman ngulos desiguales entre s que no son de 60 ni de 90.

Sistema trigonal:Tres ejes iguales con la misma inclinacin.

BALANCE DE MATERIA Y ENERGA EN CRISTALIZADORES POR ENFRIAMIENTO Y POR EVAPORACIN

BALANCE DE MASA cristales: MP*%cristal=SS*sol + cristales libres de agua

agua: MP*%agua=SS*(1-sol) +agua ligada en cristales

Donde: sol = solubilidad = cristales/(cristales+agua)

CRISTALIZACIONBALANCE DE ENERGIACaso enfriamiento:

HMP=HW + Q + HC

Caso evaporacion:

HMP + Q= HW + HC

Donde:

HMP=CP*(T2-T1)*MPHC= calor cristalizacinHC= - calor disolucinHW= calor de evaporacin

Como se hace operaciones de evaporacin, es posible establecer los balances de materia y energa y la ecuacin de velocidad de la transferencia de calor para un proceso de cristalizacin. Cuando es posible determinar el grado de evaporacin o enfriamiento, el balance de material dar el rendimiento del proceso; es decir, la masa de cristales formada a partir de una masa dada de solucin.

Suponiendo que este proceso opera con estado estable con alimentacin lquida y un producto en forma de magma que contiene los cristales y la solucin caractersticos del contenido del cristalizador, es posible establecer un balance del material soluto en la forma Soluto en alimentacin = soluto en cristales del producto + soluto en el producto de licor.

Aqu se muestra en forma esquemtica el proceso general de cristalizacin, con la nomenclatura involucrada

Balances de masa y energa en cristalizadores continuosdonde:FS = Flujo msico del solvente en la alimentacin, [M/t] R a = Masa de soluto por masa de solvente en la alimentacin, [M/M] S = Flujo msico de solvente en la suspensin de salida, [M/t] R C = Masa de soluto disuelto por masa de solvente en la solucin de salida, [M/M]RSe = Masa de solvente evaporada por masa de solvente alimentada, [M/M] }C = Flujo msico de cristales en la suspensin de salida, [M/t]NUCLEACIN

Fenmenos cinticos asociados a la cristalizacinCINETICA DE LA CRISTALIZACINNUCLEACION

CRECIMIENTO DE CRISTALESNucleacinLa velocidad de nucleacin es el nmero de nuevas partculas formadas por unidad de tiempo y unidad de volumen de magma o de lquidos madres exentos de slidos. Esta magnitud es-el primer parmetro cintico que controla la CSD.

Mecanismos de nucleacin Nucleacin primaria Nucleacin secundariaHomognea

HeterogneaSembrado

Contacto

Esfuerzo constanteNUCLEACIN PRIMARIA

En la terminologa cientfica la nucleacin se refiere al nacimiento de cuerpos muy pequeos en el interior de una fase homognea sobresaturada. Bsicamente, el fenmeno de la nucleacin es el mismo que el de la cristalizacin a partir de una solucin, cristalizacin a partir de una fase fundida, condensacin de gotas de niebla en un vapor sub enfriado y generacin de burbujas en un lquido sobrecalentado.

En todos los casos la nucleacin es una consecuencia de rpidas fluctuaciones locales a escala molecular en una fase homognea que se encuentra en estado de equilibrio meta estable. NUCLEACIN HOMOGNEA

En la cristalizacin a partir de soluciones casi nunca tiene lugar nucleacin homognea, excepto quizs en algunas reacciones de precipitacin. Sin embargo, los fundamentos del fenmeno son importantes para comprender los fundamentos de los tipos ms tiles de nucleacin.Los ncleos cristalinos se forman a partir de los diferentes tipos de partculas: molculas, tomos o iones. En soluciones acuosas pueden estar hidratados.

NUCLEACIN HETEROGNEA

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.

NUCLEACIN SECUNDARIA

La formacin de ncleos atribuible a la influencia de los cristales macroscpicos que existen en el magma recibe el nombre de nucleacin secundaria. Se conocen dos tipos, uno de ellos atribuible al esfuerzo cortante del fluido y el otro a las colisiones entre los cristales existentes o bien de los cristales con las paredes del cristalizador y los rodetes (impulsores) giratorios o con las palas de agitadores.

NUCLEACIN DE CONTACTO

Es el tipo ms frecuente de nucleacin en los cristalizadores industriales, ya que ocurre a bajas sobresaturaciones donde la velocidad de crecimiento de los cristales es ptima para una buena calidad.

NUCLEACIN DEBIDA AL ESFUERZO CORTANTE DEL FLUIDO

Se sabe que este tipo ocurre en ciertas condiciones y en otras se sospecha. Cuando una solucin 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.

La velocidad de nucleacin generalmente se expresa por medio de una correlacin emprica:

donde: B: Velocidad de nucleacin [Ncleos/t-volumen de solvente]N : Nmero de ncleos por unidad de volumen del solvente [M/L 3 ] kn: Parmetro emprico i: Parmetro emprico c-c*: Sobresaturacin [M/L 3 ] c: Concentracin de soluto en la solucin [M/L 3 ] c*: Concentracin de saturacin del soluto [M/L 3 ]

LA LEY AL DE CRECIMIENTO DE LOS CRISTALESMcCabe (Ml) demostr que todos los cristales geomtricamente similares de un mismo material en una misma solucin crecen a la misma velocidad. El crecimiento se mide como el aumento de longitud L, en mm, de la dimensin lineal de un cristal. Este aumento de longitud se refiere a las distancias equivalentes desde el punto de vista geomtrico de todos los cristales.

El aumento es independiente del tamao inicial de los cristales originales, siempre y cuando todos ellos estn sujetos a las mismas condiciones del medio circundante. Esta ley en la que el coeficiente total de transferencia es igual para todas las caras de los cristales.

AL = D2 D1= G (t2 t1)El crecimiento total (D2 D1) o L es el mismo para todos los cristales. La ley AL falla cuando los cristales reciben tratamientos diferentes segn su tamao. Se ha comprobado para muchos materiales, en especial cuando los cristales son inferiores a la malla 50 (0.3 mm). Aun cuando esta ley no es aplicable a todos los casos, es bastante precisa en muchas situaciones.

MTODOS DE CRISTALIZACINCristalizacin por DisolucinPara realizar una cristalizacin por disolucin se prepara una disolucin sobre saturada del compuesto a purificar. Basndonos en el hecho de que los slidos son ms solubles en caliente que en fro, se va aadiendo el soluto al disolvente en caliente, hasta que dicha disolucin alcance la saturacin

Cristalizacin por EnfriamientoLa rapidez de proceso de filtrado en caliente resulta vital, dado que el producto comienza a cristalizar tan pronto como se inicia el proceso de enfriamiento. Incluso resulta indispensable realizar la filtracin con un filtro y embudo previamente calentados, o de lo contrario cristaliza en el propio filtro.

Cristalizacin por Efecto del disolventeEn este caso se procede a inducir la cristalizacin rpida de una sustancia soluble en el disolvente utilizado (por ejemplo: agua), variando la polaridad del disolvente.

Cristalizacin por difusin lquido-lquidoEste caso es realmente una variante ralentizada de la cristalizacin por efecto del disolvente. Dicha ralentizacin tiene como consecuencia la formacin de un menor nmero de cristales que por el contrario adquieren un mayor tamao.

Cristalizacin por difusin lquido-vaporEn este caso ambas disoluciones se encuentran fsicamente separadas. Para ello se utiliza un sistema formado por dos tubos, uno pequeo introducido dentro de otro mayor.

CLASIFICACIN DE LOS CRISTALIZADORES

Los cristalizadores se clasifican en cuanto a Su operacin en continuos y por lotes. La operacin por lotes se utiliza en aplicaciones especiales; la operacin continua de los cristalizadores es el sistema ms usual.Cristalizadores de tanque Cristalizadores con raspadores de superficieEvaporador-cristalizador con circulacin de lquido Cristalizador al vaco con circulacin de magma

Equipos de cristalizacinCristalizador de Enfriamiento SuperficialFuncionamientoLa 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.

Cristalizador de Evaporacin de Circulacin Forzada

La lechada que sale del cuerpo se bombea a travs de una tubera de circulacin y por un intercambiador de calor de coraza, donde su temperatura se eleva de 2 a 6 C. puesto que este calentamiento se realiza sin vaporizacin, los materiales de solubilidad normal no debern producir sedimentacin en los tubos. El licor calentado, que regresa al cuerpo mediante una lnea de recirculacin, se mezcla con la lechada y eleva su temperatura localmente, cerca del punto de entrada, lo que provoca la ebullicin en la superficie del lquido. Funcionamiento

Durante el enfriamiento subsiguiente y la vaporizacin para alcanzar el equilibrio entre el lquido y el vapor, la sobresaturacin que se crea provoca sedimentaciones en el cuerpo de remolino de los cristales suspendidos, hasta que vuelven a alejarse por la tubera de circulacin. La cantidad y la velocidad de la recirculacin, el tamao del cuerpo y el tipo y la velocidad de la bomba de circulacin son conceptos crticos de diseo, para poder obtener resultados predecibles. Si el cristalizador no es del tipo de evaporacin y depende slo del enfriamiento adiabtico de evaporacin para lograr un buen rendimiento, se omitir el elemento calentador. La alimentacin se admite a la lnea de circulacin, despus de retirar la lechada, en un punto situado suficientemente por debajo de la superficie libre del lquido, para evitar la vaporizacin instantnea durante el proceso de mezclado.Cristalizador evaporador de desviador y tubo de extraccin (DTB).FuncionamientoPuesto 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 s 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 mas 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.

CRISTALIZADOR DE TUBO DE EXTRACCINFuncionamientoEste 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 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.LA IMPORTANCIA DE LA CRISTALIZACIN EN LA INDUSTRIALa 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.Las demandas cada vez ms crecientes de los clientes hacen que los cristalizadores sencillos por lotes se estn retirando del uso, ya que las especificaciones de los productos son cada vez ms rgidas.La cristalizacin se puede realizar a partir de : Evaporacin: evaporando el disolvente de una disolucin se puede conseguir que empiecen a cristalizar los slidos que estaban disueltos cuando se alcanzan los lmites de sus solubilidades.

APLICACIONES EN LA INDUSTRIA

Las empresas qumicas y biofarmaceuticas estn actualmente sometidas a presiones para desarrollar ms rpidamente procesos de cristalizacin escalables, a menor coste a controlar las condiciones de cristalizacin para mejorar los tiempos de ciclo y optimizar la calidad del producto.

Un proceso de cristalizacin bien diseado se puede escalar satisfactoriamente hasta la escala de produccin, para obtener la distribucin de tamaos, el rendimiento y la pureza deseados de los cristales.

Cristalizacin por lotes en laboratorio: Diseo de procesos escalables de cristalizacin por lotes proporcionando detalles esenciales sobre la forma de cristales, la formacin de aceites, la nucleacin secundaria y la homogeneidad entre lotes.

Control y modelos de la cintica de la cristalizacin: Medicin, comprensin y control de la nucleacin, crecimiento, aglomeracin y desgaste de los cristales, con caracterizacin de partculas en lnea y tecnologa de anlisis de reaccin.

Cristalizacin continua: Obtencin de grandes volmenes de producto con una distribucin requerida dfe tamaos de partcula, mediante herramientas de caracterizacin de partculas en tiempo real.

Entre las aplicaciones de la cristalizacin se incluyen:Escalado: Eliminacin de los problemas de escalado de la cristalizacin, tales como la falta de homogeneidad en la distribucin de tamaos de cristales de un lote a otro, en las perdidas de rendimiento y en el perfil de pureza, que tienen un notable efecto en la calidad del producto y en la eficiencia de los procesos posteriores.

Cristalizacin a gran escala: Uso de la tecnologa analtica de procesos (PAT) para aumentar el rendimiento y la capacidad, al tiempo que se consigue un tamao de partcula, una pureza y una densidad a granel del producto repetibles, con reduccin de los tiempo de ciclo y eliminacin del producto defectuoso.

Supersaturacin: Medicin y control de la fuerza impulsora de los procesos de cristalizacin.

EJERCICIO DE APLICACION

GRACIAS POR SU ATENCIN

CRISTALIZACIONDOCENTE:ING. ALFREDO FERNANDEZ REYESINTEGRANTES:Coordinadora: Godos Chumacero Indira Gabriela MercedesINTEGRANTES:- Grados Barrionuevo Tania Hamileth- Suarez Gil Natali Sofia- Sandoval Sinarahua Kevin

AO DE LA DE LA DIVERSIFICACIN PRODUCTIVA Y DEL FORTALECIMIENTO DE LA EDUCACIN