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• nadia hernandez

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Antecedentes La cristalización es un método de separación en el que se produce la formación de un sólido (cristal o precipitado) a partir de una fase homogénea, líquida o gaseosa. El sólido formado puede llegar a ser muy puro, por lo que la cristalización también se emplea a nivel industrial como proceso de purificación. La cristalización de sal, o tratamiento de salmueras, es un proceso muy habitual en procesos industriales que generan aguas residuales. Para que la cristalización se pueda llevar a cabo es condición indispensable que la solución se encuentre sobresaturada. Los procesos de cristalización difieren unos de otros en el método mediante el cual se consigue la sobresaturación.

Métodos empleados En

general,   

se

puede

conseguir

de

tres

modos

diferentes:

Sobresaturación producida por enfriamiento de la solución con evaporación despreciable. Sobresaturación producida por evaporación del disolvente con poco enfriamiento. Evaporación por combinación de enfriamiento y evaporación en evaporadores adiabáticos (cristalizadores al vacío).

Cabe tener presente que para utilizar los cristalizadores en los que la sobresaturación se logra mediante enfriamiento, los solutos deben tener una curva de solubilidad que disminuya significativamente con la temperatura. En aquellos casos en que la solubilidad no depende prácticamente de la temperatura, la sobresaturación se consigue evaporando el disolvente. Y cuando se utiliza la combinación de enfriamiento y evaporación, una solución se somete a condiciones de vacío para que el disolvente se evapore de manera repentina y la solución se enfríe adiabáticamente. Este último método es el más utilizado a nivel industrial para provocar la sobresaturación. A la práctica, existe una amplia variedad de cristalizadores industriales, cada uno diseñado específicamente para conseguir de forma óptima la sobresaturación de la solución, en función de las características y propiedades de ésta. El proceso de cristalización no es sencillo y la etapa más importante consiste en la formación de cristales sólidos en el seno de la solución líquida. La solución se concentra y se enfría hasta que la concentración del soluto es superior a la solubilidad a dicha temperatura y el soluto forma cristales casi puros. La velocidad de crecimiento de un cristal se conoce como velocidad de cristalización. El crecimiento ocurre primero con la formación del núcleo y luego su crecimiento se va produciendo de forma gradual. Cuando la concentración es superior a la sobresaturación, la nucleación –formación de núcleos– se produce de forma natural,

espontánea y rápida. La velocidad de cristalización se puede expresar mediante la siguiente ecuación empírica:

Dónde:       

B: velocidad de nucleación (núcleos formados por unidad de tiempo y de volumen de solvente) N: número de núcleos formados por unidad de volumen de solvente t: tiempo k, i: parámetros empíricos (C-C*): sobresaturación C: concentración del soluto en la solución C*: concentración de saturación del soluto

De la ecuación se deduce que la velocidad de nucleación es función directa de la sobresaturación. Se ha comprobado que cuando la sobresaturación es elevada, la velocidad de nucleación –y también la velocidad de crecimiento del cristal– también son elevadas, dando lugar a cristales pequeños, imperfectos y con impurezas. Y al revés, cuando la sobresaturación es baja, la velocidad de formación es pequeña, el crecimiento de los cristales es regular y se obtienen cristales de gran tamaño y de elevada pureza.

En la cristalización se distinguen principalmente dos pasos: la nucleación y el crecimiento de los cristales. Ambos procesos se producen, si las condiciones son favorables, en la zona sobresaturada de la gráfica. No obstante, para la nucleación se requiere más sobresaturación que para el crecimiento. El área de formación nuclear donde se da la sobresaturación se denomina zona inestable, mientras que el área de crecimiento se conoce como zona metaestable. Para la nucleación es necesario que la solución llegue a la zona inestable. Sin embargo, una vez allí, los núcleos crecerán demasiado rápido y los cristales resultantes serán muchos y muy pequeños. Para conseguir la formación de cristales lo más grandes y puros posible, es necesario controlar la cantidad de núcleos en formación. Si la solución no contiene impurezas ni cristales de su propio tipo, el núcleo sólo puede ser formado por nucleación homogénea. Si algunas partículas extrañas están presentes, la nucleación se facilita y el proceso es conocido como nucleación heterogénea. Ambas nucleaciones, la homogénea y la heterogénea, toman lugar en ausencia de cristales de la propia solución y son colectivamente conocidas como nucleación primaria. La nucleación secundaria se refiere al proceso de formación de cristales que está condicionado y producido por la presencia de partículas de la misma fase en el sistema sobresaturado.

Aplicaciones de la cristalización

El proceso de cristalización tiene numerosas aplicaciones industriales y no siempre la obtención de unos cristales puros es el objetivo principal de este proceso. A menudo se da el caso que interesa el proceso de cristalización como integrante en un tratamiento más amplio de efluentes líquidos. En este caso, el objetivo principal es la separación de la contaminación presente en un efluente del propio solvente, de forma que se obtenga el solvente puro y la contaminación en forma sólida, para facilitar su gestión de forma económica. Por ejemplo, esta aplicación de la cristalización es indispensable en los procesos de vertido cero, en los que el efluente se separa en dos corrientes, la del solvente relativamente puro y apto para su reutilización, y la de la contaminación en estado sólido o semi-sólido. Así pues, la cristalización también se presenta como una excelente solución en aquellos casos en los que el objetivo principal no es la obtención de un producto sólido de elevada pureza, como ocurre en las siguientes aplicaciones:    

Tratamiento de efluentes con una elevada carga contaminante Tratamiento de efluentes cuando las técnicas convencionales no son efectivas (como en el caso de las salmueras) Imposibilidad de poder verter los efluentes tratados Tratamiento de efluentes cuya composición fluctúa y es muy variable

Actualmente, se puede disponer de cristalizadores para el tratamiento de aguas con sales que son muy competitivos en cuanto a eficiencia energética, al basarse en una evaporación al vacío por bomba de calor, y muy robustos en cuanto a su funcionamiento.

Los cristalizadores son una de las principales tecnologías para obtener un vertido cero en un proceso de tratamiento de efluentes industriales. Esto significa que el proceso de tratamiento o depuración no produce ningún vertido líquido y normalmente se obtiene un agua de buena calidad que puede ser reutilizada en procesos de fábrica, además de un residuo sólido que suele ser valorizable para su comercialización interna/externa o combustible. Cuando no puede ser reaprovechado por carecer de valor puede ser cedido a depósitos controlados. Algunos de los procesos que inciden de forma especial para obtener el vertido cero son la cristalización, el secado térmico y la estabilización de líquidos. Para llegar a estos resultados normalmente se precisa de una etapa previa de concentración mediante equipos de evaporación al vacío de alta eficiencia energética, para obtener unos efluentes concentrados, que serán los que posteriormente serán minimizados con alguna de las mencionadas técnicas. Cristalizadores La cristalización es una operación de separación en la que se produce la transferencia de un soluto desde la fase líquida a una fase sólida cristalina, al variar la temperatura o la composición de la solución. El proceso industrial de cristalización se basa fundamentalmente en obtener de forma temporal la solución sobresaturada en relación al equilibrio, ésta es la auténtica fuerza motriz del proceso. La sobresaturación puede alcanzarse mediante la reconcentración del soluto por la evaporación del solvente, el enfriamiento de la solución o la acción de otro producto químico que se adiciona a la solución para disminuir la solubilidad del soluto original, o incluso una combinación de los tres procesos. En el proceso de cristalización existen una serie de factores, diferentes a la sobresaturación, que determinan la cinética de formación de cristales y, por tanto, el tamaño de éstos. Estos factores son la temperatura, la agitación y el tiempo; actuando sobre ellos es posible obtener cristales muy finos o gruesos. Los cristalizadores por evaporación trabajan al vacío, así el agua se evapora a temperaturas mucho más bajas (35-80ºC). El agua se condensa y puede ser utilizada como agua destilada. La especial configuración del recipiente de evaporación con un sistema de calefacción tipo camisa, por donde circula el fluido de calefacción (vapor, agua caliente, fluido térmico) permite alcanzar elevadas concentraciones en la cámara con presencia de sólidos sin que esto represente ningún problema para el proceso. A la salida del cristalizador se precisa generalmente algún sistema final de deshidratación de las sales, los más eficientes son: 

Centrífuga: Este equipo permite deshidratar por lotes grandes cantidades de cristales de todo tipo de sales.

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Filtro deshidratador: Se descarga el lote de licor madre y sales sobre un tapiz que drena el líquido que vuelve a cabecera del evapo-cristalizador, mientras que las sales quedan retenidas y separadas por un rascador al final del recorrido, el cual las descarga sobre un contenedor. Contenedor de drenaje: Sigue el mismo procedimiento que el anterior pero sus mayores dimensiones permite tratar mayores cantidades de sales cristalizadas. Tambor rotativo: con camisa de enfriamiento del cilindro exterior y un rascador que extrae los cristales que se depositan en la superficie interna. El líquido a cristalizar procede de una etapa de concentración por evaporación y por tanto está caliente. El fluido de enfriamiento puede ser agua de un circuito de refrigeración con torre evaporativa o de fluido refrigerante que se mantiene a muy baja temperatura con equipos de frío industrial. Reactor decantador: un proceso que utiliza la evaporación previa para concentrar el soluto, pero en la zona de equilibrio, mediante la dosificación de un producto químico específicamente estudiado para cada caso, puede ser otra sal, otro solvente, un polímero, etc., se produce un desequilibrio en la solución original que conduce a la precipitación de cristales que son extraídos del tanque de reacción por dispositivo diseñado para tal fin. Este proceso permite la cristalización fraccionada y la obtención separa de diferentes cristales de sustancias de elevado valor añadido.

Los procesos de evaporación al vacío y de cristalización deben ser estudiados específicamente para cada caso. Condorchem Envitech dispone de una larga experiencia en el diseño, fabricación e instalación de estos equipos para una gran variedad de procesos industriales diferentes. Secado térmico (spray drying) El secado térmico consiste en pulverizar una solución rica en sólidos disueltos, nunca en suspensión, en una cámara que se mantiene caliente por acción de los gases de combustión de un quemador o de aire caliente (180 a 400 ºC). Al entrar en contacto con la temperatura el solvente se evapora instantáneamente y el sólido precipita en el fondo de la cámara. Un sistema de venturi permite extraer el sólido secado y se separa del vapor de agua y gases de combustión fríos (aprox. 100ºC) que se emiten al exterior. Un proceso de filtrado/lavado de estos gases garantiza los límites de emisión a la atmósfera. Debido a que es un proceso que consume gran cantidad de energía (kwt/litro evaporado) es preferible utilizar después de un proceso de evaporación para reconcentrar el soluto y disminuir el volumen de agua a evaporar. El sólido obtenido puede ser reutilizado cuando es posible o cedido a depósito controlado. Estabilización / inertizado La estabilización de líquidos es muy recomendable cuando la gestión del residuo líquido es muy costosa o imposible y cuando la cristalización o secado térmico no puede aplicarse por cuestiones técnicas o de inversión.

Consiste en la mezcla del residuo líquido o pastoso, previamente concentrado por evaporador, con un material inerte de bajo coste. Normalmente se emplea para este fin arcillas, cal viva, cal apagada, cemento, etc., aunque también suelen emplearse algunos polímeros deshidratantes como bentonita, sepiolita, etc. En algunos casos puede utilizarse otro residuo sólido (por ejemplo: fangos depuradora, cenizas, escorias, etc.). El proceso de mezcla se hace por lotes o en continuo en un equipo denominado BLENDER, que consiste en un tambor donde llegan por separado la alimentación del líquido o pasta y el producto sólido estabilizante, se mezclan hasta formar una masa homogénea y se descarga por la boca frontal hacia un contenedor. La mezcla se cementa en unas horas y con el paso del tiempo pierde prácticamente toda la humedad, quedando solidificada e inerte. Este producto puede llevarse a vertedero sin más problema ya que no se volverá a disolver nunca más. La cantidad de producto cementante estabilizante por litro de líquido o pasta dependerá del tipo de residuo pero normalmente esta entre los 0,8 y 2 litros de cementante por litro de residuo líquido o pasta.En el tratamiento de vertidos líquidos industriales se aspira a conseguir el llamado vertido cero, esto significa que el proceso de tratamiento o depuración no produce ningún vertido líquido y normalmente se obtiene un agua de buena calidad que puede ser reutilizada en procesos de fábrica, además de un residuo sólido que suele ser valorizable para su comercialización interna/externa o combustible. Cuando no puede ser reaprovechado por carecer de valor puede ser cedido a depósitos controlados.

La mayoría de las industrias utilizan agua de alguna forma en sus procesos de producción. Esta agua acaba generando unos efluentes que habrán de ser tratados con el objetivo de obtener nuevamente agua limpia, que podrá ser reutilizada mediante un sistema de vertido cero, o vertida a la naturaleza en función de los intereses de la empresa. Sin embargo, el flujo de efluentes y su composición resulta muy variable y este es uno de los principales problemas en el diseño de un sistema de vertido cero: entender el efluente a tratar. Su caudal y composición, así como la pureza que queremos obtener tras el proceso de depuración, son factores esenciales en el diseño de un sistema de vertido cero. Debido a que cada efluente es diferente no se puede diseñar un sistema de vertido cero que funcione como sistema único y aplicable de forma general. Hoy en día la mayor parte de las instalaciones de vertido cero se llevan a cabo en diferentes sectores industriales y en actividades relacionadas con la producción de energía, así como en vertederos de Residuos Sólidos Urbanos. Diferentes sistemas de vertido cero La evaporación al vacío es la tecnología más útil para obtener un vertido cero. Mediante esta tecnología se puede recuperar alrededor del 95% de las aguas residuales, obteniendo un agua destilada que puede ser reutilizada. Los residuos de salmuera restantes pueden ser reducidos a sólido en un cristalizador. Sin embargo, la evaporación por sí sola puede ser una opción cara cuando los caudales son considerables. Una manera de resolver este problema es la integración de las tecnologías de membrana, especialmente ósmosis inversa y electrodiálisis reversible, con la evaporación. A día de hoy es muy habitual combinar ambas tecnologías en el diseño de sistemas de vertido cero. Mediante la combinación de las tecnologías de membranas con la evaporación y la cristalización, los sistemas de vertido cero han resultado más eficientes y menos costosos. La forma en que se combinan dichas tecnologías depende del efluente a tratar. El diseño de un sistema de vertido cero Como se mencionó anteriormente, la composición del efluente es esencial en el diseño de un sistema de vertido cero. Un efluente mal descrito conducirá a un diseño que está lejos de su nivel óptimo, bien porque sea demasiado grande y caro o demasiado pequeño para lograr la separación requerida. El caudal acostumbra a determinar el tamaño de la instalación y, por tanto, el coste inicial de la misma. Por otra parte, los componentes del efluente también deben ser analizados y preferiblemente en diversas ocasiones para ver si puede haber diferentes composiciones. Dependiendo del proceso que se utilice las composiciones pueden variar ligeramente. Las medidas más comunes a analizar hoy en día son la demanda química de oxígeno (DQO),

demanda bioquímica de oxígeno (DBO), carbono orgánico total (TOC), así como el análisis de inorgánicos (aniones, cationes, sílice). Descripción de los componentes Ósmosis inversa La ósmosis inversa es un proceso donde el agua está bajo presión para que pase a través de una membrana semi-permeable, dejando las sales inorgánicas disueltas y sílice atrás. Hay que tener en cuenta que algunos compuestos orgánicos y los sólidos en suspensión pueden dañar los sistemas de ósmosis inversa, por lo que es recomendable llevar a cabo un pretratamiento o filtración antes de utilizar esta tecnología. Electrodesionización (EDI) Se trata de un proceso de membranas en el que los electrolitos migran a través de membranas selectivas de carga en respuesta a un campo eléctrico. Durante el proceso la polaridad de los electrodos se invierte varias veces por hora y el agua dulce y las aguas residuales concentradas se intercambian dentro de la pila de membrana para eliminar suciedad y descamación. La electrodesionización también requiere la eliminación previa de los sólidos y los compuestos orgánicos para un funcionamiento fiable. Evaporadores al vacío Encontramos una gran variedad de evaporadores: bomba de calor, compresión mecánica del vapor, película descendente, circulación forzada, con rascador, etc. La gran ventaja de los evaporadores al vacío es que producen un destilado muy limpio, que por lo general contiene menos de 10 ppm, siendo esta una de las razones principales por las que se utilizan en sistemas de vertido cero. Normalmente el evaporador se utiliza para tratar los rechazos de las membranas y concentrar los residuos contenidos en el efluente hasta un estado prácticamente sólido. Destaca su capacidad para concentrar salmueras, un problema muy habitual en muchas industrias. Cristalizadores Un cristalizador es un tipo de evaporador de circulación forzada, que utiliza un compresor mecánico de vapor como fuente de energía. El cristalizador consigue reducir a un sólido seco el rechazo de un evaporador para su posterior eliminación. Por otra parte se obtiene un agua de alta pureza para su reutilización.

Objetivo general 

Se desarrolla este proyecto debido a que la cristalización es una de las principales tecnologías para poder obtener un vertido cero en un proceso de tratamiento para efluentes industriales.

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Nuestro proyecto se lleva acabo debido a que el tratamiento de efluentes industriales por medio de la cristalización ya que no produce ningún vertido líquido y se puede obtener agua de una muy buena calidad la cual puede ser reutilizada para en procesos de fábricas.

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