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• Carolina Salcedo

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CRISTALIZACIÓN La cristalización es una operación unitaria de separación o purificación mediante la cual se separa un componente de la fase fluida homogénea (disolución/vapor/fusión) en la que está presente, transfiriéndolo a una fase sólida en forma de cristales que precipitan. Su interés industrial radica en que es una operación necesaria para todo compuesto químico que se presenta comercialmente en forma de polvo o cristales, dado que: 1. Un cristal formado a partir de una disolución impura es esencialmente puro. 2. Proporciona un método práctico para la obtención de sustancias químicas puras en condiciones adecuadas para su envasado, transporte y almacenamiento. La mayoría de aplicaciones industriales aplican la cristalización a partir de disoluciones, aunque también se pueden obtener cristales a partir de un vapor (caso de la nieve) o de una fusión (caso de los minerales a partir de roca fundida). Cuando la fase fluida de partida es una disolución la operación se conoce generalmente como cristalización a partir de la (di)solución. Existen evidencias de que la cristalización a partir de la solución es una de las Operaciones Unitarias más antiguas, datada entre el año 2500 y 3000 a.C. Evidentemente, en ese tiempo la operación de cristalización distaba mucho de llevarse a cabo en condiciones controladas en un tanque, evaporador o cristalizador continuo, pero el ser humano era capaz de aprovechar las grietas de las rocas o determinadas superficies para obtener sal, o para obtener sacarosa o pigmentos empleando salmueras naturales. De hecho, todavía existen gran cantidad de salares alrededor del mundo que emplean la evaporación solar para obtener cristales de cloruro sódico. Un ejemplo, es el salar de Uyuni (Bolivia), que aparece a continuación, y que tiene una extensión de más de 12.000 km².

VENTAJAS 

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



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



La cristalización mejora la apariencia del producto para comercialización.



Es una operación que puede llevarse a cabo a temperaturas moderadas

DESVENTAJAS 

En general, ni se puede purificar más de un componente ni recuperar todo el soluto en una única etapa. Es necesario equipo adicional para retirar el soluto restante de las aguas madres



La operación implica el manejo de sólidos, con los inconvenientes tecnológicos que esto conlleva. En la práctica supone una secuencia de procesado de sólidos, que incluye equipos de cristalización junto con otros de separación sólido-líquido y de secado.

TIPOS DE CRISTALES Un cristal es un sólido compuesto por átomos, iones o moléculas dispuestos en un arreglo tridimensional ordenado o periódico, o retícula espacial. La distancia entre los átomos y los ángulos entre las caras de los cristales es característica de cada material.

1. Cúbico 2. Tetragonal Sistemas cristalográficos

SISTEMAS CRISTALOGRÁFICOS

3. Ortorrómbico 4. Hexagonal 5. Monoclínico 6. Triclínico 7. Trigonal

Desde el punto de vista Industrial el “hábitat del cristal” se refiere a los tamaños relativos de la cara del cristal. a) Los cristales largos se rompen muy fácilmente durante la centrifugación y secado. b) Los cristales en forma de disco son difíciles de lavar durante su centrifugación y difíciles de secar. c) Los cristales esféricos son más fáciles de manejar.

NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO DEL CRISTAL La cristalización tiene lugar en dos etapas: la formación del cristal, que recibe el nombre de nucleación, y el crecimiento del cristal. La fuerza impulsora de ambas etapas es la sobresaturación, de forma que ni la nucleación ni el crecimiento del cristal se darán por debajo de la curva de saturación, ni una vez alcanzadas las condiciones definidas por ésta. La nucleación se define como el nacimiento de cuerpos sólidos muy pequeños en el seno de una fase fluida homogénea sobresaturada. Se produce como consecuencia de de rápidas fluctuaciones locales a escala molecular en una fase homogénea que se encuentra en estado de equilibrio inestable o situación metaestable. Se distinguen principalmente dos tipos de nucleación: la nucleación primaria (homogénea y heterogénea) y la nucleación secundaria (por contacto y por esfuerzo cortante). La nucleación secundaria está catalizada por la presencia de cristales macroscópicos en el magma, por lo que para que tenga lugar es necesario que haya existido una cristalización previa, o bien que se siembren cristales con el propósito de inducir este tipo de nucleación. Por su parte, la nucleación primaria se da en el seno del fluido (homogénea: es espontánea y requiere la mayor sobresaturación), o bien se ve favorecida por la presencia de partículas sólidas o paredes u otros elementos del cristalizador (heterogénea: catalizada por la presencia de superficies sólidas). Por su parte, el crecimiento del cristal consiste en la incorporación de nuevas moléculas al núcleo ya formado y estable. Cuando aparece un núcleo, éste actúa como un punto de convergencia para las moléculas adyacentes al cristal, de modo que crece

en forma de capas sucesivas. Debido a la presencia del cristal, se dice que el crecimiento del cristal es un proceso difusional modificado por la presencia de las superficies sólidas.

FORMAS DE CRISTALIZAR Para cristalizar se necesita sobresaturar la disolución, lo cual implica obtener una disolución con una concentración de solutos mayor a la que viene dada por su equilibrio termodinámico, es decir, por su curva de saturación. Existen diferentes formas de alcanzar la sobresaturación: 

Por concentración.



Por enfriamiento.



Por reacción o desplazamiento del equilibrio.

Si la solubilidad del soluto aumenta fuertemente con la temperatura, como ocurre frecuentemente con muchas sales inorgánicas y sustancias orgánicas, una solución saturada

se

por enfriamiento.

transforma Si

la

en

sobresaturada

solubilidad

es

disminuyendo

la

temperatura

relativamente independiente

de

la

temperatura como en el caso de sal común, la sobresaturación se puede conseguir evaporando parte del disolvente. Por último, si la solubilidad es muy elevada estos métodos pueden no resultar adecuados, por lo que se recurre a añadir un tercer componente, lo que se conoce como cristalización por reacción o desplazamiento del equilibrio. El tercer componente puede actuar físicamente dando lugar a una mezcla con el disolvente original en la que la solubilidad del soluto disminuye bruscamente, o bien se puede crear químicamente un nuevo soluto añadiendo un tercer componente que reaccione con el soluto original para formar una sustancia insoluble. En determinados casos, se combinan ambos procesos (evaporación y enfriamiento) para conseguir la sobresaturación necesaria. A continuación, se muestra cómo alcanzar la sobresaturación sobre curvas de solubilidad de (A. izquierda) compuestos cuya solubilidad varía significativamente con la temperatura y (B. derecha) compuestos cuya solubilidad no varía significativamente

con la temperatura. Para los primeros, el enfriamiento es una buena forma de conseguir la sobresaturación, mientras que para cristalizar los segundos es necesario

concentrar la disolución. En cualquier caso, la fuerza impulsora del proceso de cristalización es la sobresaturación, de forma que tanto la nucleación como el crecimiento del cristal se darán únicamente si la disolución está sobresaturada.

APLICACIÓN INDUSTRIAL 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. Se presenta en la industria azucarera en este sentido. Los cristales se han producido mediante diversos métodos de cristalización que van desdelos 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.

EQUIPOS CRISTALIZADORES En los cristalizadores industriales se pretende favorecer la nucleación secundaria, dado que esto permitirá un mejor control del tamaño de los cristales. Mayores tiempos de residencia en el cristalizador suponen una menor entrada puntual de energía, lo que se

traduce en menores tasas de nucleación, favoreciendo a su vez el crecimiento del cristal. Los impactos entre los cristales y los elementos sólidos del cristalizador (principalmente contra las palas o cuchillas) son el principal mecanismo de nucleación. Los cristalizadores pueden clasificarse en función del fenómeno de cristalización que prevalece en el equipo, según sea por enfriamiento o por evaporación. Entre los cristalizadores evaporadores destacan los que se presentan en la siguiente imagen: 

El cristalizador-evaporador de circulación forzada (izquierda de la figura)



El cristalizador DTB (Draft-Tube-Baffle), de tubo de aspiración-deflector (centro)



El cristalizador tipo Oslo (derecha de la figura)

Los cristalizadores que utilizan únicamente enfriamiento son menos habituales, destacando: 

El cristalizador de enfriamiento superficial



El cristalizador a vacío o tipo flash

CRISTALIZADOR DE CIRCULACIÓN FORZADA (Force circulation)

El cristalizador de circulación forzada es el cristalizador más común en la industria. La cristalización se produce por evaporación de parte del disolvente, hasta sobresaturar la disolución. Generalmente trabajan a presión de vacío. Dispone de un equipo de bombeo que evita la ebullición en los tubos del intercambiador de calor o calandria, de modo que la evaporación se produce exclusivamente en el separador, donde el disolvente se evapora por ebullición y parcialmente por expansión (flashing). La capacidad de circulación se utiliza también para controlar la sobresaturación y prevenir la nucleación espontánea. Este equipo es de uso general, para procesos de cristalización sencillos donde el tamaño del cristal no es una exigencia. El diseño del cristalizador de circulación forzada no permite controlar el tamaño de los cristales, ni tampoco obtener grandes cristales.

CRISTALIZADOR DTB (Draft Tube Baffle)

Este cristalizador produce dos corrientes de descarga, una que contiene los cristales producto, y otra que contiene pequeños cristales o núcleos (finos) que se recircula para eliminar los núcleos indeseados. El cristalizador DTB promueve el crecimiento del cristal y permite controlar el tamaño de los cristales. Disponen de una hélice y un tubo que generan un lecho fluidizado donde los cristales permanecen en suspensión hasta alcanzar el tamaño adecuando, momento en el que precipitan por gravedad. Los cristales pequeños o núcleos indeseados escapan del lecho fluidizado y son recirculados gracias a un desviador de faldón, con lo que se disuelven y se reintroducen en el equipo, contribuyendo al crecimiento de los cristales en suspensión. En estos cristalizadores se dice que el lecho fluidizado se mantiene por medios mecánicos.

CRISTALIZADOR TIPO OSLO (Oslo or Fluid-bed)

Este cristalizador representó a principios del siglo XX el mayor paso en la tecnología de cristalización y diseño de equipos. Toma el nombre de la ciudad donde fue inventado, siendo su principal aplicación la de obtener cristales de NaCl. Se conoce también como cristalizador de lecho fluidizado, aunque, a diferencia del anterior, este lecho no está sujeto a medios mecánicos ya que los cristales se mantienen en suspensión gracias a la disolución caliente recirculada. Esta es la principal ventaja del cristalizador tipo Oslo, la capacidad de mantener un lecho fluidizado en el cual los cristales crecen hasta alcanzar el tamaño deseado, siendo el tamaño superior al obtenido con los cristalizadores anteriores.  Permite recircular la corriente de finos, eliminando los núcleos y cristales pequeños indeseados, mientras que los cristales en crecimiento se mantienen en suspensión en el lecho fluidizado hasta alcanzar el tamaño requerido.

CRISTALIZADOR DE ENFRIAMIENTO SUPERFICIAL (Surface cooling)

La cristalización por enfriamiento superficial se seleccionará en caso de que la solubilidad del compuesto a cristalizar sea fuertemente dependiente de la temperatura, y cuando la cristalización a vacío (por expansión o enfriamiento adiabático) no es una opción. Esto ocurre por ejemplo cuando la presión requerida en el separador del cristalizador a vacío es demasiado baja o demasiado cara. El cristalizador por enfriamiento superficial puede presentar problemas debido a incrustaciones en el intercambiador de calor, por lo que suele requerirse una etapa de lavado con disolución caliente tras cierto tiempo de operación.

CRISTALIZADOR A VACÍO O TIPO FLASH (Vacuum cooling) La cristalización a vacío se utiliza habitualmente cuando la solubilidad del compuesto a cristalizar depende fuertemente de la temperatura, y si la presión de vapor del disolvente a la entrada del cristalizador es lo suficientemente elevada como para emplear un equipo convencional. La cristalización a vacío es el método preferido para equipos continuos porque la sobresaturación se genera por enfriamiento adiabático del disolvente en el tanque o separador. Esto implica que la energía requerida para la evaporación se obtiene de una zona con menor tendencia a que se formen incrustaciones, requiriendo menos energía de agitación que los equipos de

enfriamiento superficial.

FACTORES A CONSIDERAR 

Poder del solvente: Debe ser capaz de disolver fácilmente el soluto y permitir después la obtención de cristales deseados.

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Pureza: No debe introducir impurezas que afecten la apariencia y propiedades del cristal.

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Reactividad química: Debe ser estable.

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Manejo y procesamiento: De preferencia poco viscoso y con temperatura de fusión abajo de 5ºC. De baja inflamabilidad y toxicidad. 

WEBGRAFÍA 

https://cursolusegil.blogs.upv.es/category/cristalizacion/#:~:text=La %20CRISTALIZACI%C3%93N%20es%20una%20operaci%C3%B3n,forma %20de%20cristales%20que%20precipitan.

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http://www4.ujaen.es/~ecastro/proyecto/operaciones/materia_calor/cristalizacion. html

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http://sgpwe.izt.uam.mx/files/users/uami/sho/Cristalizacion.pdf