Cristalizacion Ope .

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADORFACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA OPERACIONES UNITARIAS 3 CRISTALIZACIÓN Integrantes: Benalcazar Vinicio Galindo Karina 1 DEFINICIONES BASICAS Cristal ◦ Ordenamiento ◦ Estrica y Regular ◦ Fuerzas netas ◦ Atraccion ◦ Covalente, Vander Waals, Puentes de hidrógeno ◦ Celdas Unitarias ◦ Estructura reticular 2 Celdas Unitarias Fuente : (Scribd-Cristalizacion) Fuente (quimica2bac) 3 Cristales invariantes ◦ Ideal ◦ Semejanza Geometrica en el Crecimiento Fuente de Imagen : (McCabe, 2014, p. 972) 4 • Cristalización -Es el proceso por medio del cual se separa un componente de una solución líquida transfiriéndolo a la fase sólida en forma de cristales que precipitan -Solo las moléculas de la forma adecuada pueden entrar a la red cristalina. -Aumento de Temperatura y disminucion -Magma: Es la solución, soluto (cristales) solvente (liquido madre) contenida en un cristalizador. -Objetivo Buena separación, producción y alta pureza Buen aspecto, tamaño adecuado y uniforme 5 Desventajas o problemas en el proceso Oclucion del liquido en el cristal Se seca el liquido madre sobre los cristales Crecimiento no uniforme 6 . Estructura similar a la del soluto 7 .Cumplimientos La solucion este Sobre saturda Selección del solvente Soluto soluble a temperatura elevada Soluto poco soluble a baja temperatura No reacción con el soluto Solvente Volátil para la fácil eliminación de los cristales Impurezas solubles en frio no en caliente. 974) 8 . p. 2014.Fenómeno de Nucleación (nacimiento) y Crecimiento Formación ◦ Equilibrio (Condición de Saturación) Fuente (McCabe. Diagrama de Fases Aumento de temperatura. disminucion a: Punto eutéctico 9 . .A: Área no Saturada -Línea quebrada eagfhij solidificación completa de la solución liquida para formar varias fases sólidas. -pae: Área donde existe mezcla de hielo y solución saturada -abcdq: línea quebrada es la curva de solubilidad 10 . salinacion(Tercer componente)) Explicacion ys<y’<y Diferencia de concentración (solución sobresaturada-solución saturado ) Ec.1.2-2Texto guia =concentración molar de soluto en la solución 11 . 2. evaporacion.Sobresaturación  3 maneras (enfriamiento.1.2-1 Texto guia Ec. 2. 1.2-5 Texto guia s sobresaturación fraccional 12 . 2.  Relacion de Sobresaturación Ec. Potenciales de sobresaturación y temperatura T Cristal Sobresaturad o Figura: Potenciales de sobresaturación y temperatura Fuente: (McCabe. 980) 13 . 2014. p. Nucleación Es el numero de nuevas partículas formadas por unidad de tiempo y unidad de volumen de magma o de líquidos madres exentos de sólidos. 14 . 1998) Cuanto mayor es el cristal. menor es su solubilidad. 15 .Nucleación Primaria Espontaneame nte solucion original Fuente: (Geancopolis. Los cristales chocan entre sí Se desconoce el fenomeno 16 .Nucleación secundaria o de contacto Nucleación más efectivo. Crecimiento del cristal  Forma capas al rededor de un cristalito Longitud caracteristica Ec.2.2-1 Texto guia Menos errores para estrucuras cuya esfericidad es cercana a 1 Velocidad de crecimiento . La velocidad de crecimiento de una cara cualquiera se mide por su velocidad de traslación 17 . 2. 2-2Texto guia 18 . Ec. 2.  Velocidad de transferencia de masa ◦ El soluto debe ser transportado desde la solución general hasta dicha superficie .2. 2.En   función del coeficiente de reacción superficial Ec.2-3 Texto guia   Ec.2.2. 2.2-5Texto guia 19 . 2.8).2-6 Texto guia Donde L=Longitud característica a=constante (cubo (1).Para   un cristal invariante el volumen del cristal es proporcional al cubo de su longitud característica L Ec.91)) 20 .Triclinica(0. 2. Tetragonal(0. 2. 2.2-10 Texto guia 21 . La velocidad de crecimiento se representa por el símbolo G   Ec. entonces todos los cristales no sólo serán invariantes. sino también tendrán la misma velocidad de crecimiento independientemente de su tamaño.◦ Ley ΔL del crecimiento cristalino Si todos los cristales del magma crecen en un campo de sobresaturación uniforme y a la misma temperatura. 22 . 2010) Ec.energía Fuente: (slideshare-Cristalizacion.1-1 .3.2Texto guia 23 . Balance de masa . 3. Durante el enfriamiento se evapora 5% del agua total del sistema. ¿Cuántos kilogramos de cristales se obtendrán por 1 000 kg de mezcla original? 24 .Ejemplo 1: Una solución consistente en 30% de MgSO4 y 70% de H2O se enfría hasta 60 °F. 05 * 700 = 35 kg Ae=35 kg 25 .70 * 1 000 = 700 kg A= 700 kg Agua evaporada en el proceso 0.Original (Inicial) Agua Inicial de la solución 0. En   el Proceso : Cristal + solucion madre Pesos Moleculares Agua Libre 1 000 – 35 – 614 = 351 kg. Solucion Madre Liquido madre 353 kg Cristales (Cosecha Final) 614 – 353 = 261 kg 26 . 2010) 27 . 3.2Texto guia Fuente: (slideshare-Cristalizacion.Balance de Energía El calor de cristalización es igual al calor absorbido por los cristales al disolverse en una solución saturada El calor de dilución de la solución desde la saturación hasta una gran dilución Ec.2-1 . Fuente: (McCabe. 2014. 977 28 . p. ¿Qué cantidad de calor es preciso retirar de la solución por tonelada de cristales? 29 . hasta 70 °F (21.9 °C) se enfría. sin evaporación Apreciable.1 °C) en un cristalizador discontinuo refrigerado con agua.EJEMPLO 2 Una solución de 32.5% de MgSO4 a 120 °F (48. Entalpia de la Solución caliente   32.5% de MgSO4 a 120 °F La gráfica nos indica que tenemos una entalpia Hsm=-33 Hsc=Entalpia de solución caliente   30 . 259 31 .4=-4 540 Btu Concentración de la solución Madre A 70 °F la concentración es de 0.5 % ya que es sin evaporación La grafica nos indica que tenemos una entalpia de: Hma=-78 Hma=Entalpia del magma (Solución final) Por cada 100 lb la entalpia es 100*(33. Entalpia para el Magma final A 70 °F y concentración de 32.0-78.  Concentración de los cristales es : A 70 °F la concentración es de 0.488 Concentración de los cristales según el principio de centro de gravedad 32 . CRISTALIZADORES CONTINUO DISCONTINU O SOBRESATURAC IÓN  Por enfriamiento de la solución con evaporación despreciable.  Por evaporación del disolvente con poco enfriamiento o sin enfriamiento – evaporadores – cristalizadores. 33 .  Por combinación de enfriamiento y evaporación en evaporadores adiabáticos (Cristales de vacío).  Por reacción y Salting-out. benzoico. ácidos de solubilidad es positivo. negativo de de con amoniaco. Donde el coeficiente de Cloro-benceno. Circulación forzada. butírico. pequeño Oslo o Cristalizador enfriador solubilidad superficie raspada. se con la temperatura. es Cristalizador muy partir de soluciones diluidas Temperatura) (Kristal) Enfriamiento es (disminución Cristalizador evaporador Aplicaciones de decir que solubilidad incrementa la bórico. sórbico.Método . 34 . la orgánicas la soluciones a sustancias partir acuosas de por dilución con metanol.Crear Sobresaturación Tipo de Nombre del Equipo Criterio básico para su Cristalizador Evaporador Cristalizador aplicación Donde el coeficiente de Sales complejas inorgánica a evaporador de solubilidad circulación forzada. 35 . tanque. sulfato de sódio. Salting out Cristalizadores de Donde la adición de un Sal tanque Cristalizador circulación tercer de de Glauber a partir de componente soluciones de salmuera de sulfato cambia las relaciones de de sodio. circulación forzada. mono. reacción. solubilidad. corrosivas requieren aspiración existentes de bajas temperaturas de Reacción Cristalizadores de Donde se requiere una Tamices moleculares: Zeolitas.Vacío Cristalizador al Donde se hace necesario Nitrato de sodio. Cristalizador combinación de de cristalización. penta y vacío. o opta hidratos de hidróxido de al vacío de tubo de donde las condiciones bário. forzada. Swenson Cristalizador operar en continuo. cloruros de sodio y potasio. de Sulfato de amonio. enfriador. enfriamiento por contacto directo). u de Yeso. (evaporador. superficie enfriada. nitrato de amonio. la vacío) 36 .Método – Suspender Cristales en Tipo de Nombre del equipo Criterio básico para su Aplicaciones Crecimiento cristalizad aplicación or Magma Cristalizadores circulante circulación de Para la producción forzada cristales grandes. la cristales producción pequeños tamaño uniforme. Licor Cristalizadores Oslo Para circulante (Evaporadores. tamices moleculares. de nitrato de plata. enfriadores. urea. el colorantes orgánicos. Ácidos grasos.Superficie Cristalizador Para compuestos Ácidos raspada Swenson orgánicos o donde el marinos. es grasos. aceites de tanque con o donde los cristales no vegetales. 37 . Tanque Cristalizadores Para operaciones Batch. solución estática son el producto principal. Armstrong continuamente raspado. Walter escalamiento Cristalizador principal problema. o agitada. azúcar. aceites cloro-benceno. ) 38 . s. Fuente: (Procesosbio. que puede ser utilizado como cristalizador por evaporación o como cristalizador por enfriamiento.DISCONTINUOS Este tipo de cristalizador es el más sencillo y más barato. consiste en un depósito abierto.f. 39 . Las aspas pasan cerca de las paredes y rompen los depósitos que se forman en la superficie de enfriamiento.) Un tipo de cristalizador con raspadores de superficie es el de Swenson – Walker que consiste en una artesa abierta de 0.6m de ancho con fondo semicircular y chaqueta de enfriamiento en el exterior.f. La rotación a baja velocidad de un agitador en espiral mantiene los cristales en suspensión.Fuente: (Procesosbio. s. generalmente con la ayuda de una bomba de Fuente: (Centro de Información Tecnológica. 2008) 40 .DISCONTINUOS Cristalizador de Vacío Las unidades de vacío utilizan el enfriamiento por evaporación adiabática para generar la sobresaturación. Un cristalizador de este tipo es un recipiente cerrado en el que se mantiene el vacío por medio de un condensador. vacío tipo eyector de vapor. 41 . Este calentamiento se realiza sin vaporización y los materiales de solubilidad normal no deben producir sedimentación en los tubos.Por Evaporación Estos cristalizadores constan de una tubería de circulación y de un intercambiador de calor de coraza. La cantidad y la velocidad de la recirculación. para poder obtener resultados predecibles. el tamaño del cuerpo y el tipo y la velocidad de la bomba de circulación son conceptos críticos de diseño. )  Sulfatos de sodio  Sulfatos de níquel Cloruro de potasio Cloruro de sodio 42 .VENTAJAS  Alternativa económica cuando el tamaño del producto es menos importante. s.f. Fuente: (Procesosbio. APLICACIONES  Cuando el índice de evaporación es dominante  Se utiliza en soluciones de sales en las que la solubilidad depende menos de la temperatura EJEMPLOS TÍPICOS DE LÍQUIDOS APTOS PARA CRISTALIZADORES DE CIRCULACIÓN FORZADA. f.  Bajos costes operativos y largos ciclos operativos.)  Sal de Glauber Sulfatos férricos Pentaeritritoles 43 .  El tamaño del cristal puede controlarse. s. EJEMPLOS TÍPICOS DE LÍQUIDOS APTOS PARA CRISTALIZADORES AL VACÍO CON TUBO DE ASPIRACIÓN. Fuente: (Procesosbio.  Se utiliza para casos de cristalización con una baja velocidad de asentamiento de cristales.  Operación continua.  La gama de tamaños de cristal puede seleccionarse. APLICACIONES  Se utiliza cuando puede alcanzarse la densidad del lodo necesaria de manera espontánea.VENTAJAS Cristalizador de tubo de extracción (DT)  Económico si hay agua de refrigeración disponible. VENTAJAS  Bajos costos operativos y largos ciclos operativos  El tamaño del cristal puede controlarse  La gama de tamaños de cristal puede seleccionarse  Filtración y centrifugación superiores APLICACIONES  Se utiliza para producir una densidad del lodo muy alta en el volumen activo del cristalizador. Operación continúa EJEMPLOS TÍPICOS DE LÍQUIDOS APTOS  Clorato de sodio Sulfato de amonio Sulfato de cobre Fuente: (Procesosbio.  Una gama selectiva de pequeños cristales puede retirarse y disolverse.f.) 44 .Cristalizador evaporador de desviador y tubo de extracción (DTB). s. Fuente: (Textos Científicos. 2006) 45 . Puesto que este calentamiento se realiza sin vaporización. los materiales de solubilidad normal no deberán producir sedimentación en los tubos.Cristalizador de evaporación de circulación forzada La lechada que sale del cuerpo se bombea a través de una tubería de circulación y por un intercambiador de calor de coraza. donde su temperatura se eleva de 2 a 6 °C. VENTAJAS Cristalizador por Enfriamiento  Bajos costes operativos y largos ciclos operativos  El tamaño del cristal puede controlarse  La gama de tamaños de cristal puede seleccionarse  Filtración y centrifugación superiores APLICACIONES  Se utiliza para producir una densidad del lodo muy alta en el volumen activo del cristalizador  Una gama selectiva de pequeños cristales puede retirarse y disolverse  Operación continua EJEMPLOS TÍPICOS DE LÍQUIDOS APTOS Fuente: (Textos Científicos. 2006)  Clorato de sodio Sulfatos de amonio Sulfatos de cobre 46 . Cristalizador por Enfriamiento por Contacto Directo VENTAJAS  Pueden lograrse cristales de buenas dimensiones  Al utilizar un medio de refrigeración distinto del agua pueden alcanzarse temperaturas bastante bajas APLICACIONES  Operación continua o por lotes  La operación por lotes se aplica cuando el caudal de líquido es relativamente bajo para la operación continua  Cuando no se necesita evaporación  Con líquidos de baja viscosidad EJEMPLOS TÍPICOS DE LÍQUIDOS APTOS PARA CRISTALIZADORES DE ENFRIAMIENTO SUPERFICIAL  Sal de Glauber  Sulfatos férricos. Fuente: (PREZI. 2013) 47 . secado.  Etapas posteriores (lavado. centrifugado. Otros factores necesarios para la elección del equipo son:  Tipo y tamaño de cristales a producir. etc) 48 .  Características físicas de la alimentación  El material del cual se construya el equipo sea resistente a la corrosión.  Espacio disponible. • Determinar si el modo de operación en que ocurrirá el proceso de cristalización sea batch o continua.Fundamentos de Diseño • Seleccionar un medio de generación de saturación con relación a las características de las curvas de solubilidad vs temperatura de la sustancia a cristalizar. FACTORES A CONSIDERAR EN EL DISEÑO DEL CRISTALIZADOR DISEÑO Datos importantes para el diseño:  Poder del solvente • Tamaño final del producto  Pureza • Tasa de crecimiento  Reactividad química Datos mínimos a especificar:  Manejo y procesamiento • Información de las corrientes entrada y salida 49 de .   Ec.Criterio para Cristalizador Continuo Ecuación para calcular el volumen necesario de magma circulante del cristalizador en términos de velocidad de crecimiento de los cristales. C= Factor de forma. ps= Densidad del magma.9x108 P/ pc 50 . S= Sobresaturación media en la papilla bien mezclada (libra*m/pie3). N= Número de dichos cristales formados por hora = 2. se supone igual a 1. (libra*m/pie3).1-1 Texto guia Dónde: V= Volumen del magma (cristales y solución saturada) (pie3). pc= Densidad de cristales sólidos secos (libra*m/pie3). la sobresaturación y la producción horaria. 6.3. Dimensionamiento   El tiempo de residencia se obtiene de la siguiente forma: Donde: Ec.2-1 Texto guia Dp: Tamaño del producto. mm/h 51 . mm Rg: Tasa de crecimiento. 6. GRACIAS 52 .