INSTITUTO TECNOLÓGICO DE DURANGO Departamento de Ingenierías Química y Bioquímica
INGENIERÍA QUÍMICA Procesos de Separación II Alumnas: A lejandr a G pe. Martínez Martí nez C umplido umpli do C laudia laudia Mar Mar cela Morales Morales Morales Morales María Marí a J os é V i llanu llanueva eva S alas alas
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Catedrático: Ing. Eduardo Chávez Pérez
V ic toria ori a de D urang o, Dur ang o a 27 de de julio julio de 2017 2017
Contenido Cristalización ................................................................................................................... 2 Cristales............................................................................................................................. 2 Clasificación ...................................................................................................................... 3 Solubilidad y diagramas de fase ........................................................................................ 4 Nucleación ......................................................................................................................... 5 Crecimiento de los cristales ............................................................................................... 5 Velocidad de crecimiento. .................................................................................................. 5 Métodos de cristalización. .................................................................................................. 6
Método de líquido circulante.................................................................................... 6
Método del magma circulante ................................................................................. 6
Tipos de Cristalizadores .................................................................................................... 7 Cristalizador de evaporación de circulación forzada ....................................................... 7 Cristalizador evaporador de desviador y tubo de extracción (DTB) ................................ 8 Cristalizador de enfriamiento superficial ......................................................................... 9 Cristalizador de refrigeración de contacto directo ......................................................... 10 Aplicaciones de los cristalizadores................................................................................... 11 Ventajas de los cristalizadores......................................................................................... 11 Desventajas de los cristalizadores ................................................................................... 11 Referencias Bibliográficas ............................................................................................... 12
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Cristalización Cristalización es la formación de partículas sólidas a partir de una fase homogénea. En la cristalización la solución se concentra y casi siempre se enfría hasta que la concentración del soluto es superior a su solubilidad a dicha temperatura. Entonces, el soluto sale de la solución formando cristales casi puros.
Cristales Se puede definir como un sólido compuesto de átomos en forma ordenada y repetida. Las distancias interatómicas en un cristal de cualquier material definido son constantes y características de ese material.
Existen siete clases de cristales, dependiendo de la distribución de los ejes a los que se refieren los ángulos: 1. Sistema cúbico. Tres ejes iguales que forman ángulos rectos entre sí. 2. Sistema tetragonal. Tres ejes que forman ángulos rectos entre sí, con uno de los ejes más largo que los otros dos. 3. Sistema ortorrómbico. Tres ejes a ángulos rectos entre sí, todos de tamaño diferente. 4. Sistema hexagonal. Tres ejes iguales en un plano formando ángulos de 60” entre sí y un cuarto eje formando un ángulo recto con este plano y ‘no
necesariamente de la misma longitud 5. Sistema monoclínico. Tres ejes desiguales, dos a ángulos rectos en un plano y el tercero formando cierto ángulo con dicho plano. 6. Sistema triclínico. Tres ejes desiguales que forman ángulos desiguales entre sí que no son de 30”, 60” ni de 90”.
7. Sistema trigonal. Tres ejes iguales con la misma inclinación.
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Clasificación Los cristalizadores se clasifican en cuanto a su operación en continuos y por lotes.
Operación por lotes se utiliza en aplicaciones especiales;
Operación continua de los cristalizadores es el sistema más usual.
La cristalización no puede ocurrir sin una sobresaturación. Una de las principales funciones de cualquier cristalizador es la de causar la formación de una solución sobresaturada.
Los equipos de cristalización pueden clasificarse con base en el método empleado para producir las sobresaturaciones como sigue: 1. Sobresaturación producida por enfriamiento de la solución con evaporación despreciable (cristalizadores de tanque y por lotes).
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2. Sobresaturación producida por evaporación del disolvente con poco enfriamiento
o
sin
enfriamiento-evaporadores-cristalizadores
o
evaporadores cristalizantes. 3. Sobresaturación por combinación de enfriamiento y evaporación en evaporadores adiabáticos (cristalizadores al vacío).
Solubilidad y diagramas de fase Las relaciones de equilibrio para los sistemas de cristalización se expresan mediante datos de solubilidad que están graficados en diagramas de fase o curvas de solubilidad. Los datos de solubilidad se dan por lo general como partes en peso de material anhidro, por 100 partes en peso de disolvente total.
Curvas de solubilidad: curva 1, KNO,; curva 2, NaCl; curva 3, MnSO, . H,O (todas en disolución acuosa). Mc Cabe. Operaciones unitarias en la ingeniería química. 4ta edición. Pág. 928.
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Nucleación La velocidad de nucleación es el número de nuevas partículas formadas por unidad de tiempo y unidad de volumen de magma o de aguas madres exentas de sólidos. Esta magnitud es el primer parámetro cinético que controla la distribución de tamaño de los cristales (DTC). Pueden clasificarse en tres grupos: nucleación pura, nucleación primaria y nucleación secundaria.
Crecimiento de los cristales El crecimiento de los cristales es un proceso difusional modificado por el efecto de las superficies sólidas sobre las que tiene lugar el crecimiento. Las moléculas o iones del soluto alcanzan las caras en crecimiento de un cristal por difusión a través de la fase líquida. A esta etapa se aplica el habitual coeficiente de transferencia de materia k y . Una vez que las moléculas o iones llegan a la superficie tienen que ser aceptadas por el cristal y organizarse dentro de la red. La reacción ocurre en la superficie con una velocidad finita y el proceso global consta de dos etapas en serie. Ninguna de las dos etapas, la difusional y la interfacial, tiene lugar si la disolución no está sobresaturada.
Velocidad de crecimiento. Es un proceso de superposición de capas, y puesto que sólo se puede verificar en la superficie exterior de la cara cristalina, el soluto debe ser transportado desde la solución general hasta dicha superficie.
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Métodos de cristalización.
Método de líquido circulante: Se hace pasar una corriente de disolución sobresaturada a través de un lecho fluidizado de los cristales en crecimiento. El líquido saturado se bombea después a través de una zona de enfriamiento o de evaporación, donde se genera la sobresaturación y finalmente la disolución sobresaturada se recircula a través de la zona de cristalización.
Método del magma circulante: Todo el magma circula a través de ambas etapas de cristalización y sobresaturación sin separar el líquido del sólido. Tanto la sobresaturación como la cristalización tienen lugar en presencia de los cristales. En ambos métodos la disolución de alimentación se añade a la corriente circulante entre las zonas de cristalización y sobresaturación.
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Tipos de Cristalizadores Cristalizador de evaporación de circulación forzada La lechada que sale del cuerpo se bombea mediante una línea de recirculación, se mezcla con la lechada y eleva su temperatura localmente, cerca del punto de entrada, lo que provoca la ebullición en la superficie del líquido. Durante el enfriamiento subsiguiente y la vaporización para alcanzar el equilibrio entre el líquido y el vapor, la sobresaturación que se crea provoca sedimentaciones en el cuerpo de remolino de los cristales suspendidos, hasta que vuelven a alejarse por la tubería de circulación. La alimentación se admite a la línea de circulación, después de retirar la lechada, en un punto situado suficientemente por debajo de la superficie libre del líquido, para evitar la vaporización instantánea durante el proceso de mezclado.
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Cristalizador evaporador de desviador y tubo de extracción (DTB) La suspensión de los cristales de productos se mantiene mediante una hélice grande y de movimiento lento, rodeada por un tubo de extracción dentro del cuerpo. La hélice dirige la lechada hacia la superficie del líquido, para evitar que lo sólidos pongan en cortocircuito la zona de sobresaturación más intensa.
La lechada enfriada regresa al fondo del recipiente y vuelve a recircular a través de la hélice
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Cristalizador de enfriamiento superficial Puede haber cristales suspendidos dentro del cuerpo debido a la turbulencia y que son eficaces para aliviar la sobresaturación creada por la reducción de temperatura de la lechada, al pasar por el intercambiador. Evidentemente la bomba de circulación es parte del sistema de cristalización y es preciso prestar atención cuidadosa a este tipo y sus parámetros operacionales para evitar influencias indebidas de la nucleación. Este tipo de equipo produce cristales en la gama de malla de 30 a 100.
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Cristalizador de refrigeración de contacto directo En estos sistemas, es conveniente mezclar el refrigerante con la lechada que se enfría en el cristalizador, de modo que el calor de vaporización del refrigerante sea relativamente inmiscible con el licor madre y capaz de sufrir separación, compresión, condensación y un reciclaje subsiguiente en el sistema de cristalización.
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Aplicaciones de los cristalizadores •
Se utilizan para producir un producto puro de acuerdo con su composición y este se encuentra en forma de cristales como, por ejemplo: azúcar, sal común, etc.
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Los productos sólidos son más fáciles de comercializar por lo que se hace necesario contar con un buen equipo de cristalización.
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Se utilizan para producir un producto puro de acuerdo con su composición y este se encuentra en forma de cristales, como por ejemplo: azúcar, sal común, etc.
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Los productos sólidos son más fáciles de comercializar por lo que se hace necesario contar con un buen equipo de cristalización.
Ventajas de los cristalizadores •
Se puede obtener en una sola etapa un producto de una pureza de hasta 99%.
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Se puede controlar la cristalización de tal manera que se produzcan cristales uniformes que faciliten su manejo, empaque y almacenamiento.
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La cristalización mejora la apariencia del producto para comercialización.
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Es una operación que puede llevarse a cabo a temperaturas moderadas
Desventajas de los cristalizadores •
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
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La operación implica el manejo de sólidos. 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.
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Referencias Bibliográficas •
MC CABE, “Operaciones Básicas en Ingeniería Química” , 4ta edición. Mc Graw Hill. Madrid 1991.
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C.J. GEANKOPLIS, “Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias” , 3ra edición. Editorial continental, S.A. de C.V. México 1998.
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