Cristalización: Separación y Purificación en la Industria Química

Cristalización: Es una operación unitaria fundamental en la planta química que permite separar un soluto en estado sólido de una disolución. Este proceso se lleva a cabo en equipos especializados llamados cristalizadores, y es ampliamente utilizado para la purificación de sustancias como la sacarosa (azúcar) y la sal común.

Cristal: Un cristal es un sólido que exhibe una estructura poliédrica, con átomos, iones o moléculas ordenados en una red cristalina. Los sólidos que carecen de esta estructura ordenada se denominan amorfos. La red cristalina puede contener impurezas. Existen 32 clases de cristales, agrupadas en seis sistemas cristalinos: cúbico, tetragonal, hexagonal, rómbico, triclínico y monoclínico.

Hábito de un Cristal: Tras la formación de los núcleos cristalinos, estos crecen a expensas del soluto presente en la disolución sobresaturada. El crecimiento no es uniforme en todas las caras, lo que puede resultar en cristales deformados.

Estabilidad de una Disolución: Una disolución se considera estable cuando está saturada. Antes de alcanzar la saturación, puede disolver más soluto. Por lo tanto, una disolución saturada es estable.

Saturada estable – precipita sólido. Sobresaturada – cristales.

Para que la sobresaturación conduzca a la cristalización, es esencial disminuir la temperatura y/o eliminar el disolvente por evaporación.

Etapas del Proceso de Cristalización

CRISTALIZACIÓN: El proceso de cristalización consta de dos etapas principales:

1. Formación de núcleo cristalino: Es la agrupación mínima de átomos, iones o moléculas necesaria para iniciar la cristalización. La nucleación debe alcanzar un tamaño crítico para que el proceso continúe.
2. Crecimiento de los cristales: A partir del tamaño crítico, los cristales crecen mediante diversos procedimientos:

• Crecimiento espontáneo o natural (nucleación homogénea).
• Adición de cristales de diferente composición química (nucleación heterogénea).
• Adición de cristales de la misma naturaleza (nucleación por siembra).
• Fraccionamiento de los cristales por agitación.

Inconvenientes en la Cristalización

Inconvenientes que pueden surgir durante la cristalización:

1. Aglomeración de los cristales debido a la humedad atmosférica, que puede incrustar o adherir impurezas.
2. Contaminación por componentes del aire (CO2, nitrógeno, polvo, H2O), que pueden alterar el cristal. Se requiere protección en atmósferas inertes o al vacío.

Aplicaciones de la Cristalización

Aplicaciones:

• Obtención de aspirina.
• Separación de ceras en la refinación de aceite.
• Cristalización de la sacarosa en la industria azucarera.
• Purificación de productos en el refino del petróleo.
• Purificación de silicio.
• Obtención de cristales de plata.

Tipos de Cristalización

Varios tipos de cristalización: por decantación, por fusión, por sublimación.

Flotación: Separación de Componentes Sólidos

Flotación: Es una operación unitaria de separación hidráulica que se basa en hacer flotar determinados componentes sólidos en la superficie de un líquido, mientras que otros se hunden. Los componentes que flotan se denominan «flotado», y los que se hunden, «cola» o «deprimidos». La flotación depende de la densidad de las partículas y del líquido, así como de la capacidad de las partículas para atraer burbujas de aire.

Fundamentos de la Flotación

Fundamentos de la flotación: Es crucial conocer el carácter de la partícula, es decir, si se moja o no. Para que una partícula flote, debe ser hidrófoba y aerófila.

• Hidrófilo: Que se moja.
• Hidrófobo: Que no se moja.
• Aerófilo: Que se llena de burbujas (flota).
• Aerófobo: Que no se llena de burbujas.

Influye también en la flotación la absorción (que absorbe) y la adsorción (que se adhiere).

Agentes Reactivos en la Flotación

Agentes reactivos: Son sustancias añadidas a la suspensión para facilitar la flotación:

1. Espumantes: Producen espuma persistente y abundante. Se utilizan en pequeñas cantidades y se distribuyen por toda la suspensión (aceite de pino, cresol, anilina, orto toluidina, xilidina, alcohol etílico y alcohol butílico).
2. Colectores y promotores: Facilitan la unión del sólido a las burbujas de aire. El promotor forma una monocapa, mientras que el colector forma una policapa (aceite de petróleo, aceite de pino, aceite de abeto y xantato sódico).

Flotación Selectiva

Flotación selectiva: Permite separar varias sustancias sólidas de forma independiente, deprimiendo algunas para flotar otras.

Depresores, Activadores y Reforzadores

• Depresores: Impiden la flotabilidad de una sustancia (cianuro, sulfito de sodio, bisulfito de sodio).
• Activadores reforzadores: Permiten anular la acción de un depresor o facilitar la flotabilidad de una sustancia (sulfato de cobre o monosulfuro de sodio).

Venenos y Contravenenos en la Flotación

• Venenos de la flotación: Sustancias indeseables que dificultan la flotación (sulfatos solubles, sales de magnesio, aluminio, calcio).
• Contravenenos: Anulan los efectos de los venenos (cal, carbonato sódico, sosa cáustica, carbonato de bario, //PH//).

Evaporación: Concentración de Soluciones Líquidas

Definición de evaporación: Es una operación unitaria que consiste en la eliminación de compuestos volátiles (generalmente agua) de una mezcla líquida mediante calentamiento a una temperatura inferior al punto de ebullición. La separación es parcial, resultando en una mezcla más concentrada.

Podemos realizar la evaporación de tres formas diferentes: al aire libre, con aportación de calor y con aportación de calor y al vacío. El calor suele provenir de vapor de agua saturada. El evaporador es el intercambiador de calor donde se produce la transferencia de energía térmica.

Factores que Afectan la Velocidad de Evaporación

Los factores que afectan a la velocidad de la evaporación son:

1. La velocidad de transferencia al líquido.
2. La cantidad de calor necesaria para evaporar cada kg de agua.
3. La temperatura máxima que admite el líquido.
4. La presión a la cual tiene lugar la evaporación.

Evaporación al Vacío

Evaporación al vacío: Se utiliza cuando el líquido es sensible a altas temperaturas, reduciendo la temperatura de ebullición mediante bombas de vacío. Se aplica en la industria láctea, de zumos, abonos, papel, petroquímica y textil.

Componentes de un Evaporador

El evaporador consiste en un recipiente que separa la solución a concentrar del agente de calefacción (generalmente vapor de agua saturado). El vapor cede su calor y se condensa, elevando la temperatura de la solución, que hierve, se evapora y se concentra. Se deben eliminar los gases formados (P1 + P2 = PT).

Inconvenientes de los Evaporadores

Inconvenientes de los evaporadores:

1. Incrustaciones: Depósitos de soluto en las paredes, que dificultan la transferencia de calor. Se limpian con disolventes y mecanizado.
2. Formación de espuma: Arrastra el producto en forma de gotas con los vapores. Se evitan con pantallas deflectoras y aceites sulfonados.
3. Ebullición violenta: Formación de burbujas que impide la cesión de calor. Se utilizan agitadores.

Clasificación de Evaporadores

Clasificación de evaporadores:

• Calentamiento directo: Sin superficie de calefacción. Con superficie de calefacción.
• Calentamiento por vapor:
• Sencillos.
• Tubulares: tubular horizontal y Tubular vertical con tubos largos (haz exterior, haz interior).tubos cortos (swenson, cesta).
• Rotativos.

Tipos de Evaporadores

• Evaporador de calentamiento directo: Horizontales y pulverizados. El calor se transmite por convección.
• Evaporador sencillo: Recipientes esféricos con doble fondo para el agente calefactor. Se utilizan en la industria cervecera.
• Evaporadores tubulares horizontales: Para soluciones poco viscosas. La solución debe estar por encima de los tubos.
• Evaporadores de tubos verticales: Cortos (estándar y en cesta) y largos.
• Estándar: Cuerpo cilíndrico con haz de tubos interrumpido en el centro.
• Cesta: Similar al estándar, pero con una interrupción anular para facilitar la limpieza.