FUNDAMENTOS DE LA CRISTALIZACIÓN

La cristalización puede analizarse desde los puntos de vista de pureza, rendimiento, requerimientos energéticos y velocidades de nucleación y crecimiento.Pureza del producto: Un cristal perfectamente formado es totalmente puro, pero cuando se retira del magma* final retiene aguas madres por quedar ocluidas en el interior de la masa de sólidos. Cuando las aguas madres retenidas, que son de baja pureza, se secan sobre el producto, se produce contaminación, cuyo alcance depende de la cantidad y grado de impureza de las aguas madres retenidas por los cristales.En la práctica, una gran cantidad de las aguas madres retenidas se separan de los cristales por filtración o centrifugación, lavando con disolvente fresco. La eficacia de estas etapas de purificación depende del tamaño y uniformidad de los cristales.

*Magma. En la cristalización industrial de una disolución la mezcla bifásicaformada por las aguas madres y los cristales de todos los tamaños, contenida enun cristalizador y que se saca como producto, recibe el nombre de magma.

EQUILIBRIOS Y RENDIMIENTOS

El equilibrio en los procesos de cristalización se alcanza cuando la disolución está saturada y la relación de equilibrio para los cristales grandes es la curva de solubilidad. (Según se verá después, la solubilidad de los cristales extraordinariamente pequeños es mayor que la de los cristales de tamaño ordinario.) Los datos de solubilidad se pueden encontrar en tablas. En la Figura 28.2 se presentan curvas de solubilidad en función de la temperatura.

La mayor parte de los materiales presentan curvas similares a la curva 1; es decir, la solubilidad aumenta más o menos rápidamente con la temperatura. Unas pocas sustancias siguen curvas como la curva 2, con poca variación de la solubilidad con la temperatura; otras presentan lo que se llama curva de solubilidad invertida (curva 3), lo que indica que su solubilidad disminuye al aumentar la temperatura.Muchas sustancias inorgánicas importantes cristalizan con agua de cristalización. En algunos casos se forman diferentes hidratos, dependiendo de la concentración y la temperatura, y los equilibrios de fases en tales sistemas pueden ser muy complicados.Los diagramas de fases para el sistema sulfato magnésico-agua se representan en la Figura 28.3.

La concentración, en fracción de masa de sulfato magnésico anhidro, se representa frente a la temperatura en grados Fahrenheit. Todo el área situada encima y ‘a la izquierda de la línea quebrada continua representa disoluciones no saturadas de sulfato magnésico en agua. La línea quebrada eagfhij representa la solidificación completa de la disolución líquida para formar varias fases sólidas.El área pae representa mezclas de hielo y disolución saturada. Toda disolución que contenga menos del 16.5 por 100 de MgSO, deposita hielo cuando la temperatura alcanza la línea pu. La línea quebrada abcdq es la curva de solubilidad. Cualquier disolución más concentrada que 16.5 por 100 precipita, al enfriar, un sólido cuando la temperatura alcanza esta línea.El sólido que se forma en el punto a se denomina eutéctico. Consiste en una íntima mezcla mecánica de hielo y MgSO, * 12H2O; entre los puntos a y b los critstales son MgSO, 12H,O; entre b y c la fase sólida es MgSO, 7H,O (sal de epsom); entre c y d los cristales son MgSO, 6H2O; y por encima del punto d los cristales son MgSO, H2O. En el área cihb el sistema en equilibrio consiste en mezclas de disolución saturada y MgSO, 7H2O cristalino. En el área dIjc la mezcla

consta de disolución saturada y cristales de MgSO, 6H2O. En el área qdk la mezcla es disolución saturada y MgSO, H2O.

RENDIMIENTOS

En muchos procesos industriales de cristalización, los cristales y las aguas madres están en contacto suficiente tiempo para alcanzar el equilibrio y las aguas madres están saturadas a la temperatura final del proceso. El rendimiento del proceso se puede calcular entonces a partir de la concentración de la disolución original y la solubilidad para la temperatura final. Si durante el proceso se produce una evaporación apreciable, ésta debe de ser conocida o estimada.Cuando la velocidad de crecimiento de los cristales es lenta se requiere un tiempo considerable para alcanzar el equilibrio. Esto se cumple especialmente cuando la disolución es viscosa o cuando los cristales se acumulan en el fondo del cristalizador, de forma que hay poca superficie de cristales expuesta a la disolución sobresaturada. En tales situaciones las aguas madres finales pueden retener una apreciable sobresaturación y el rendimiento real será menor que el calculado a partir de la curva de solubilidad.Si los cristales son anhidros, los cálculos del rendimiento son sencillos ya que la fase sólida no contiene disolvente. Cuando la cosecha contiene agua de cristalización es preciso tener en cuenta el agua que acompaña a los cristales, ya que esta agua no está disponible para el soluto que queda en disolución. Los datos de solubilidad se dan generalmente bien en partes de masa de material anhidro por cien partes de masa de disolvente total o en tanto por ciento en masa de soluto anhidro. Estos datos ignoran el agua de cristalización. La clave para los cálculos del rendimiento de solutos hidratados es expresar todas las masas y concentraciones en función de sal hidratada y libre de agua. Puesto que esta última cantidad es la que permanece en la fase líquida durante la cristalización, las concentraciones y cantidades basadas en el agua libre puede restarse para obtener el resultado correcto.

BIBLIOGRAFÍA

Introducción a la ingeniería química, Walter L. Badger y Julius T. Banchero, Mc Graw-Hill, págs. 550 y 551.

Operaciones unitarias en Ingeniería Química, Warren L. McCabe, Julian C. Smith y Peter Harriott, 4a. edición, Mc Graw-Hill, págs. 927-930.