Cristalizacion 4yo1r

UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO

Escuela Profesional de Ingeniería de Industrias Alimentarias INGENIERIA DE LOS ALIMENTOS III

CRISTALIZACI ÓN DOCENTE: Ing. Noemí León Roque ALUMNOS:  De la Cruz Caicedo Omar  Estrada Hernández Leonel  Farceque Córdova Dante  Mondragón Hernández Mirella  Noriega Quesnay Marcia

I. INTRODUCCIÓN La cristalización es un proceso de separación sólido-líquido en el que hay transferencia de masa de un soluto de la solución líquida a una fase cristalina sólida pura, formándose partículas sólidas a partir de una fase homogénea. Es una operación necesaria para la producción de productos que se presentan principalmente en forma de polvos o cristales. También es una técnica, empleada frecuentemente para la identificación, purificación y separación de substancias sólidas. En las cristalizaciones comerciales no sólo interesa el rendimiento y la pureza de los cristales, sino también el tamaño y forma de los mismos. La uniformidad del tamaño es indispensable para evitar apelmazamientos en el empaque, para facilitar la descarga, el lavado y el filtrado y para un comportamiento uniforme en su uso.

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II. OBJETIVOS  Definir la operación de cristalización.  Dar a conocer los diferentes sistemas cristalinos.  Explicar los etapas de la cristalización  Detallar los diferentes equipos utilizados en el proceso de cristalización.

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III. MARCO TEORICO Proceso físico por medio del cual es posible separar un componente de una mezcla, transformando y desarrollando un sólido cristalino. Los sólidos cristalinos o cristales se pueden obtenerse a partir de un gas, un líquido o una disolución.

1. DEFINICION Un cristal se puede definir como un sólido formado por átomos, iones o moléculas, que guardan una distribución ordenada y repetitiva. Es una de las formas de la materia más altamente organizadas. Los átomos, iones o moléculas están situados en redes tridimensionales o cristalinas.

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

Una vez formados los cristales se separan de la solución obteniéndose el soluto con un alto grado de pureza.

 En la cadena de operaciones unitarias de los procesos de fabricación, se ubica después de la evaporación y antes de la operación de secado de los cristales y envasado. 

Durante el proceso de cristalización los cristales deben formarse primero y luego crecer.

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3. ETAPAS DE LA CRISTALIZACION  El proceso tiene lugar en dos etapas:

NUCLEACION

CRECIMIENTO

SOBRESATURACI ON INGENIERIA DE ALIMENTOS III

Para generar la SOBRESATURACIÓN se pueden utilizar tres métodos distintos:  La solubilidad del soluto aumenta con la temperatura.  La solubilidad es relativamente independiente de la temperatura.  Si tanto el enfriamiento como la evaporación no resultan adecuados, como en el caso de solubilidad elevada, la sobresaturación se puede generar añadiendo un tercer componente.  El tercer componente puede actuar físicamente dando lugar a una mezcla con el disolvente original en la que la solubilidad del soluto disminuye bruscamente. INGENIERIA DE ALIMENTOS III

Existen siete clases de cristales, dependiendo de la distribución de los ejes a los que se refieren los ángulos: Sistema cúbico. Tres ejes iguales que forman ángulos rectos entre sí. Sistema tetragonal. Tres ejes que forman ángulos rectos entre sí, con uno de los ejes más largo que los otros dos. Sistema ortorrómbico. Tres ejes a ángulos rectos entre sí, todos de tamaño diferente. 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 de la misma longitud. Sistema monoclínico. Tres ejes desiguales, dos a ángulos rectos en un plano y el tercero formando cierto ángulo con dicho plano. Sistema triclínico. Tres ejes desiguales que forman ángulos desiguales entre sí que no son de 30”, 60” ni de 90”. Sistema trigonal. Tres ejes iguales con la misma inclinación. INGENIERIA DE ALIMENTOS III

Figura N° 1: Sistemas cristalinos 

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3. METODOS DE CRISTALIZACION Para la obtención de los sólidos cristalinos, se han desarrollado varios métodos, •como : Evaporando el disolvente se consigue igualmente que Evaporación del empiecen a cristalizar los sólidos disueltos cuando se disolvente alcanza el límite de su solubilidad (Sobresaturación).

Sublimación Solubilidad Polaridad Fusión

• Los vapores formados condensan en zonas más frías ofrecidas, pasando habitualmente directamente del estado gaseoso al sólido,(resublimación), dejando atrás las posibles impurezas • Preparando una disolución concentrada a altas temperaturas y enfriándola posteriormente se puede conseguir que cristalice esencialmente el compuesto principal • Preparando una disolución concentrada de una sustancia en un buen disolvente y añadiendo un disolvente pero que es miscible con el primero •

Se funde la sustancia a cristalizar, para posteriormente dejarla enfriar, apareciendo los cristales sobre las paredes del recipiente

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La cristalización por enfriamiento de soluciones saturadas conti núa siendo el método predominante y el de más extenso uso. Las solu ciones sobresaturadas empleadas para la cristalización pueden, proceder de la disolución de Figura materias N° brutas2:o de evaporación Esquema de desoluciones un diluiproceso das. completo de cristalización

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4. SOLUBILIDAD DE EQUILIBRIO EN LA CRISTALIZACIÓN El equilibrio en la cristalización se alcanza cuando la solución o licor madre está saturado. Esto se representa mediante una curva de solubilidad. La solubilidad depende principalmente de la temperatura, mientras que la presión tiene un efecto despreciable sobre ella. Los datos se expresan en forma de curvas en las que se grafica la solubilidad en unidades convenientes en función de la temperatura. Muchos manuales de química incluyen tablas de solubilidad.

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Figura N° 3. Curvas de solubilidad en agua de algunas sales típicas.

En la figura N°3 se incluyen las curvas de solubilidad de algunas sales típicas. En general, la solubilidad de la mayoría de las sales aumenta ligera o notablemente al aumentar la temperatura.

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Los datos experimentales de equilibrio sirven de base para la evaluación de las diversas opciones que existen para llevar a cabo un proceso de cristalización ya que permite entre otras cosas: Determinar si el sólido que se cristaliza solo contiene el soluto de interés  Seleccionar el solvente Establecer operación

el

rango

de

temperatura

y

presión

de

Conocer la concentración del liquido de salida del cristalizador Determinar la recuperación operación INGENIERIA DE ALIMENTOS III

máxima

posible

de

la

El conocimiento del comportamiento de la solubilidad de una sustancia es básico en la selección del modo para realizar su cristalización: Región estable.

meta

Región intermedia. Región lábil. INGENIERIA DE ALIMENTOS III

El conocimiento de la región de sobresaturación permite determinar regiones de operación. A. Operación Intermitente:  Propósito: lograr un tamaño de cristal lo mas uniforme posible  Grado de sobresaturación: Región meta estable, crecimiento de cristales ya existentes y no formación de nuevos núcleos B. Operación continua:  Propósito: Crecimiento y formación de nuevos núcleos  Grado de sobresaturación: Limite inferior de la región Intermedia. 

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5. RENDIMIENTOS Y BALANCES DE MATERIA Y DE CALOR EN LA CRISTALIZACIÓN

A. Rendimientos y balances de materia en la cristalización. El rendimiento de cristales de un proceso de cristalización se puede calcular con sólo conocer la concentración inicial del soluto, la temperatura final y la solubilidad a esa temperatura. Los balances de material se efectúan mediante cálculos bastante simples cuando los cristales de soluto son anhidros. Se procede entonces a balances simples de agua y soluto. Cuando los cristales están hidratados, parte del agua de la solución se une a los cristales hidratados.

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B. Efectos térmicos y balances de calor en la cristalización. En la cristalización ocurre lo contrario de la disolución. En el equilibrio, el calor de cristalización es igual al negativo del calor de disolución a la misma concentración de la solución. Si el calor de dilución de la solución saturada hasta dilución infinita es pequeño y se puede despreciar, se usa entonces el negativo del calor de disolución a dilución infinita como calor de cristalización. En muchos materiales, este calor de dilución es pequeño en comparación con el calor de disolución, por lo que esta aproximación resulta bastante cercana a la realidad.

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El método más satisfactorio para el cálculo de los efectos térmicos durante un proceso de cristalización probablemente sea el que se basa en el uso de las gráficas de entalpía-concentración de soluciones con las diversas fases sólidas presentes en el sistema. No obstante, hay muy pocas gráficas de este tipo disponibles, entre ellas: cloruro de calcio-agua, sulfato de magnesio-agua y sulfato ferroso-agua. Cuando se dispone de la gráfica, se aplica el siguiente procedimiento: se lee en la gráfica la entalpía H, de la solución de entrada a la temperatura inicial, donde H1se da en kJ (btu) para la alimentación total. La entalpía H 2 de la mezcla final de cristales y licor madre a la temperatura final también se lee en la gráfica. Si hay algo de evaporación, la entalpía Hv, del vapor de agua se obtiene de las tablas de vapor. Entonces, el calor total absorbido q en KJ es:   Si q es positivo, es necesario añadir calor al sistema. Si es negativo, se desprende calor.

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6. VELOCIDAD DE CRISTALIZACIÓN La velocidad de crecimiento de un cristal es conocida como velocidad de cristalización. La cristalización puede ocurrir solo con soluciones sobresaturadas. El crecimiento ocurre primero con la formación del núcleo, y luego con su crecimiento gradual. En concentraciones arriba de la sobresaturación, la nucleación es concebida como espontánea, y rápida. Ha sido observado que la velocidad de cristalización se ajusta a la siguiente ecuación: Los valores del exponente m se encuentran del 2 a 9, pero no ha sido correlacionada como valor cuantitativo que se pueda estimar. Esta velocidad es media contando el número de cristales formados en periodos determinados de tiempo.

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en Donde : C N  Concentrac ión de Nucleación C  Concentrac ión Final C 0  Concentrac ión Inicial k  Constante de Proporcion alidad θ  Tiempo de residencia

7. IMPORTANCIA DE LA CRISTALIZACION

Por los diferentes materiales que comercializados en forma de cristales.

pueden

ser

Por la gran pureza y la forma atractiva del producto sólido, que se puede obtener a partir de soluciones relativamente impuras en un solo paso de procesamiento. La cristalización requiere mucho menos para la separación que lo que requiere la destilación y otros métodos de purificación utilizados comúnmente. INGENIERIA DE ALIMENTOS III

Puede realizar a temperaturas relativamente bajas y a una escala que varía desde unos cuantos gramos hasta miles de toneladas diarias. Puede realizarse a partir de un vapor, una fusión o una solución. La mayor parte de las aplicaciones industriales de la operación incluyen la cristalización a partir de soluciones INGENIERIA DE ALIMENTOS III

VENTAJAS

DESVENTAJAS

Se puede obtener en una sola etapa un En general, ni se puede purificar más de un producto de una pureza de hasta 99%

componente ni recuperar todo el soluto en una única etapa. Es necesario equipo adicional para retirar el soluto restante de las aguas

madres Se puede controlar la cristalización de tal La operación implica el manejo de sólidos, con manera que se produzcan cristales uniformes los que

faciliten

su

manejo,

empaque

almacenamiento

inconvenientes

tecnológicos

que

esto

y conlleva. En la práctica supone una secuencia de procesado de sólidos, que incluye equipos de cristalización junto con otros de separación

solido-liquido y de secado.  La cristalización mejora la apariencia del   producto para comercialización Es una operación que puede llevarse a cabo a   temperaturas moderadas

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8. APLICACIONES DE LA CRISTALIZACION

Las empresas químicas, biofarmacéuticas e industrias están actualmente sometidas a presiones para desarrollar más rápidamente procesos de cristalización escalables, a menor coste y con mayor calidad. Por ello se ven obligadas a controlar las condiciones de cristalización para mejorar los tiempos de ciclo y optimizar la calidad del producto.   INGENIERIA DE ALIMENTOS III  

A. PROCESOS DE CRISTALIZACION QUE IMPLICAN SEPARACIÓN DE FASES, EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA FRACCIONAMIENTO DE LAS GRASAS     CONCENTRACIÓN POR CONGELACIÓN FABRICACIÓN DE SAL FABRICACIÓN DE AZÚCAR INGENIERIA DE ALIMENTOS III

Aceite de semilla de algodón, de soya, mayonesa. Concentración de zumos cítricos, vinagre. Enriquecimiento de alcohol en vinos.

B. PROCESOS DE CRISTALIZACIÓN, QUE NO IMPLICAN SEPARACIÓN DE FASES, EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA LA CRISTALIZACIÓN DE LA SACAROSA EN LOS ALIMENTOS     CRISTALIZACIÓN DEL HIELO EN LOS ALIMENTOS CRISTALIZACIÓN DE LA LACTOSA EN LOS ALIMENTOS CRISTALIZACIÓN DE LA GRASA INGENIERIA DE ALIMENTOS III

EQUIPOS PARA CRISTALIZACI ON

9. EQUIPOS PARA CRISTALIZACIÓN

Los cristalizadores comerciales pueden operara de forma continua o por cargas, excepto para aplicaciones especiales, pero es preferible la operación continua. Condiciones de los Cristalizadores:  Crear una solución sobresaturada, ya que la cristalización no se puede producir sin sobresaturación.  El medio utilizado para producir la sobresaturación depende esencialmente de la curva de solubilidad de cada soluto.  Existen compuestos que poseen curvas de solubilidad invertida y se hacen mas solubles a medida que la temperatura disminuye.  Para cristalizar estos materiales se precisa crear la sobresaturación mediante evaporación. En los casos intermedios resulta útil la de evaporación y de enfriamiento. INGENIERIA DEcombinación ALIMENTOS III

9. EQUIPOS PARA CRISTALIZACIÓN A. CRISTALIZADOR DE ENFRIAMIENTO SUPERFICIAL Este tipo de equipo produce cristales de malla 30 a 100. El diseño se basa en las velocidades isibles de intercambio de calor y la retención que se requiere para el crecimiento de los cristales de producto. Para algunos materiales, como el clorato de potasio, se utiliza este Cristalizador de tubo de extracción que esta combinado con un intercambiador de tubo y coraza de circulación forzada

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FIGURA N°6. Cristalizador de enfriamiento superficial

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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 Cuando no se necesita evaporación Con líquidos de baja viscosidad

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CRISTALIZADOR DE SUSPENSIÓN MEZCLADA Y DE RETIRO DE PRODUCTO COMBINADO

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Llamado también cristalizador de magma circulante, es el más importante

de

los

que

se

utilizan en la actualidad. Aun cuando

se

características

incluyen y

ciertas

variedades

diferentes en esta clasificación, el equipo que funciona a la capacidad mas elevada es del tipo en que se produce por lo común la vaporización de un disolvente, casi siempre agua.  INGENIERIA DE ALIMENTOS III

CRISTALIZADOR DE EVAPORACIÓN DE CIRCULACIÓN FORZADA

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La lechada que sale del cuerpo bombea a través de una tubería de circulación y por un intercambiador de de calor coraza, donde su temperatura se eleva de 2 a 6 °C. puesto que este calentamiento se realiza sin vaporización, los materiales de solubilidad normal no deberán producir sedimentación en los tubos. El licor calentado, que regresa al cuerpo mediante de 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 liquido.

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CRISTALIZADOR EVAPORADOR DE DESVIADOR Y TUBO DE EXTRACCIÓN (DTB).

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  Ventajas  Bajos costes operativos  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 continúa

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CRISTALIZADOR DE TUBO DE EXTRACCIÓN

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Ventajas: Económico si hay agua de refrigeración disponible Bajos costos operativos Largos ciclos operativos El tamaño del cristal puede controlarse. La gama de tamaños de cristal puede seleccionarse.

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Aplicaciones: Se utiliza cuando puede alcanzarse la densidad del lodo necesaria de manera espontanea. Se utiliza para casos de cristalización con una baja velocidad de asentamiento de cristales.

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CRISTALIZADORES DE TANQUES

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La cristalización en tanques (un método antiguo que todavía se usa en casos especiales); este tipo de cristalizador es el más sencillo y más barato; consiste en un depósito abierto, que puede ser utilizado como cristalizador por evaporación o como cristalizador por enfriamiento.

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¿COMO ELEGIR UN CRISTALIZADOR?

PODER DEL SOLVENTE

PUREZA

FACTORES A CONSIDERAR

REACTIVIDAD QUIMICA

MANEJO Y PROCESAMIENT O

RENDIMIENTO DE UN CRISTALIZADOR El rendimiento del proceso se calcula entonces a partir de la concentración de la solución original y la solubilidad para la temperatura final. Cuando la velocidad de crecimiento de los cristales es lenta se requiere un tiempo considerable para alcanzar el equilibrio. Esto se cumple en especial cuando la solución es viscosa o cuando los cristales se acumulan en el fondo del cristalizador, de forma que hay poca superficie de cristales expuestas a la solución sobresaturada.

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EJERCICIOS

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EJEMPLO: En un cristalizador se alimentan 5600 kg/h de una disolución salina caliente con una concentración del 50% en peso de sal. Al enfriar cristaliza la sal, separándose una disolución fría saturada con un 20% en peso de sal y cristales húmedos con un 5% en peso de agua. * Calcular los caudales másicos de disolución y de cristales húmedos que salen del cristalizador.

DESARROLLO

Base de cálculo: 1hora  

Q entrada = Q sal + Q disolución

DESARROLLO Balance de sal: 5600kg/h * 1h * 0.5 = Q sal * 1h * 0.95 + Q disolución * 1h * 0.2 2800 kg = Q sal * 0.95h + Q disolución * 0.2h (ec. 1)

Balande de agua: 5600kg/h * 1h * 0.5 = Q sal * 1h * 0.05 + Q disolución * 1h * 0.8 2800 kg = Q sal * 0.05h + Q disolución * 0.8h (ec. 2)

DESARROLLO Al igualar ecuación 1 y 2: Q sal = 2240 kg/h

Q disolución = 3360 kg/h

Rendimiento: Sale/Entra => Producto/ Alimentación

(2240 kg/h * 1h * 0.95) / (5600 kg/h * 1h *0.5) (2128 kg sal/h) / (2800 kg sal/h) * 100% 76 %

IV. CONCLUSIONES La operación de cristalización consiste en separar un soluto de una solución mediante la formación de cristales de este en el seno de la solución. Existen siete clases de cristales, dependiendo de la distribución de los ejes a los que se refieren los ángulos:       

Sistema Sistema Sistema Sistema Sistema Sistema Sistema

cúbico. tetragonal. ortorrómbico. hexagonal. monoclínico. triclínico. trigonal.

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IV. CONCLUSIONES La cristalización de un soluto partiendo de una solución puede efectuarse por tres diferentes métodos:  Cristalización por expulsión del disolvente. Por este método la eliminación del solvente puro es lograda generalmente por una evaporación.  Cristalización por enfriamiento de soluciones saturadas. Este método involucra un cambio de temperatura.  Métodos especiales. La cristalización puede efectuarse haciendo un cambio en la naturaleza del sistema, por ejemplo, sales inorgánicas pueden inducirse a cristalización a partir de soluciones acuosas por la adición de alcohol.

Entre los diferentes equipos para cristalización encontramos  Cristalizador de enfriamiento superficial  Cristalizador de evaporación de circulación forzada  Cristalizador evaporador de desviador y tubo de extracción (DTB).  Cristalizador de tubo de extracción  Cristalizadores de tanques  Cristalizadores con raspadores de superficie 

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V. BIBLIOGRAFÍA BROWM. Operaciones básicas de la ingeniería química. Editorial Marín. Mexico.  EARLE R.L. Ingeniería de los alientos. Editorial Acribia. España. GEANKOPLIS, C.J. 1986. Proceso de transporte y operaciones unitarias. Editorial Continental. México. https://procesosbio.wikispaces.com/file/view/Equipos+de+cristalizaci %C3%B3n.pdf http://es.wikipedia.org/wiki/Cristalizaci%C3%B3n+ http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/yoanacastillo/materias/ope_4/cristalizacio n.pdf http://operacionesunitariaspcga.blogspot.com/2010/08/cristalizacion.html http://sgpwe.izt.uam.mx/files/s/uami/sho/Cristalizacion.pdf

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