7/23/2019 Cristalizadores - Maquinaria Ind.
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Ao de la diversifcacin productiva y del ortalecimiento de la
educacin
UNIVERSIDAD NAI!NA"
#SAN "UIS $!N%A$A DEIA
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y PETROQUIMICA
ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA
CRISTALIZADORESTRABAJO MONOGRFICO
MATERIA: MAQUINARIA INDUSTRIAL Y SELECCIN DE EQUIPOS
DOCENTE:Ing. JUAN ALFREDO TOLEDO HUAMN
PRESENTADO POR:
CONTRERAS DEL RIO, FLOR GOY PEREZ, ROBERTO ORELLANA GLVEZ. GUILLERMO PALOMINO ESPINOZA, MILAGROS DE PILAR SARMIENTO ESPARZA, DIANA MILAGROS VILCHEZ AUCCASI, FRANKLIN
CICLO: IX B
ICA PER
2015
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INDICE
%&' IN(RODUCCION)))))))))))))))))))))))))))))))))))&& *
+&' DESCRI,CI-N)))))))))))))))))))))))))))))))&))))&& &.
+&%&' /aterial)))))))))))))))))))))))))))))))))
))) 0+&+&' Venta1as))))))))))))))))))))))))))))))))))))& 0+&*&' SectoresA2licables))))))))))))))))))))))))))))))))&&0
*&' (I,OS
*&%&cristali3adoresdiscontinuos))))))))))))))))))))))))))))4*&%&%&' cristali3adores de tan5ues))))&&&)))))))&&)))))&))))&))))&&6*&%&+&' cristali3adores 2or e7a2oraci8n))))))))&)))&))))))))))))&6*&%&*&' Cristali3adores de 7aco)))))))))))))&)))))))))))&))))9
*&+&' Cristali3adores
continuos)))))))))))))))))))))))&))))&&&%: *&+&%&' Cristali3adores con ras2adores desu2er;cie)))))))&))))))&&))&%: *&+&+&' Cristali3adores Oslo)))))))))&))))))))))))))))))&&&))&%% *&+&*&' Cristali3adores de tubo de extracci8n
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.&' ,RINCI,IOS DE O,ERACI-N)))))))))))))))))))))))))))))))&%0
.&%&'@uncionamiento)))))))))&
)))))))))))))))))))&&))))&%4
0&' CLCULOS
0&%&' ?alance de materia en cristali3adores))))))))))&))))))))))%6
0&+&' Velocidad de cristali3aci8n))))))))))))))))))&)))))))))%9
0&*&' Rendimiento de un cristali3ador&)))))))))))))))))))))))&&%9
4&' USOS A,LICACIONES)))))))))))))))))))))))))))))))&)))+0
6&' ?I?LIO"RAIA))))))))))))))))))))))))))))))))))))&))&&+4
1.- INTRODUCCIN
Laoperacin de cristalizacin consiste en separar un soluto de una solucinmediante la
formacin de cristales de ste en el seno de la solucin.Una vez formados los cristales
se separan de la solucin obtenindose el soluto con un alto grado de pureza. Durante el
proceso de cristalizacin los cristales deben formarse primero y luego crecer. El
fenmeno de formacin de pequeos cristales se le llama nucleacin y a la formacin
capa por capa del cristal se le llama crecimiento. La sobresaturacin es la fuerza
impulsora tanto de la nucleacin como del crecimiento de los cristales. Las mquinas
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encargadas de realizar este tipo de proceso reciben el nombre de cristalizadores los
cuales operan de forma continua o por cargas e!cepto para algunas aplicaciones
especiales es preferible la operacin continua. La primera condicin que debe de
cumplir un cristalizador es crear una solucin sobresaturada ya que la cristalizacin no
se puede producir sin sobresaturacin. El medio utilizado para producir la
sobresaturacin depende esencialmente de la solubilidad del soluto. "lgunos solutos
como la sal com#n tiene solubilidades que son prcticamente independientes de la
temperatura mientras que otros como el sulfato sdico an$idro y el carbonato sdico
mono$idratado poseen de solubilidad invertida y se $acen ms solubles a medida que la
temperatura disminuye [1]. %uc$os productos de uso domstico y a nivel industrial
actualmente son obtenidos por el uso de cristalizadores por lo que el presente traba&o
dar mencin en general acerca de estas mquinas su descripcin tipos principios de
operacin y sus aplicaciones.
2.- DESCRIPCIN
El cristalizador es un dispositivo destinado a reducir al estado slido en forma de
cristales las sales disueltas en una solucin acuosa. Esto ocurre gracias a material
granular como minerales en forma de sustento fluido' como un reactor granular. Los
acumulos se mueven $acia el fondo del reactor. La fuerza reactora del sistema es una
dosis determinada de reactor y el a&uste de p(. )o se produce residuo alguno.
El sistema consiste de los siguientes elementos*
+eactor cil,ndrico en donde el agua a depurar entra por el fondo y el agua
depurada sale por la parte superior.
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El material granular ya sea arena o minerales que mantienen las condiciones de
fluidez del lec$o.
Un sistema de circulacin con una bomba de recirculacin.
La velocidad del efluente que entra por la parte inferior del reactor -/ 0 12/ m3$4
mantiene de forma estable las condiciones del lec$o de manera que e!iste una super0
saturacin relativa muy alta.
El lec$o fluido proporciona una gran rea para la reaccin de cristalizacin de forma
rpida y controlada -5./// 0 1/./// m23m64. 7asi todos los aniones y sustancias que
contienen metales se cristalizan en los grnulos. 8eridicamente -normalmente una vez
al d,a4 una parte de los grnulos se reemplaza por nuevo material.
El principio del sistema de circulacin es mezclar el agua contaminada que entra en el
sistema con la corriente en circulacin de aniones o concentraciones metlicas. 7on esta
tcnica se puede tratar todo tipo de aguas residuales con concentraciones entre 1/ 0
1//./// ppm a&ustando el grado de circulacin. El agua de esta forma depurada se
puede pulir mediante filtro mineral o mediante filtracin por membrana -se puede
instalar dentro del sistema4. Las part,culas granulares eliminadas por el cristalizador se
vuelven a redisolver mezclndola con cidos que retorna al reactor.
2.1.- MATERIAL:
Los cristalizadores se construyen con alg#n tipo acero sin embargo muc$as
disoluciones atacan a los materiales ferrosos y se produce contaminacin. En estos
casos se utilizan de materiales especiales tales como el cobre n,quel acero ino!idable yplomo.
2.2.- VENTAJAS:
)o se producen residuos
El agua depurada se puede utilizar en otros procesos productivos
9e puede obtener en una sola etapa un producto de una pureza de $asta ::;
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9e puede controlar la cristalizacin de tal manera que se produzcan cristales
uniformes que faciliten su mane&o empaque y almacenamiento
La cristalizacin me&ora la apariencia del producto para comercializacin
Es una operacin que puede llevarse a cabo a temperaturas moderadas
2.3.- SECTORES APLICABLES:
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2.0 sobresaturacin producida por evaporacin del disolvente con poco enfriamiento o
sin enfriamiento > evaporadores > cristalizadores.
6.0 sobresaturacin por combinacin de enfriamiento y evaporacin en evaporadores
adiabticos -cristales al vac,o4.
.09obresaturacin producida por reaccin y salting0out.
3.1.- CRISTALIZADORES DISCONTINUOS
7ristalizacin por lotes se utiliza com#nmente en la industria qu,mica farmacutica
fotogrficas y en muc$as otras industrias. E!isten varias caracter,sticas deseablesasociadas con la cristalizacin por lotes puesto que el equipo es relativamente simple y
fle!ible y requiere un nivel relativamente ba&o de mantenimiento.
" este tipo de cristalizadores tambin se le llama cristalizacin por lotes o batc$ su
principal diferencia con el proceso de cristalizacin contin#a es la forma de retirar de
producto puesto que para ste sistema la retirada de los cristales se realiza solo una vez
al final del proceso.
3.1.1.- Cris!"i#!$%r&s $& !'()&s
La cristalizacin en tanques -un mtodo antiguo que todav,a se usa en casos especiales4'
este tipo de cristalizador es el ms sencillo y ms barato' consiste en un depsito
abierto que puede ser utilizado como cristalizador por evaporacin o como cristalizador
por enfriamiento.
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3.1.2.- Cris!"i#!$%r&s *%r &+!*%r!,i'
Estos cristalizadores constan de una tuber,a de circulacin y de un intercambiador de
calor de coraza. Este calentamiento se realiza sin vaporacin y los materiales de
solubilidad normal no deben producir sedimentacin en los tubos.
La cantidad y la velocidad de la recirculacin el tamao del cuerpo y el tipo y la
velocidad de la bomba de circulacin son conceptos cr,ticos de diseo para poder
obtener resultados predecibles.
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3.1.3.- Cris!"i#!$%r&s $& +!,%
Las unidades de vac,o utilizan el enfriamiento por evaporacin adiabtica para generar
la sobresaturacin. Un cristalizador de este tipo es un recipiente cerrado en el que se
mantiene el vac,o por medio de un condensador.
?eneralmente con la ayuda de una bomba de vac,o tipo eyector de vapor. La lec$ada
que sale del cuerpo se bombea a travs de una tuber,a de circulacin y por un
intercambiador de calor de coraza donde su temperatura se eleva de 2 a @ A7. puesto
que este calentamiento se realiza sin vaporizacin los materiales de solubilidad normal
no debern producir sedimentacin en los tubos. El licor calentado que regresa al
cuerpo mediante una l,nea de recirculacin se mezcla con la lec$ada y eleva su
temperatura localmente cerca del punto de entrada lo que provoca la ebullicin en la
superficie del l,quido.
Durante el enfriamiento subsiguiente y la vaporizacin para alcanzar el equilibrio entre
el l,quido y el vapor la sobresaturacin que se crea provoca sedimentaciones en elcuerpo de remolino de los cristales suspendidos $asta que vuelven a ale&arse por la
tuber,a de circulacin. La cantidad y la velocidad de la recirculacin el tamao del
cuerpo y el tipo y la velocidad de la bomba de circulacin son conceptos cr,ticos de
diseo para poder obtener resultados predecibles. 9i el cristalizador no es del tipo de
evaporacin y depende slo del enfriamiento adiabtico de evaporacin para lograr un
buen rendimiento se omitir el elemento calentador. La alimentacin se admite a la
l,nea de circulacin despus de retirar la lec$ada en un punto situado suficientemente
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por deba&o de la superficie libre del l,quido para evitar la vaporizacin instantnea
durante el proceso de mezclado.
3.2.- CRISTALIZADORES CONTINUOS
8odemos encontrar los cristalizadores que utilizan la combinacin de diferentes
dispositivos para obtener un cristal los cuales son* la evaporacin enfriamiento la
agitacin bombas deflectores y el vac,o.
3.2.1.- Cris!"i#!$%r&s ,%' r!s*!$%r&s $& s)*&r/i,i&
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Un tipo de cristalizador con raspadores de superficie es el de 9Benson > Caler que
consiste en una artesa abierta de /.@m de anc$o con fondo semicircular y c$aqueta de
enfriamiento en el e!terior. La rotacin a ba&a velocidad de un agitador en espiral
mantiene los cristales en suspensin. Las aspas pasan cerca de las paredes y rompen los
depsitos que se forman en la superficie de enfriamiento.
3.2.2.- Cris!"i#!$%r %s"%
9e utiliza en soluciones de sales en las que la solubilidad depende menos de la
temperatura entre los e&emplos t,picos de l,quidos aptos para cristalizadores de
circulacin forzada* sulfatos de sodio cloruro de sodio sulfatos de n,quel cloruro de
potasio. Este cristalizador es una alternativa econmica cuando el tamao del producto
es menos importante.
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3.2.3.- Cris!"i#!$%r $& )0% $& &r!,,i' DT
Este cristalizador se puede emplear en sistemas en que no se desea ni se necesita la
destruccin de las part,culas finas. En esos casos se omite el desviador y se determina el
tamao del circulador interno para que tenga una influencia m,nima de nucleacin sobre
la suspensin. En los cristalizadores D= y D= la velocidad de circulacin que se
alcanza suele ser muc$o mayor que la que se obtiene en un cristalizador similar de
circulacin forzada. 8or tanto el equipo se aplica cuando sea necesario $acer circulargrandes cantidades de lec$ada para minimizar los niveles de sobresaturacin dentro del
equipo.
En general mtodo se requiere para tener ciclos operacionales prolongados con
materiales capaces de crecer en las paredes del cristalizador. Los diseos de tubo de
e!traccin y desviador se utilizan com#nmente para la produccin de materiales
granulares de malla F a la 6/ como el sulfato de amonio cloruro de potasio y otros
cristales inorgnicos y orgnicos.
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3.2.4.- Cris!"i#!$%r &+!*%r!$%r $& $&s+i!$%r 5 )0% $& &r!,,i' DTB
8uesto que la circulacin mecnica influye considerablemente en el nivel de nucleacin
dentro del cristalizador se $an desarrollado muc$os diseos que utilizan circuladores
situados dentro del cuerpo del cristalizador reduciendo en esta forma la carga de
bombeo que se e&erce sobre el circulador. Esta tcnica reduce el consumo de potencia y
la velocidad de punta del circulador y por ende la rapidez de nucleacin. La suspensin
de los cristales de productos se mantiene mediante una $lice grande y de movimiento
lento rodeada por un tubo de e!traccin dentro del cuerpo.
La $lice dirige la lec$ada $acia la superficie del l,quido para evitar que lo slidos
pongan en cortocircuito la zona de sobresaturacin ms intensa. La lec$ada enfriadaregresa al fondo del recipiente y vuelve a recircular a travs de la $lice.
En esta #ltima la solucin calentada se mezcla con la lec$ada de recirculacin. Este
diseo consta de una caracter,stica de destruccin de part,culas finas que comprende la
zona de asentamiento que rodea al cuerpo del cristalizador la bomba de circulacin y el
elemento calentador. Este #ltimo proporciona suficiente calor para satisfacer los
requisitos de evaporacin y elevan la temperatura de la solucin retirada del asentador
con el fin de destruir todas las part,culas cristalinas pequeas que se retiran. Los
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cristales gruesos se separan de las part,culas finas en la zona de asentamiento por
sedimentacin gravitacional.
3.3.- CRISTALIZADOR POR EN6RIAMIENTO
Esta operacin puede ser continua o por lotes la operacin por lotes se aplica cuando el
caudal de l,quido es relativamente ba&o para la operacin continua. 7uando no se
necesita evaporacin con l,quidos de ba&a viscosidad.
Entre sus venta&as pueden lograrse cristales de buenas dimensiones al utilizar un medio
de refrigeracin distinto del agua pueden alcanzarse temperaturas bastante ba&as. 8ara
algunos materiales como el clorato de potasio es posible utilizar un intercambiador de
tubo y coraza de circulacin forzada en combinacin directa con un cuerpo de
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cristalizador de tubo de e!traccin. Es preciso prestar una atencin cuidadosa a la
diferencia de temperatura entre el medio enfriador y la lec$ada que circula por los tubos
del intercambiador. "dems la trayectoria y la velocidad de flu&o de la lec$ada dentro
del cuerpo del cristalizador deben ser de tal ,ndole que el volumen contenido en el
cuerpo sea activo. Esto quiere decir que puede $aber cristales suspendidos dentro del
cuerpo debido a la turbulencia y que son eficaces para aliviar la sobresaturacin creada
por la reduccin de temperatura de la lec$ada al pasar por el intercambiador.
Evidentemente la bomba de circulacin es parte del sistema de cristalizacin y es
preciso prestar atencin cuidadosa a este tipo y sus parmetros operacionales para evitar
influencias indebidas de la nucleacin. Este tipo de equipo produce cristales en la gama
de malla de 6/ a 1//. El diseo se basa en las velocidades admisibles de intercambio de
calor y la retencin que se requiere para el crecimiento de los cristales de producto.
4.- PRINCIPIOS DE OPERACIN
Debido a la amplia variedad de requerimientos para diferentes aplicaciones es raro
encontrarse que equipos en diferentes sitios sean idnticos sin embargo algunos
principios bsicos aplican para el funcionamiento de cada unidad individual. Estos
principios bsicos son*
1. 7ontrolar el nivel de sobresaturacin correspondiente a ba&as velocidades de
formacin de n#cleos.
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2. %antener un n#mero suficiente de cristales de siembra en suspensin de manera tal
que $aya suficiente rea superficial de la suspensin para la deposicin del soluto.
6. 8oner en contacto los cristales de siembra con la suspensin tan pronto como sea
posible para evitar prdidas debido al decaimiento del tiempo.
. +emover el e!ceso de n#cleos tan pronto como sea posible despus de su formacin.
5. %inimizar la nucleacin secundaria manteniendo la entrada de energ,a mecnica y el
frotamiento de cristales tan ba&o como sea posible.
@. %antener una densidad del magma tan alta como sea posible en general mientras
mayor es la densidad del magma mayor es el tamao promedio de los cristales.
G. %inimizar la acumulacin de slidos por eliminacin de gradientes localizados de
transferencia de masa y calor -puntos calientes o fr,os4 evitar restricciones innecesarias
de flu&o y operar a gradientes de temperatura o de sobresaturacin tan ba&os como sea
posible.
F. 8roveer un ambiente qu,mico -es decir impurezas aditivos etc4 que favorezca la
forma y crecimiento de los cristales.
4.1.- 6)',i%'!7i&'%
El aire pasa a travs del lec$o de material que se encuentra en la tolva de agitacin
donde se absorbe el calor. El material amorfo comenzar a cristalizarse a su temperatura
de transmisin v,trea -t,picamente F2.2A7 > :6.6A74. Las $o&as del barreno del agitador
que se encuentra en el interior de la tolva giran suavemente para levantar y $acer girar el
material. Esta accin previene la aglomeracin del material durante la transmisin entre
el estado amorfo y el cristalino.
Una vez que se alcanza el perfil de temperatura programado dentro de la tolva deagitacin el cristalizador suministrar el material cristalino listo para ser secado y
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procesado. El sistema tambin tiene la capacidad de permitir que el material se enfri a
una temperatura pre0programada dentro de la tolva de agitacin antes de la entrega.
8uede utilizarse una cargadora de alta temperatura con el sistema para cargar material
amorfo en la parte superior de la tolva de agitacin a fin de mantener la tolva llena.HI
8.- C9LCULOS
8.1.- B!"!',& $& 7!&ri! &' ,ris!"i#!$%r&s
El balance total de masa en el cristalizador es una simple separacin
isotrmica de ambas fases a la cual es aplicable del principio de la palanca
sobre la l,nea $orizontal de la isoterma de operacin*
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7ristales* 7 J7 $7Disolvente* E JE (E
CRIS(ALI#A
DORDisolvente* C
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B!"!',& *%r ,%7*%'&'& s%"+&'&:J.MJE.ENJ9.9NJ7.7
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8.3.- V&"%,i$!$ $& ,ris!"i#!,i'
La velocidad de crecimiento de un cristal es conocida como velocidad de cristalizacin.
La cristalizacin puede ocurrir solo con soluciones sobresaturadas. El crecimiento
ocurre primero con la formacin del n#cleo y luego con su crecimiento gradual. En
concentraciones arriba de la sobresaturacin la nucleacin es concebida como
espontanea y rpida.
(a sido observado que la velocidad de cristalizacin se a&usta a la siguiente ecuacin*
Dnde*
dCN
d =k(CC
0)m
CN
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7uando la velocidad de crecimiento de los cristales es lenta se requiere untiempo considerable para alcanzar el equilibrio. Esto se cumple en especialcuando la solucin es viscosa o cuando los cristales se acumulan en elfondo del cristalizador de forma que $ay poca superficie de cristales
e!puestas a la solucin sobresaturada.
+E)D
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S!"UI&N'
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PROBLEMA 2:
Dibu&ar un Diagrama de flu&o para un cristalizador en el que entran 1// g de az#car concentrado conteniendo un F5; de sacarosa
y 1; de inerte soluble. "l disminuir la temperatura el az#car cristaliza. Una centr,fuga separa los cristales del l,quido llamado
Plicor madreQ. La corriente de cristales $#medos tiene como 2/; de su peso un l,quido con la misma composicin que el licor
madre. El licor madre contiene un @/; de sacarosa en peso. 7alcular los flu&os y composicioes de todas las corrientes.
BALANCE DE A@UA:
BALANCE A LAS IMPUREZAS:
CRIS(ALI#ADORES ,Bina ++
C G Cristales Hlicor madre
+: licor madre
9: cristales
S GA3Jcar
%::KB
90Sacarosa
% Inerte
RIS(A"I%A
/ G licor madre4: sacarosa
im2ure3as
% M
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S < C M
)** + ,-
- + )** .
S / * 01 2 + - / * 3 , / * 4 / * 3 , / * 0
)** / *201 + - / *23 , / *2)4 , / *20
01 + 5)**678*23 , 8*24 / *23 , 8*20
+ 90 :;
- + )** 6 90 + 44 :;
CRIS(ALI#ADORES ,Bina +*
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.- USOS APLICACIONES
Las empresas qu,micas y biofarmacuticas estn actualmente sometidas a presiones para
desarrollar ms rpidamente procesos de cristalizacin escalables a menor precio y
mayor calidad. 8or ello se ven obligados a controlar las condiciones de cristalizacin
para me&orar los tiempos de ciclo y optimizar la calidad del producto.
Entre los productos ms conocidos que se obtienen mediante cristalizadores destacan*
Sulfato(s) de:n,quel sodio magnesio cobre $ierro manganeso amonio cidos orgnicos: c,trico benzoico but,rico sorbico brico tartrico
fumrico o!lico adipico Oeso =amices moleculares )itrato de plata Urea Scidos grasos
"ceites vegetales "z#car 7lorobenceno 7olorantes orgnicos Etc H@I
.- BIBLIO@RA6IA
CRIS(ALI#ADORES ,Bina +.
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6UENTES DE IN6ORMACIN
H1I.$ttp*33Bebdelprofesor.ula.ve3ingenieria3yoanacastillo3materias3opeT3cristalizacion.pdf > "77E9"DR EL 1F DE UL