Una visión más clara de los cristalizadores

La cristalización es una herramienta clave para muchos sectores de la Industria de los Procesos Químicos (IPQ). Además es una operación unitaria que genera productos de alta pureza a partir de soluciones que contengan muchas impurezas, a partir de una entrada de energía muy baja.

Clasificación de los cristalizadores

Se emplean dos esquemas en la clasificación de cristalizadores:

- Generación de supersaturación. Existen 6 formas de generar supersaturación:

1. Evaporación
2. Enfriamiento.
3. Enfriamiento adiabático (vacio).
4. Reacción química.
5. Adición de antisolventes,
6. Ajuste de pH.

- Suspensión de los cristales en crecimiento. Se subdividen en cuatro tipos básicos:

1. Cristalizadores de suspensión mixta y eliminación de productos mixtos (MSMPR). También llamados cristalizadores de circulación magna, este tipo de equipos circulan los cristales en crecimiento, a través de los sitios del cristalizador donde existe sobresaturación.
2. Circulación de licor/ suspensión de cristales. En este tipo, solo el licor es circulado en una suspensión débil, mientras que la mayor parte de los cristales en crecimiento, no circulan. La sobresaturación 
3. Cristalizadores de superficie raspada. La cristalización es inducida por un intercambio de calor indirecto con un medio de enfriamiento en la superficie, que raspa y agita continuamente para evitar la suciedad.
4. Cristalizadores de tanque. Producido por enfriamiento solución de alimentación, ya sea en tanques estáticos o agitados por convección natural y radiación, por superficie de refrigeración bobinas completas o una chaqueta

Cristalizadores MSMPR 

El término MSMPR hace suponer que existe una mezcla uniforme del producto en la suspensión mixta de volumen activo. donde el porcentaje de distribución de sólidos en suspensión y el tamaño del cristal es perfectamente uniforme. Esta uniformidad también debe estar presente en el producto descargado.

Cristalizadores de circulación forzada

Son una unidad tipo MSMPR. El diseño usualmente requiere un costo más bajo por producto generado.  En este tipo de cristalizadores el enfriamiento en la superficie, resulta en la sobresaturación, que es revelada por la formación de cristales, o nucleación. La circulación de corrientes durante la evaporación permite el escalamiento de los productos. 

Otra modificación en la unidad FC incluye la forma cónica de la entrada de la suspensión. La forma cónica mejora la mezcla, permitiendo una mejor dispersión de la sobresaturación mejorando la uniformidad de la suspensión en la superficie.

Para algunas aplicaciones, la sobresaturación se genera mediante refrigeración indirecta, en oposición a la evaporación. En este caso, el caudal de proceso está diseñado para ir desde temperaturas templadas a una caída de la temperatura y baja la media a largo de la diferencia de temperatura a través del intercambiador de calor.

Esta diferencia es efectiva en el diseño contra un mal diseño puede ser una cuestión de correr durante semanas o meses en lugar de horas o unos pocos días antes de lavado.

Entre el número de características de diseño se utilizan para minimizar este problema, se incluyen las siguientes: 

• Instalación de un disyuntor de vórtice en el cono del cristalizador.
• Mantener la entrada de la suspensión casi tangencial al contorno del cuerpo de cristalizador, con el ángulo en función del diámetro de los vasos. 
• Mantener inmersión suficiente de la alimentación cuando entra en el cuerpo de cristalizador, evitando de ese modo intermitente y agitación en vórtex. 
• El ajuste de la velocidad de entrada de la suspensión a través de la línea de recirculación para evitar un chorro a través de tanque cristalizador, un vórtex desfavorable.

Número de Froude (un número adimensional que se usa para evaluar la influencia de la gravedad en flujo) se puede expresar como: 

NFr = V^2 / (D . g)

donde:

V es la velocidad de la mezcla en ft / s 

D es el diámetro del vaso en pies 

g es la constante gravitacional (32.2ft / s ^ 2)

Nucleación y crecimiento de cristales

La configuración de MSMPR puede utilizar determinadas cinéticas de nucleación y crecimiento de cristales para un sistema. Ambos, crecimiento y nucleación dependen de la sobresaturación, con la nucleación se depende en mayor medida de la sobresaturación en comparación al crecimiento.

La nucleación puede expresarse como:

B° = kl M T^j S^b

donde:

B° es el numero de núcleos formador por unidad de volumen por tiempo

kl es el flujo constante en función de la temperatura

MT es la densidad del lodo

b y j son funciones de poder

S es concentración de la sobresaturación

Otra formula incluye la velocidad de agitación elevada a una potencia. A menudo b=1-3 y j = 1.
El crecimiento de los cristales se expresa así:

G = k2 S^g = dL / dt

Donde:

G es la tasa de crecimiento del cristal en base al tamaño representativo del cristal.

k2 es el cambio característico de la longitud en base a la temperatura, agitación, impurezas y el sistema.

s es concentración de la supersaturación.

g es el sistema especifico.

Combinando las dos ecuaciones anteriores se obtiene la siguiente:

B° = k3 G^i M T ^j

Donde:

i = b/g. Un parámetro cinético crítico es el valor de i, que determina la dependencia relativa de la sobresaturación de la nucleación frente al crecimiento

La operación tradicional de los cristalizadores FC ofrece una flexibilidad limitada sobre el cambio de la distribución del tamaño. La siguiente ecuación nos muestra el radio medio del tamaño del cristal (Lm) por dos condiciones diferentes es:

Lm2 / Lm1 = (T2 /T1) ^(i-1)/(i+3)

Si uno cambia el tiempo de permanencia (T), con todo lo demás mantenido el mismo, se prevé lo siguiente: Para i < 1, el tamaño medio de los cristales disminuye ligeramente con el aumento del tiempo de residencia; para i = 1, teóricamente, Lm sigue siendo el mismo, y para i > 1, el tamaño medio de la partícula aumentaría.

Cristalizadores de tubo deflector

Los impulsores y agitadores mecánicos pueden causar un impacto a nivel secundario en la nucleación y rotura. El tubo de aspiración es un diseño eficiente en la suspención de sólidos con una entrada de alimentación inferior.

La altura