cristalización de sal y cristalizadores industriales

La cristalización es un método de separación en el que se produce la formación de un sólido (cristal o precipitado) a partir de una fase homogénea, líquida o gaseosa. El sólido formado puede llegar a ser muy puro, por lo que la cristalización también se emplea a nivel industrial como proceso de purificación. La cristalización de sal, o tratamiento de salmueras, es un proceso muy habitual en procesos industriales que generan aguas residuales.

Para que la cristalización se pueda llevar a cabo es condición indispensable que la solución se encuentre sobresaturada. Los procesos de cristalización difieren unos de otros en el método mediante el cual se consigue la sobresaturación. En general, se puede conseguir de tres modos diferentes:

  • Sobresaturaci√≥n producida por enfriamiento de la soluci√≥n con evaporaci√≥n despreciable.
  • Sobresaturaci√≥n producida por evaporaci√≥n del disolvente con poco enfriamiento.
  • Evaporaci√≥n por combinaci√≥n de enfriamiento y evaporaci√≥n en evaporadores adiab√°ticos (cristalizadores al vac√≠o).

Cabe tener presente que para utilizar los cristalizadores en los que la sobresaturación se logra mediante enfriamiento, los solutos deben tener una curva de solubilidad que disminuya significativamente con la temperatura. En aquellos casos en que la solubilidad no depende prácticamente de la temperatura, la sobresaturación se consigue evaporando el disolvente. Y cuando se utiliza la combinación de enfriamiento y evaporación, una solución se somete a condiciones de vacío para que el disolvente se evapore de manera repentina y la solución se enfríe adiabáticamente.

Este √ļltimo m√©todo es el m√°s utilizado a nivel industrial para provocar la sobresaturaci√≥n. A la pr√°ctica, existe una amplia variedad de cristalizadores industriales, cada uno dise√Īado espec√≠ficamente para conseguir de forma √≥ptima la sobresaturaci√≥n de la soluci√≥n, en funci√≥n de las caracter√≠sticas y propiedades de √©sta.

El proceso de cristalización no es sencillo y la etapa más importante consiste en la formación de cristales sólidos en el seno de la solución líquida. La solución se concentra y se enfría hasta que la concentración del soluto es superior a la solubilidad a dicha temperatura y el soluto forma cristales casi puros.

La velocidad de crecimiento de un cristal se conoce como velocidad de cristalizaci√≥n. El crecimiento ocurre primero con la formaci√≥n del n√ļcleo y luego su crecimiento se va produciendo de forma gradual. Cuando la concentraci√≥n es superior a la sobresaturaci√≥n, la nucleaci√≥n ‚Äďformaci√≥n de n√ļcleos‚Äď se produce de forma natural, espont√°nea y r√°pida. La velocidad de cristalizaci√≥n se puede expresar mediante la siguiente ecuaci√≥n emp√≠rica:

formula velocidad de cristalización

Dónde:

  • B: velocidad de nucleaci√≥n (n√ļcleos formados por unidad de tiempo y de volumen de solvente)
  • N: n√ļmero de n√ļcleos formados por unidad de volumen de solvente
  • t: tiempo
  • k, i: par√°metros emp√≠ricos
  • (C-C*): sobresaturaci√≥n
  • C: concentraci√≥n del soluto en la soluci√≥n
  • C*: concentraci√≥n de saturaci√≥n del soluto

De la ecuaci√≥n se deduce que la velocidad de nucleaci√≥n es funci√≥n directa de la sobresaturaci√≥n. Se ha comprobado que cuando la sobresaturaci√≥n es elevada, la velocidad de nucleaci√≥n ‚Äďy tambi√©n la velocidad de crecimiento del cristal‚Äď tambi√©n son elevadas, dando lugar a cristales peque√Īos, imperfectos y con impurezas. Y al rev√©s, cuando la sobresaturaci√≥n es baja, la velocidad de formaci√≥n es peque√Īa, el crecimiento de los cristales es regular y se obtienen cristales de gran tama√Īo y de elevada pureza.

Cristalización de salmueras y sales

En la cristalizaci√≥n se distinguen principalmente dos pasos: la nucleaci√≥n y el crecimiento de los cristales. Ambos procesos se producen, si las condiciones son favorables, en la zona sobresaturada de la gr√°fica. No obstante, para la nucleaci√≥n se requiere m√°s sobresaturaci√≥n que para el crecimiento. El √°rea de formaci√≥n nuclear donde se da la sobresaturaci√≥n se denomina zona inestable, mientras que el √°rea de crecimiento se conoce como zona metaestable. Para la nucleaci√≥n es necesario que la soluci√≥n llegue a la zona inestable. Sin embargo, una vez all√≠ŐĀ, los n√ļcleos crecer√°n demasiado r√°pido y los cristales resultantes ser√°n muchos y muy peque√Īos. Para conseguir la formaci√≥n de cristales lo m√°s grandes y puros posible, es necesario controlar la cantidad de n√ļcleos en formaci√≥n. Si la soluci√≥n no contiene impurezas ni cristales de su propio tipo, el n√ļcleo s√≥lo puede ser formado por nucleaci√≥n homog√©nea. Si algunas part√≠culas extra√Īas est√°n presentes, la nucleaci√≥n se facilita y el proceso es conocido como nucleaci√≥n heterog√©nea. Ambas nucleaciones, la homog√©nea y la heterog√©nea, toman lugar en ausencia de cristales de la propia soluci√≥n y son colectivamente conocidas como nucleaci√≥n primaria. La nucleaci√≥n secundaria se refiere al proceso de formaci√≥n de cristales que est√° condicionado y producido por la presencia de part√≠culas de la misma fase en el sistema sobresaturado.

Por otra parte, el proceso de cristalización tiene numerosas aplicaciones industriales y no siempre la obtención de unos cristales puros es el objetivo principal de este proceso. A menudo se da el caso que interesa el proceso de cristalización como integrante en un tratamiento más amplio de efluentes líquidos. En este caso, el objetivo principal es la separación de la contaminación presente en un efluente del propio solvente, de forma que se obtenga el solvente puro y la contaminación en forma sólida, para facilitar su gestión de forma económica. Por ejemplo, esta aplicación de la cristalización es indispensable en los procesos de vertido cero, en los que el efluente se separa en dos corrientes, la del solvente relativamente puro y apto para su reutilización, y la de la contaminación en estado sólido o semi-sólido.

Así pues, la cristalización también se presenta como una excelente solución en aquellos casos en los que el objetivo principal no es la obtención de un producto sólido de elevada pureza, como ocurre en las siguientes aplicaciones:

  • Tratamiento de efluentes con una elevada carga contaminante
  • Tratamiento de efluentes cuando las t√©cnicas convencionales no son efectivas (como en el caso de las salmueras)
  • Imposibilidad de poder verter los efluentes tratados
  • Tratamiento de efluentes cuya composici√≥n fluct√ļa y es muy variable

Actualmente, se puede disponer de cristalizadores para el tratamiento de aguas con sales que son muy competitivos en cuanto a eficiencia energética, al basarse en una evaporación al vacío por bomba de calor, y muy robustos en cuanto a su funcionamiento.