Procesos Industriales Orgnicos
Universidad Nacional De Trujillo 2014
Procesos Industriales OrgnicosCRISTALIZACIN DEL CLORURO DE
CALCIO
NDICEI. INTRODUCCIN2
II. OBJETIVOS3
III. FUNDAMENTO TERICO4
3.1. DEFINICIN DE CRISTALIZACIN4
3.2. PROCESO DE CRISTALIZACIN5
3.3. CRECIMIENTO DE LOS CRISTALES 6
3.3.1. Formacin de los ncleos 7
3.3.2. Nucleacin Homognea8
3.3.3. Nucleacin Heterognea8
3.4. SOLUBILIDAD Y SOBRESATURACIN10
3.4.1. Factores que influyen en la solubilidad10
A. Efecto Calorfico10
B. Efecto de las impurezas11
3.5. VENTAJAS11
3.6. APLICACIN12
IV. MATERIALES Y EQUIPOS13
4.1. MATERIA PRIMA13
4.2. MATERIALES Y EQUIPOS14
4.3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL15
V. RESULTADOS20
VI. DISCUSIN DE RESULTADOS21
VII. CONCLUSIONES21
VIII. RECOMENDACIONES22
IX. REFERENCIAS BIBLIOGRFICASX. ANEXOS22
I. INTRODUCCIN
La cristalizacin se emplea en la industria qumica con bastante
frecuencia para purificar una sustancia slida que se presenta
comercialmente en forma de polvos o cristales, ya sea la sacarosa
(azcar), cloruro de sodio (sal comn) u otras sustancias.Se basa en
el hecho de que la mayora de los slidos son ms solubles en un
disolvente en caliente que en fro debido a la dependencia del
producto de solubilidad de la temperatura.El mtodo consiste en
disolver el slido que se va purificar en el disolvente caliente
para eliminar las impurezas insolubles y entonces se deja enfriar
la disolucin para que se produzca la cristalizacin. As, las
impurezas solubles quedan en las aguas madres. Por ltimo los
cristales se separan por filtracin y se dejan secar. El proceso se
repite hasta la sustancia cristalizada sea completamente pura, lo
cual se comprobara determinando el punto de fusin.
II. OBJETIVOS
2.1. Conocer los fundamentos de este proceso
(cristalizacin).2.2. Encontrar la optimizacin de las condiciones de
trabajo y especificar las condiciones de operacin. 2.3. Analizar la
variacin de la temperatura de enfriamiento sobre el proceso de
cristalizacin.
III. FUNDAMENTO TERICO
2.1. DEFINICIN DE CRISTALIZACIN
La cristalizacin es una operacin de transferencia de materia en
la que se produce la formacin de un slido (cristal o precipitado) a
partir de una fase homognea (soluto en disolucin o en un fundido).
Destaca sobre otros procesos de separacin por su potencial para
combinar purificacin y produccin de partculas en un solo proceso.
Comparado con otras operaciones de separacin la cristalizacin en
disolucin presenta varias ventajas, como por ejemplo: El factor de
separacin es elevado (producto casi sin impurezas). En bastantes
ocasiones se puede recuperar un producto con una pureza mayor del
99% en una nica etapa de cristalizacin, separacin y lavado. Si se
controlan las condiciones del proceso se obtiene un producto slido
constituido por partculas discretas de tamao y forma adecuados. Y
requiere de menos energa para la separacin que la destilacin u
otros mtodos empleados. Una observacin muy importante y fundamental
sobre el proceso de cristalizacin, es que este tipo de
transformacin no ocurre simultneamente en la matriz donde se
desarrolla. La cristalizacin se genera a partir de diferentes
puntos (grmenes) y entonces se va depositando el material sobre
estos pequeos grmenes o ncleos. As pues se distinguen dos partes en
el proceso de cristalizacin: nucleacin y crecimiento
cristalino.
2.2. PROCESO DE CRISTALIZACINEn este proceso, una sustancia
slida con una cantidad muy pequea de impurezas se disuelve en un
volumen mnimo de disolvente (caliente si la solubilidad de la
sustancia que se pretende purificar aumenta con latemperatura). A
continuacin la disolucin se deja enfriar muy lentamente, de manera
que los cristales que se separen sean de la sustancia pura, y se
procede a su filtracin.El filtrado, que contiene todas las
impurezas, se suele desechar. Para que la cristalizacin fraccionada
sea un mtodo de separacin apropiado, la sustancia que se va a
purificar debe ser mucho ms soluble que las impurezas en las
condiciones de cristalizacin, y la cantidad de impurezas debe ser
relativamente pequea. Comnmente las impurezas estn presentes en
concentraciones bajas y ellas regresan a la solucin aun cuando la
solucin se enfra. Si se necesita una pureza extrema del compuesto,
los cristales filtrados pueden ser sujetos a re-cristalizacin y,
naturalmente, en cada cristalizacin resulta una prdida del soluto
deseado que se queda en el lquido madre junto con las impurezas. El
solvente ideal para la cristalizacin de un compuesto particular es
aquel que: No reacciona con el compuesto. Hierve a temperatura por
debajo del punto de fusin del compuesto. Disuelve gran cantidad del
compuesto cuando est caliente. Disuelve una pequea cantidad de
compuesto cuando esta fro. Es moderadamente voltil y los cristales
pueden ser secados rpidamente.
2.3. CRECIMIENTO DE LOS CRISTALES
Sea AB (Fig. 1) la curva de saturacin en funcin de la
temperatura en el sistema binario formado por un disolvente y un
soluto. Por encima de dicha curva existe una sola fase lquida. Sea
P un punto de esta zona representativo de la composicin y
temperatura del sistema en un momento dado. Si, al partir de P,
hacemos descender la temperatura, el sistema evolucionar a
concentracin constante, hasta alcanzar la saturacin en el punto de
temperatura t*. Si lo que hacemos es evaporar el disolvente a
temperatura constante, la concentracin ir aumentando, segn la recta
PC1, y se alcanzar la saturacin en el punto C*1.
Fig1. Solubilidad y sobresaturacin.
En ambos casos, o en los intermedios que pueden seguirse, la
cristalizacin no se produce al llegar a la curva de saturacin. Para
que comience el fenmeno es preciso alcanzar una cierta
sobresaturacin, que suele medirse por la diferencia entre la
concentracin actual y la de equilibrio a la misma temperatura (en
la Fig. 1, C1-C*1). La necesidad de la sobresaturacin se comprende
porque cuando el sistema est simplemente saturado su tendencia a
evolucionar es nula; es preciso disponer de una potencial o fuerza
conducente que, venciendo la inercia del sistema, lo haga
transformarse tendiendo a alcanzar el equilibrio; este potencial lo
suministra la sobresaturacin.La velocidad de evolucin del sistema
aumenta, dentro de ciertos lmites, con la sobresaturacin. Para
estudiar esta velocidad, o sea la cintica de la cristalizacin,
tenemos que distinguir dos procesos que se realizan con cierta
independencia uno del otro: la formacin de ncleos cristalinos y el
crecimiento de los cristales.Ambos dependen de la sobresaturacin,
pero responden a mecanismos distintos. En el conjunto interviene el
grado de agitacin, que influye sobre el tamao y la forma de los
cristales obtenidos.
2.3.1. Formacin de los ncleos
Para producir la formacin o la nucleacin de los cristales es
necesaria algn grado de sobresaturacin. En la regin meta estable de
las curvas de solubilidad, crecen los cristales, pero no se forman
los ncleos. En el intervalo intermedio los cristales siguen
creciendo y se forman ncleos con rapidez creciente. En la regin
lbil se produce el crecimiento y la nucleacin rpida de los
cristales.
2.3.2. Nucleacin Homognea.
Se llama as, a la formacin de una fase slida debida a la
agregacin de tomos de los componentes de la otra fase, sin que se
produzcan cambios de composicin y sin la influencia de agentes
externos. Esto ocurre durante el movimiento general de los tomos
dentro del lquido, para conducir a la creacin de grupos ordenados
de tomos en pequeas zonas de mayor densidad que la del lquido.
Estos embriones de cristales son efmeros e inestables, pero los que
de manera simultnea alcanzan condiciones energticas y tamaos
crticos, se estabilizan y crecen.Un embrin es una partcula muy
pequea de una nueva fase que, de manera simultnea, no posee ni el
tamao crtico ni ha alcanzado la energa libre crtica; por lo tanto,
tiende a disolverse.
2.3.3. Nucleacin Heterognea
Como la nucleacin heterognea es ms fcil que la homognea, tendr
mayor importancia. La heterognea se origina en los lmites de grano
o en los planos de deslizamiento. Esto representa un retardo entre
las respuestas al envejecimiento, en reas que experimentan
nucleacin heterogneas y las de nucleacin homognea. El sobre
envejecimiento ocurre, con frecuencia, en los lmites de grano mucho
antes que en el centro de los granos.Una precipitacin rpida produce
un efecto caracterstico. El efecto es que las partculas de
precipitado pueden crecer en tamao y agota el soluto de las reas
cercanas a los lmites, como muestra la figura 2a.En el enfriamiento
lento, la nucleacin empieza en los lmites de grano cuando la
temperatura ha llegado a valores inferiores a la lnea solvus. El
precipitado, en los lmites de grano, contina creciendo mediante
difusin del soluto desde la matriz al precipitado: figura 2b.
Fig 2. Nucleacin heterognea en lmites de grano. (a) Una
velocidad de enfriamiento moderada puede originar nucleacin
heterognea en los lmites de grano y nucleacin homognea en el centro
de los granos. (b) en enfriamiento muy lento puede formar
precipitado nicamente en lmites de grano.2.4. SOLUBILIDAD Y
SOBRESATURACIN
La solubilidad de una sustancia es la cantidad disuelta en un
disolvente en equilibrio en condiciones dadas de temperatura y
presin. La solubilidad puede ser afectada por la presencia de otros
solutos, aunque estn en cantidad pequea, tambin por el pH de la
solucin.Para que se produzca la cristalizacin es necesario que haya
sobresaturacin; esto es: que la solucin contenga al menos
momentneamente ms soluto que el valor de saturacin para las
condiciones dadas a temperatura, presin y composicin
2.4.1. Factores que influyen en la solubilidad
A. Efecto Calorfico
En la produccin de cristales por cualquier mtodo, es necesario
suministrar calor a la solucin que cristaliza o quitrselo. El
efecto calorfico que interviene puede ser calor sensible resultante
de cambios reales en la temperatura de la solucin, calor latente de
evaporacin del disolvente y calor de cristalizacin, que es la
cantidad de calor desprendido a consecuencia de la precipitacin de
una cantidad de cristales de una solucin saturada.
B. Efecto de las impurezasEl ambiente qumico, la presencia de
relativamente bajas concentraciones de sustancias ajenas a las
especies a cristalizar, ya sea impurezas, etc., juega un importante
papel en la optimizacin de los sistemas de cristalizacin. Su papel
es muy importante por diversas razones.La primera, todos los
materiales son impuros o contienen trazas de impurezas aadidas
durante su procesamiento. La variacin aleatoria de las impurezas es
un efecto indeseable. La segunda, y la ms importante, es posible
influenciar la salida y el control del sistema de cristalizacin, o
cambiar las propiedades de los cristales mediante la adicin de
pequeas cantidades de aditivos cuidadosamente elegidos. Esto,
agregando ciertos tipos y cantidades de aditivos es posible
controlar el tamao de los cristales, la distribucin de tamao del
cristal, el hbito del cristal y su pureza.
2.5. VENTAJASEl inters qumico-tcnico de la cristalizacin, como
operacin bsica, radica principalmente en que solidos cristalinos se
manejan y transportan con ms facilidad que las disoluciones y
ocupan menos espacio, por lo cual esta forma es preferida para la
presentacin comercial de muchos productos. Tienen tambin
importancia como medio para purificar a muchas sustancias y como
mtodo de fraccionamiento de mezclas de sustancias disueltas.2.6.
APLICACINEntre las aplicaciones industriales de la cristalizacin
alcanza gran importancia la obtencin y purificacin de sales
minerales diversas (sal comn a partir del agua de mar, separacin de
sales potsicas, sulfato de cobre, carbonatos diversos, etc.), la
preparacin de productos qumicos y qumico-farmacuticos, la de
productos intermedios para la industria qumica-orgnica, etc. Tambin
en las industrias alimentarias tiene importancia en la obtencin de
azcar, en la fabricacin de mantequilla y margarinas, en la llamada
fusin de sebos y manteca de cerdo, etc.
IV. MATERIALES Y MTODOS
4.1. MATERIA PRIMACLORURO DE CALCIO (Ca2Cl)
El Cloruro de Calcio es un producto qumico de gran versatilidad
utilizado en una amplia variedad de operaciones industriales.
Una de las principales caractersticas del Cloruro de Calcio es
la de ser un compuesto higroscpico (absorbe humedad del aire y
materiales), delicuescente (es capaz de disolverse en la humedad
que absorbe) y que forma soluciones con bajo punto de
congelamiento. Estas caractersticas permiten que sea utilizado en
diversas operaciones asociadas al control de humedad y como agente
anticongelante. El Cloruro de Calcio tiene importantes aplicaciones
qumicas y biolgicas relacionadas principalmente con el aporte de
calcio que puede hacer.
Entre algunas de sus aplicaciones se encuentran: acelerador de
fraguado de concreto, alimento para animales, anticongelante,
control de polvos y consolidado de caminos, firmeza de frutas y
verduras, industria minera, industria papelera, lodos de perforacin
de pozos petroleros, precipitacin de sulfatos, produccin de
cementos, proteccin contra incendios, refrigerante, tratamiento de
agua de desecho, etc.
Para sta prctica, la solucin ya preparada de cloruro de calcio
fue recogida del laboratorio.Propiedades fisicoqumicas Frmula
molecular: Ca2Cl Masa molar: 110,99 g/mol Apariencia: Blanco
Densidad: 2,15 g/cm Punto de fusin: 772 C Punto de ebullicin : 1935
C
4.2. MATERIALES Y EQUIPOS
Material de vidrio:DescripcinCantidad
Vasos de precipitacin de 250 ml2
Matraz Ermeleyer de 250 ml2
Embudo de vidrio1
Lunas de reloj1
Varilla de vidrio1
Probeta graduada de 100 ml2
Termmetro de -10-360 C2
- Material (otros)
DescripcinCantidad
Pinzas 2
Papel filtro4
Pizeta1
Recipiente de plstico1
Refrigerante (hielo)1
RejillaCocina 21
4.3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Cristalizacin por Destilacin Simple Medir 50 ml de solucin de
cloruro de calcio.
Luego vertimos los 50ml de solucin al matraz para posteriormente
calentar la solucin en una cocina elctrica para concentrar la
solucin.
Ahora vamos a Registrar la temperatura a intervalos de tiempo
regulares para corroborar que la temperatura no pase el punto de
ebullicin del agua y ocasione la perdida de muestra arrastrada con
el vapor de agua.
Retirar el matraz de la cocina cuando se observe una gran
apariencia de burbujeo para luego enfriar por dos mtodos.
Cristalizacin por Evaporacin y Enfriamiento Natural
Antes de empezar lavamos los instrumentos a usar Medimos 50 ml
de solucin y lo colocamos en un vaso de precipitacin de 250 ml
Luego calentamos la solucin de cloruro de calcio en la cocina hasta
ver un indicio de precipitacin (el calentamiento dur de 16:18 pm
16:28 pm) Despus lo enfriamos y lo filtramos y se obtuvo casi nada
de precipitado Al ver este resultado, volvimos a calentar una
solucin nueva y se dej enfriar nuevamente y se obtuvo poco
precipitado
Cristalizacin por Evaporacin y Enfriamiento forzado
Ahora medimos 50 ml de solucin y lo colocamos en un vaso de
precipitacin de 250 ml Luego calentamos la solucin de cloruro de
calcio en la cocina hasta ver un indicio de precipitacin (el
calentamiento dur de 16:30 pm 16:40 pm) Despus lo enfriamos con
hielo y se obtuvo las primeras apariencias de cristales de Ca2Cl Al
ver dicho resultado volvimos a realizar otra muestra y se obtuvo
mayor apariencia de cristales .
V. RESULTADOS
CONDICIONES DE OPERACIN
Presin:1 atm Temperatura:95-100 C Tiempo:1-1.5 hora Datos
experimentales:
Tiempo (min)volumen de agua evaporada (mL)Temperatura (C)
210.3100
264100
319100
3613100
4117.5100
4622100
5126.5100
5633100
6136.5100
6642100
7146100
7651100
8155.6100
8660100
9165.5100
9669100
10174100
10679100
11184100
Tiempo vs Volumen de agua evaporada
Muestras finales
Reporte de muestras realizadas
Muestra TrabajadaTemperatura de vaporizacin (C)Temperatura de
enfriamiento (C)Volumen empleado de solucin de cloruro de calcio
(ml)Peso de cristales de cloruro de calcio (g)
1100 5 - 10500.0612
2950 - 5500.0409
3975 - 10500.0504
VI. DISCUSIN DE RESULTADOS
Para que comience el fenmeno es preciso alcanzar una cierta
sobresaturacin, que suele medirse por la diferencia entre la
concentracin actual y la de equilibrio a la misma temperatura.A
medida que se calienta la solucin y aumenta la concentracin del
cloruro de calcio, se excede el lmite de solubilidad del material
en solucin, por ende comienza la formacin de cristales.
Se observ que para el mtodo de enfriamiento forzado, los
cristales se formaron de manera ms acelerada, que en el mtodo de
enfriamiento al aire libre, el rendimiento es mayor debido a que
existe mayor solubilidad del cloruro de calcio en agua, lo que
facilita la formacin de los cristales, se presenta una absorcin de
calor llamada calor de disolucin.
VII. CONCLUSIONES
Se logr conocer los fundamentos de este proceso (cristalizacin),
asimismo se aplic 2 mtodos de cristalizacin que nos sirvi mucho, ya
que es importante tenerlos en cuenta para este tipo de proceso de
obtencin de cristales del cloruro de calcio y de otras soluciones.
Tambin podemos concluir que a diferentes temperaturas en funcin
tiempo afecto a la evaporacin del agua y eso se puede observar en
la grfica hecha anteriormente.
VIII. RECOMENDACIONES
Tener cuidado con la temperatura con la que se trabaja, puesto
que la solucin puede alcanzar el punto de ebullicin del agua. En la
filtracin se debe verter lentamente al embudo Buhner, ya que sino
los cristales se esparciran. Cuando se termine el calentamiento de
la disolucin para la formacin de cristales, tener en cuenta que se
debe dejar cierto tiempo de espera para que la temperatura del
recipiente baje, de lo contrario si enfriamos inmediatamente con
hielo, dicho recipiente puede romperse por el cambio brusco de
temperatura.
IX. REFERENCIAS BIBLIOGRAFA
(1). VIAN OCN, A. Elementos de Ingeniera Qumica. Segunda edicin.
Madrid. Editorial Aguilar Tolle Lege, 1952. 695 - 705 pg.(2).
GRASES F. Cristalizacin en disolucin. 2000. Editorial Revert.
Espaa.(3). OLAF A. HOUGEN. Principios de los procesos qumicos.
1982. Editorial Revert. Espaa.(4). CHRISTIE JOHN GEANKOPLIS.
Procesos de transporte y principios de procesos de separacin.
Cuarta edicin. 2006. Editorial Continental. Mxico(5). R.C. NSTOR.
Fundamentos de qumica analtica bsica. 2007. Editorial Universidad
de Caldas. Colombia.
X. ANEXOS
Procesos Industriales Orgnicos1
