En química, la cristalización fraccionada es una técnica de separación por etapas que se basa en el cambio de fase líquido-sólido. Fracciona mediante diferencias en la temperatura de cristalización y permite la purificación de mezclas de múltiples componentes, siempre que ninguno de los componentes pueda actuar como disolvente para los demás. Debido a la alta selectividad del equilibrio sólido-líquido, se pueden lograr purezas muy altas para el componente seleccionado.
El proceso de cristalización comienza con la congelación parcial de la mezcla líquida inicial disminuyendo lentamente su temperatura. La fase sólida congelada tiene posteriormente una composición diferente a la del líquido restante. Este es el principio físico fundamental detrás del proceso de fraccionamiento por fusión y bastante comparable a la destilación , que opera entre una fase líquida y gaseosa.
Los cristales crecerán sobre una superficie enfriada o, alternativamente, como una suspensión en el líquido. El calor liberado durante el proceso de solidificación se extrae a través de una superficie de enfriamiento o a través del líquido. En teoría, el 100% del producto podría solidificarse y recuperarse. En la práctica, es necesario aplicar diversas estrategias, como la fusión parcial de la fracción sólida (exudación), para alcanzar altos niveles de pureza.
La cristalización fraccionada tiene varias ventajas sobre otras tecnologías de separación. En primer lugar, permite la depuración de calderas cercanas. Esto permite purezas muy altas incluso para componentes difíciles. Además, debido a la temperatura de funcionamiento más baja , la tensión térmica aplicada al producto es muy baja. Esto es particularmente relevante para productos que de otro modo se oligomerizarían o degradarían . A continuación, la cristalización fraccionada suele ser una tecnología intrínsecamente segura, porque opera a bajas presiones y bajas temperaturas. Además, no utiliza disolventes y no produce emisiones. Finalmente, dado que el calor latente de solidificación es entre 3 y 6 veces menor que el calor de evaporación , el consumo de energía es, en comparación con la destilación, mucho menor.
La cristalización fraccionada implica varios pasos clave:
Hay tres tecnologías diferentes de cristalización fraccionada disponibles:
En el cristalizador de película descendente, los cristales crecen a partir de una masa fundida que forma una película delgada a lo largo del interior de los tubos enfriados. Por el exterior de estos tubos fluye al mismo tiempo un medio refrigerante. Esta disposición permite tasas de transferencia de calor altas y reproducibles, lo que facilita el crecimiento de cristales a partir de la película de fusión que cae. La separación sólido-líquido de la suspensión resultante se puede lograr utilizando una columna de lavado o una centrífuga. Esta tecnología es más compleja que otras pero ofrece la ventaja de una alta eficiencia de separación y purezas muy altas. Un alimento típico tiene concentraciones entre 90 y 99 %, que se purifica hasta un 99,99 % en peso o más. Por ejemplo, el ácido acrílico glacial, el bisfenol A de calidad óptica y el carbonato de etileno de calidad para baterías se pueden purificar hasta su grado más alto utilizando un cristalizador de película descendente.
El cristalizador estático permite que los cristales crezcan a partir de una masa fundida estancada, lo que la convierte en una tecnología versátil y robusta. Puede purificar productos altamente desafiantes, incluidos aquellos con propiedades más desafiantes, como viscosidades altas y puntos de fusión altos o bajos. Ejemplos de aplicaciones incluyen isopulegol, ácido fosfórico , ceras y parafinas , antraceno / carbazol e incluso hidrazina de grado satélite .
En la cristalización en suspensión, los cristales se generan en una superficie de enfriamiento y luego se raspan para continuar creciendo en tamaño dentro de un recipiente agitado en suspensión o suspensión. La separación sólido-líquido se realiza mediante una columna de lavado o una centrífuga. Este método es más complejo de operar, pero ofrece la ventaja de una alta eficiencia de separación, lo que se traduce en un considerable ahorro de energía. Ejemplos de aplicaciones incluyen paraxileno, aromáticos halogenados y también alimentaciones acuosas.