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 varios componentes, siempre que ninguno de los constituyentes pueda actuar como disolvente de 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 mediante la disminución lenta de su temperatura. La fase sólida congelada posteriormente tiene una composición diferente a la del líquido restante. Este es el principio físico fundamental detrás del proceso de fraccionamiento de la masa fundida y es bastante comparable a la destilación , que opera entre una fase líquida y una fase gaseosa.
Los cristales crecerán sobre una superficie enfriada o, alternativamente, como una suspensión en el líquido. El calor liberado por el proceso de solidificación se extrae a través de una superficie enfriada o a través del líquido. En teoría, se podría solidificar y recuperar el 100 % del producto. En la práctica, se deben aplicar varias 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 purificación de calderas cercanas. Esto permite purezas muy altas incluso para componentes difíciles. Además, debido a la temperatura de funcionamiento más baja , el estrés térmico aplicado al producto es muy bajo. Esto es en particular relevante para productos que de otro modo se oligomerizarían o degradarían . A continuación, la cristalización fraccionada suele ser una tecnología inherentemente segura, porque opera a bajas presiones y temperaturas. Además, no utiliza ningún disolvente 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 tubos enfriados. Un medio de enfriamiento concurrente fluye en el exterior de estos tubos. Esta disposición permite tasas de transferencia de calor reproducibles y altas, lo que facilita el crecimiento de cristales a partir de la película descendente de masa fundida. 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. Una alimentación típica tiene concentraciones entre 90 y 99 %, que se purifica hasta el 99,99 % en peso o más. Por ejemplo, el ácido acrílico glacial, el bisfenol-A de grado óptico y el carbonato de etileno de grado de batería 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 lo 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 lodo. 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.