Définitions et généralités Principes de dissolution et de cristallisation
Définitions et généralités Principes de dissolution et de cristallisation Mécanisme de formation de cristaux Bilan de matière Bilan d’énergie Chapitre 4 : Cristallisation C.10 - 2012 OPÉRATIONS FONDAMENTALES III – C.Tibirna Bilan d’énergie Méthodes d’obtention de la sursaturation Place du cristallisoir dans le procédé industriel Appareillage de cristallisation Paramètres de conduite d’une cristallisation Procédés de raffinage du sucre et du sel 4.6. Méthodes d’obtention de la sursaturation SURSATURATION = Agir SURSATURATION = Agir physiquement physiquement ou ou chimiquement chimiquement sur la solution pour que sur la solution pour que la concentration du soluté dans la solution dépasse la solubilité la concentration du soluté dans la solution dépasse la solubilité Refroidissement direct ou par échange thermique Refroidissement par évaporation du Méthodes d’obtention de la sursaturation –fonction de l’allure de la courbe de solubilité C.10 - 2012 OPÉRATIONS FONDAMENTALES III – C.Tibirna Refroidissement par évaporation du solvant sous vide Évaporation isotherme Relargage par ajout d’un sel (salting out) ou d’un tiers solvant Précipitation Courbes de solubilité de divers composés minéraux dans l’eau 4.6. Méthodes d’obtention de la sursaturation La conduite du cristallisoir (continu ou batch) La durée de l’opération Le rendement économique Le choix de la méthode d’obtention de la sursaturation dépend de: Cristallisoirs continus (conditions de fonctionnement C.10 - 2012 OPÉRATIONS FONDAMENTALES III – C.Tibirna Les 5 méthodes de génération de la sursaturation sont appliquées aussi bien aux Cristallisoirs continus (conditions de fonctionnement constantes: T, pression, concentration du solide) Cristallisoirs discontinus (batch) pour lesquels les paramètres de fonctionnement varient au cours de l’opération 4.6.1. Refroidissement direct (échange thermique) S’applique lorsque la variation de la solubilité avec la température est importante entre la Tambiante et la Tvaporisation à Patm Méthode très utilisée puisque les industriels recherchent généralement un solvant de cristallisation ayant cette propriété M = solution initiale (Ci,Ti) sous-saturée Refroidissement pour arriver dans la zone C.10 - 2012 OPÉRATIONS FONDAMENTALES III – C.Tibirna Refroidissement pour arriver dans la zone métastable –nucléation primaire –apparition des cristaux et grossissement dans cette zone le milieu est sursaturé si refroidissement lent arrêt de l’opération à Tf Évolution de la concentration du soluté en phase liquide lors d’une cristallisation discontinue par refroidissement 4.6.1. Refroidissement direct (échange thermique) Le refroidissement est obtenu à l’aide d’un échangeur thermique 1) paroi du cristallisoir; 2) serpentin (servant également de tube de recirculation autour de l’agitateur ); 3) échangeur sur une boucle de recirculation externe – à éviter - risques d’encroûtement des surfaces froides – fatal en continu (nécessite le démontage de l’échangeur externe, coûteux en temps et en main-d’œuvre) C.10 - 2012 OPÉRATIONS FONDAMENTALES III – C.Tibirna de l’échangeur externe, coûteux en temps et en main-d’œuvre) 4.6.2. Refroidissement par évaporation sous vide Consiste à évaporer une partie du solvant sous un vide de plus en plus poussé – provoque une descente de température qu’il s’agit de contrôler Productivité élevée puisque refroidissement plus rapide Ce mode est utilisé lorsque le refroidissement par paroi ne convient pas (encroutement trop important) Le solvant évaporé est condensé et il peut être 1) réinjecté dans le cristallisoir (cristallisation C.10 - 2012 OPÉRATIONS FONDAMENTALES III – C.Tibirna 1) réinjecté dans le cristallisoir (cristallisation par refroidissement) 2) soutiré (concentration) Est appliqué lorsque les pressions à atteindre ne sont pas trop faibles (environ 50 mmHg) Problème: la coexistence de 3 phases (S-L-V) peut conduire au moussage Évolution de la concentration du soluté en phase liquide lors d’une cristallisation par évaporation sous vide (chemin MNF) 4.6.3. Refroidissement par évaporation isotherme Consiste à évaporer (à T constante) le solvant sous pression réduite Est assurée par apport de chaleur à travers un échangeur thermique placé soit dans l’appareil soit sur une boucle de recirculation Procédé utilisé lorsque la solubilité varie peu avec la température (NaCl, Na2SO4, sucre) ou lorsque la concentration dans la solution résiduelle est trop importante pour une bonne rentabilité de l’installation C.10 - 2012 OPÉRATIONS FONDAMENTALES III – C.Tibirna Évolution de la concentration du soluté en phase liquide lors d’une cristallisation par évaporation (chemin MPS) 4.6.4. Relargage par ajout d’un sel Processus différent d’une précipitation (implique une r.ch. pour former le S) Ex: addition de EtOH dans une solution aqueuse de NaCl provoque sa cristallisation Ajout d’eau dans des solutions organiques Ajout de solvants organiques solubles (éthanol, méthanol, acétone) dans une solution RELARGAGE = Cristallisation induite par l’addition d’un tiers corps ne provoquant RELARGAGE = Cristallisation induite par l’addition d’un tiers corps ne provoquant pas de réaction chimique mais seulement une diminution importante de la solubilité pas de réaction chimique mais seulement une diminution importante de la solubilité C.10 - 2012 OPÉRATIONS FONDAMENTALES III – C.Tibirna aqueuse Inconvénients: 1) introduction d’un solvant organique inflammable et polluant dans un milieu aqueux; 2) la séparation ultérieure des solvants par une distillation coûteuse Procédé utilisé en chimie organique de spécialité et pour fabriquer de produits pharmaceutiques à valeur ajoutée (si pas d’autre option disponible) 4.6.5. Sursaturation par précipitation ⌦Exemples PRÉCIPITATION = Cristallisation par réaction chimique entre 2 composés solubles PRÉCIPITATION = Cristallisation par réaction chimique entre 2 composés solubles pour former un composé insoluble pour former un composé insoluble hydrogénocarbonate de sodium précipité est obtenu dans le procédé Solvay par réaction entre NaCl en solution aqueuse, NH3 et le CO2 perborate de sodium est précipité après réaction de l’eau oxygénée sur une solution C.10 - 2012 OPÉRATIONS FONDAMENTALES III – C.Tibirna de borate l’acide salicylique : réaction de l’acide sulfurique sur le salicylate de sodium en solution aqueuse Du point de vue des mécanismes mis en jeu, précipitation = cristallisation Différence: niveau élevé de la sursaturation avec une vitesse de nucléation énorme empêche les cristaux d’atteindre des tailles supérieures à quelques µ µ µ µm 4.7. Place du cristallisoir dans le procédé industriel Cristallisation = opération de purification Cristaux fabriqués Doivent être purs - une certaine pureté imposée par l’utilisateur La taille et la forme – impact commercial relatif à l’aspect du produit vendu Doivent avoir une bonne filtrabilité (séparation satisfaisante et un lavage correct sur un appareil de séparation S-L) C.10 - 2012 OPÉRATIONS FONDAMENTALES III – C.Tibirna correct sur un appareil de séparation S-L) Taille et morphologie compatible avec les opérations de séchage, tamissage, conditionnement, stockage Coulabilité convenable = bonne aptitude à s’écouler et une manipulation facile à l’état sec Ne doivent pas s’agglomérer lors du stockage Ne doit pas être trop générateur de poussières pour des problèmes d’hygiène et de sécurité 4.7. Place du cristallisoir dans le procédé industriel Schéma de principe d’un atelier à deux cristallisations Cristallisation par refroidissement du milieu réactionnel (C1) Séparation + lavage des cristaux (S1) Redissolution (D) Cristallisation (C ) C.10 - 2012 OPÉRATIONS FONDAMENTALES III – C.Tibirna Cristallisation (C2) BUTS ??? 4.7. Place du cristallisoir dans le procédé industriel Schéma de principe d’un atelier à deux cristallisations Cristallisation par refroidissement du milieu réactionnel (C1) Séparation + lavage des cristaux (S1) Redissolution (D) Cristallisation (C ) C.10 - 2012 OPÉRATIONS FONDAMENTALES III – C.Tibirna Cristallisation (C2) Pour une meilleure pureté Amélioration du faciès des cristaux Augmentation de la taille des cristaux BUTS ??? 4.7. Place du cristallisoir dans le procédé industriel Les interactions entre les étapes sont énormes – les impuretés peuvent avoir une influence sur les faciès des cristaux Important!! = fixer les concentrations en impuretés à des valeurs constantes à l’alimentation pour espérer obtenir une qualité de cristaux cte. Le choix du solvant réactionnel - influence non négligeable sur la forme des cristaux - compromis entre une chimie optimale (souvent privilégiée) et une cristallisation C.10 - 2012 OPÉRATIONS FONDAMENTALES III – C.Tibirna - compromis entre une chimie optimale (souvent privilégiée) et une cristallisation optimale à la fois sur le plan du rendement et de la qualité physique des cristaux 4.8. Appareillage de cristallisation Cristallisation = opération complexe influencée par: La sursaturation Les transferts de matière + énergie Les facteurs mécaniques (agitation + pompes de pour obtenir des cristaux répondant aux critères de pureté et de granulométrie adaptées présentant des propriétés C.10 - 2012 OPÉRATIONS FONDAMENTALES III – C.Tibirna recirculation extérieure) Les phénomènes cinétiques d’usage convenables les propriétés de la solution ou de la matière à traiter les exigences concernant le produit final (les faciès, la pureté, la solidité, la taille, etc.) Le choix de l’appareillage doit prendre en compte: 4.8. Appareillage de cristallisation Selon le mode de fonctionnement Par refroidissement Discontinu Semi-continu (production inférieure à 2t/j) Continu Selon la méthode appliquée C.10 - 2012 OPÉRATIONS FONDAMENTALES III – C.Tibirna Par refroidissement Par évaporation Sous vide En milieu fondu Les cristallisoirs les plus utilisés sont essentiellement des cuves agitées, en particulier les appareils discontinus 4.8. Appareillage de cristallisation Agitateur uploads/Finance/ c10.pdf
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- Publié le Dec 25, 2022
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