Il processo di cristallizzazione e le sue criticità

Pompa in plastica contro la cristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo mediante il quale un solido si separa dalla soluzione in cui si trova disciolto; si tratta di una delle più antiche operazioni unitarie sviluppate dall’uomo, a partire dalle saline, nelle quali dall’acqua di mare si ricava sale (NaCl). La cristallizzazione viene utilizzata per produrre una grande varietà di materiali, come il saccarosio o i solfati di sodio e alluminio.
Questo processo è sfruttato nell’ambito dell’industria elettronica per ottenere il silicio, utilizzato nei circuiti integrati (processo Czochralski), e può essere impiegato al posto della tradizionale distillazione e rettifica nella purificazione di diversi composti della chimica organica.

Le fasi del processo

Il fenomeno della cristallizzazione consta di due fasi, la nucleazione e la successiva crescita dei cristalli.
La nucleazione, ossia la formazione di un cristallo nella soluzione, è un processo complesso e ancora non del tutto compreso.
La nucleazione si definisce omogenea quando è il risultato di una sequenza di urti bimolecolari che sfociano nella costruzione di un reticolo; si parla invece di nucleazione eterogenea quando la cristallizzazione è innescata dalle impurità inevitabilmente presenti nella soluzione, o da disturbi esterni, come le pale degli agitatori o le irregolarità delle superfici delle apparecchiature.
Molto spesso, industrialmente, si sfrutta la nucleazione eterogenea, aggiungendo all’ambiente di reazione alcuni cristalli della specie che si desidera ottenere; questi inducono la cristallizzazione del solido in soluzione.

Il prodotto finale

Le caratteristiche del prodotto finale, in termini di distribuzione dimensionale delle particelle ottenute, sono molto influenzate dalle velocità con cui avvengono i processi di nucleazione e di crescita. In particolare, se la velocità con cui avviene la nucleazione dei cristalli è più elevata della velocità con cui essi si accrescono, si otterrà un prodotto costituito da un gran numero di particelle di piccole dimensioni. Se, al contrario, predomina la velocità di crescita, si avranno meno cristalli, ma di grandi dimensioni.
Schema cristallizzazioneI solidi disciolti in fase liquida precipitano e cristallizzano, quando la concentrazione della soluzione raggiunga e superi la concentrazione di saturazione. Nella zona al di sotto della curva di solubilità, la cristallizzazione non può avvenire. A concentrazioni superiori a quella di sovrasaturazione, invece, la nucleazione risulta probabile, anche se non è certa.
Nella regione compresa tra la curva di saturazione e la curva di sovrasaturazione (o curva di Miers), la soluzione è metastabile, cioè è possibile la crescita di un cristallo, ma non la sua formazione spontanea (nucleazione): il sale permane in soluzione fino a quando non interviene un’azione esterna che inneschi il fenomeno della precipitazione.

Le criticità

Per portarsi nella regione di metastabilità, si può aumentare la concentrazione (ad esempio evaporando il solvente), far variare il pH della soluzione o, per la maggior parte dei sali, ridurre la temperatura.
I processi industriali spesso combinano l’evaporazione con il raffreddamento.
Le apparecchiature utilizzate per la cristallizzazione devono però operare in presenza di soluzioni molto concentrate, e, soprattutto nelle parti dove la turbolenza dei flussi è maggiore, come all’interno degli scambiatori, a cavallo delle valvole o all’interno delle pompe, possono formarsi cristalli solidi, con tutte le problematiche che questo comporta (incrostazioni, abrasioni…).
Anche in un settore di questo tipo, in cui le condizioni operative mettono a dura prova le macchine utilizzate, trovano applicazione le soluzioni ASV Stübbe. In particolare, per quanto riguarda la movimentazione dei liquidi, possono essere utilizzate le pompe centrifughe orizzontali delle serie NM e SHB, caratterizzate dall’alta qualità di fabbricazione e dai materiali plastici resistenti alla corrosione. I polimeri termoplastici che costituiscono il corpo della pompa e la girante minimizzano le problematiche legate alla corrosione ed all’abrasione, e conservano le loro proprietà in un ampio range di temperature.