Cours de cristallisation: introduction et définitions
La cristallisation est l'opération qui consiste, à partir d'une solution (solvant+soluté) ou d'un solide fondu, à former un solide cristallisé. Le soluté cristallise en général sous une forme géométrique prédéfinie (cubique, cubique face centrée, etc...), incluant ou non des molécules de solvant (par ex NA2SO4 pur ou [Na2SO4, 10H2O]). La forme ou formule chimique des cristaux peut dépendre de la température de cristallisation.
On distingue deux type de cristallisation:
- "voie sèche": on part d'un solide fondu, et on opère la cristallisation par refroidissement de ce solide. L'alimentation est un solide fondu (donc un liquide ou une pâte), pur ou mélange de plusieurs constituants. La sortie du procédé est constitué d'une ou plusieurs phases solides.
- "voie humide" ou cristallisation en solution: le soluté est initialement en phase liquide dans un solvant. Il est cristallisé (solidification ordonnée selon une structure régulière) au sein de la solution soit par évaporation de solvant, soit par refroidissement de la solution, soit les deux. En sortie de procédé, on obtient ainsi 2 ou 3 phases: une phase vapeur (constituée de solvant pur), une phase solide cristallisée (qui peut contenir ou non du solvant), et une phase liquide contenant du solvant et du soluté dissous, en général à saturation et appelée "eaux mères" ou "liqueur mère".
Rq: dans la suite, on ne considère que la cristallisation en solution, ou "voie humide".
Le phénomène de cristallisation en solution n'est pas instantanné, il suit une cinétique complexe qui peut se représenter par les deux mécanismes suivants:
- Nucléation (ou germination): c'est la formation de tout petits cristaux (appelés germes), de quelques dizaines de microns, à partir d'une solution sursaturée. La nucléation de se produit spontanément qu'à partir d'un certain taux de sursaturation, qui dépend du sel considéré mais aussi des conditions opératoires (pureté de la solution, contenant, agitation, etc...)
- Grossissement: la cristallisation se produit à la surface des germes, avec accroissement de leur taille. Ce phénomène se poursuit jusqu'à ce que la solution rejoigne la courbe d'équilibre. La solution obtenue en fin de cristallisation est ainsi (théoriquement)à exactement à saturation (à la limite de solubilité du sel).
- La qualité finale des cristaux formés (taille et répartition) dépend des vitesses de germination et de grossissement.
Ensemencement: on appele ensemencement l'introduction de germes dans une solution sursaturée. Cela permet de déclencher le phénomène de cristallisation (par grossissement des germes) sans attendre la nucléation spontannée, qui n'a lieu qu'a partir d'un certain taux de sursaturation. L'introduction de germes en taille et nombre déterminé permet également d'influencer la qualité des cristaux obtenus en fin de cristallisation (peu de cristaux en nombre et taille importante, ou au contraire beaucoup de cristaux de très petite taille).
Blindage: on appelle blindage de la surface d'échange thermique du cristalliseur le phénomène de dépôt de solide cristallisé sur cette surface. Le blindage nuit au coefficient d'échange thermique et conduit à un arrêt pour nettoyage en cas d'accumulation trop importante. Ce phénomène se produit en cas de sursaturation importante de la solution au niveau de la paroi froide, et/ou de faible vitesse de circulation.
Classification: on appele classification le fait de ne soutirer du cristalliseur que les cristaux ayant atteint une certaine dimension. Cette classification est obtenue par une circulation ascendante de la solution au sein du cristalliseur, ce qui permet de ne soutirer en fond que les cristaux ayant une taille telle que leur vitesse limite de chute soit supérieure à la vitesse ascendante. En faisant varier la vitesse de circulation, on peut ainsi régler la taille des cristaux obtenus. Les petits cristaux qui sont entrainés peuvent être recyclés jusqu'à atteindre la taille requise par grossissement, soit être redissous.
