DETERMINACIÓN DE LA CINÉTICA DE CRISTALIZACIÓN PARA EL DISEÑO DE REACTORES CONTINUOS Y AGITADOS EN LA PRODUCCIÓN DE CARBONATO DE LITIO A PARTIR DE SOLUCIONES DE BICARBONATO DE LITIO

Abstract

La distribución de tamaño de cristales CSD, “Crystal Size Distribution” afecta directamente la eficiencia de filtración, secado, molienda, compactación y transporte del producto obtenido en la cristalización, por lo que es de interés poder diseñar la distribución de tamaño en función de las variables de entrada en reactores continuos. Se plantea una metodología y diseño experimental en base a la solución del balance poblacional, donde se estudia la evolución de la distribución de tamaño de cristales en un reactor batch para determinar los parámetros cinéticos de los mecanismos de nucleación y crecimiento. Con la cinética se diseña la distribución de tamaño de partícula y el volumen de un reactor continuo con suspensión y corriente de producto homogéneamente agitados MSMPR “Mixed Suspension, Mixed Product Removal”. La metodología se llevó a cabo para diseñar el proceso de cristalización de carbonato de litio a partir de soluciones de bicarbonato de litio, que corresponde a la etapa de purificación del producto para la venta al mercado de baterías. Se midieron las distribuciones en el tiempo con un 43% de error mediante dispersión de rayos láser, y se observó la evolución de la estructura cristalina vía microscopio electrónico de barrido SEM. La constante cinética desde la fase líquida fue de segundo orden, con un valor de 1,71 ∗ 10−3 𝐿/𝑔𝑚𝑖𝑛, y un 30% de error con respecto a la literatura. Las distribuciones en el tiempo permitieron obtener el comportamiento de los momentos, con los que se ajustó el orden de 𝑔 4,36 4,36 y constante 260,4 1/𝑚3 𝑠 ( 𝐿 ) 𝑔 1,96 constante 1,28 ∗ 10−11 𝑚/𝑠 (𝐿 ) para la velocidad de nucleación, y orden 1,96 y para la velocidad de crecimiento. Con la cinética obtenida se diseñó el tamaño de partícula de los cristales de carbonato de litio de un reactor MSMPR, aumentado el tamaño con valores de supersaturación menores y tiempo de residencia mayores. Se analizó un caso base de producción de 200 kg/h y concentración de entrada de carbonato de litio de 40 g/L, donde se encontró que para el caudal de operación de 15-30 m3/h se reduce el volumen del reactor entre 13-17 m3, aumentando al mismo tiempo la distribución de tamaño de partícula a valores de L50 de 65- 97 µm. La metodología entregó el comportamiento y evolución de las distribuciones de tamaño en el tiempo que permitió calcular la cinética a partir del método de los momentos. Su aplicación, es transferible a cualquier proceso de cristalización.