Purification par cristallisation

La cristallisation est un procédé efficace de séparation et de purification de composés minéraux ou organiques.
Pour les composés minéraux elle est souvent le seul moyen de purification possible.
Pour les composés organiques, c'est parfois un moyen économique de séparer des isomères ou autres impuretés à point d'ébullition très proches, pour lesquels la séparation par distillation serait très coûteuse.

Equilibre des phases

Les phases solide et liquide d'un mélange de substances sont représentées par des diagrammes de phase, décrivant en fonction de la température les compositions de phases en équilibre.
On distingue principalement deux systèmes:
- les mélanges dont les constituants ne sont pas miscibles en phase solide
- les mélanges dont les constituants sont partiellement miscible en phase solide
Dans le premier cas, les cristaux qui apparaissent au sein du mélange sont constitués d'un produit pur.
Le produit qui cristallise dépend de la composition de la phase liquide, et non pas des points de fusion des composants.
On peut ainsi théoriquement extraire en une seule opération un produit pure. En pratique, les cristaux formés emprisonnent une partie de la phase liquide ce qui réduit la pureté du produit obtenu.
Si les constituants sont partiellement miscible en phase solide, les cristaux formés sont composés d'un mélange, plus riche que la phase liquide en l'un des constituants.
Les cristaux obtenus doivent donc être recristallisés à nouveau pour atteindre progressivement la pureté désirée. C'est la cristallisation fractionnée.

Pratique de la cristallisation

La cristallisation peut être opérée à partir d'une solution dans un solvant ou d'un mélange fondu.
Il y a cristallisation lorsque la solubilité d'un des composants dans le milieu est dépassée (sursaturation).
La sursaturation peut être obtenue par refroidissement, par évaporation du solvant ou par une réaction chimique qui accroît la concentration d'un des composants.
Plus la sursaturation est grande et plus la vitesse de cristallisation est grande.

Cristallisation d'un mélange fondu

C'est un procédé couramment employé pour purifier des substances organiques qui ne peuvent l'être facilement par distillation:
- para xylène
- para dichlorobenzène
- naphtalène
- para nitrochlorobenzène
- 4 chlorotoluène
- xylènols
- crésols
- butyl hydroxyl toluène
- bisphénol A
- phénol
- alpha/bêta naphtol
- caprolactame
- dérivés de la pyridine
- diméthyl téréphtalate
- dichloro nitrotoluène
- acide monochloracétique
- acide benzoïque
- acide acrylique
- acide crotonique
- acide méthacrylique
- di isocyanates
- hexaméthylène diamine
- hydrazine

La cristallisation est obtenue par refroidissement sur une paroi.
Deux techniques:
- des éléments refroidis sont introduits dans la masse fondue
- la masse fondue s'écoule en film tombant à l'intérieur de tubes refroidis (procédé SULZER)

Le processus comporte trois phases:
- cristallisation
- ressuage
- fusion

Cristallisation:
Les cristaux forment une couche adhérante à la surface de la paroi refroidie.

Ressuage ou fusion partielle:
La paroi est lentement réchauffée pour permettre aux impuretés incrustées de s'écouler.

Fusion complète:
Le réchauffage de la paroi provoque la fusion des cristaux accumulés, et le liquide obtenu est soit le produit désiré soit un produit de pureté intermédiaire. Il sera alors purifié à nouveau lors d'une ou plusieurs étapes supplémentaires de cristallisation.

Le procédé de cristallisation peut être couplé à un autre procédé de purification comme une distillation qui peut servir à enrichir à nouveau la liqueur appauvrie extraite de la cristallisation.