Adsorción Oscilación Térmica

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12 UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA Facultad de Industrias Alimentarias Ingeniería de Alimentos II I. INTRODUCCIÓN Debido al progresivo desarrollo de las diferentes industrias, se están elevando la producción los subproductos o derivados de las cadenas manufactureras. La emisión de grandes volúmenes de dióxido de carbono, como resultado del crecimiento económico e industrial, hacia la atmosfera, provocando un mayor efecto en el cambio climático, o el deseo de obtener sustancias con menor cantidad de agua, o menor cantidad de elementos traza, o compuestos orgánicos volátiles, para la elaboración de un producto de mejor calidad ha permitido el desarrollo de una tecnología que sea capaz de responder a estas necesidades en las diversas industrias. La adsorción es un proceso mediante el cual las moléculas de un soluto, gas o líquido son transferidas hacia una superficie sólida, en la cual estas moléculas son retenidas como resultado de las interacciones que se producen entre ellas y la superficie adsorbente. La adsorción con oscilación térmica se caracteriza por permitir una cantidad de moléculas retenidas por el absorbente dependiente de la temperatura, en una razón inversa para determinadas condiciones de presión y concentración del gas, y dentro de sus beneficios esta la baja capacidad de retención luego de la desorción por parte del absorbente, es decir, una baja carga residual; menos costoso; y permite el almacenamiento de grandes cantidades de adsorbato. La adsorción con oscilación de presión, en cambio, es dependiente de la presión, en una razón directa, para determinadas condiciones

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I. INTRODUCCIÓN

Debido al progresivo desarrollo de las diferentes industrias, se están elevando la

producción los subproductos o derivados de las cadenas manufactureras. La emisión de

grandes volúmenes de dióxido de carbono, como resultado del crecimiento económico e

industrial, hacia la atmosfera, provocando un mayor efecto en el cambio climático, o el

deseo de obtener sustancias con menor cantidad de agua, o menor cantidad de

elementos traza, o compuestos orgánicos volátiles, para la elaboración de un producto de

mejor calidad ha permitido el desarrollo de una tecnología que sea capaz de responder a

estas necesidades en las diversas industrias.

La adsorción es un proceso mediante el cual las moléculas de un soluto, gas o líquido son

transferidas hacia una superficie sólida, en la cual estas moléculas son retenidas como

resultado de las interacciones que se producen entre ellas y la superficie adsorbente.

La adsorción con oscilación térmica se caracteriza por permitir una cantidad de moléculas

retenidas por el absorbente dependiente de la temperatura, en una razón inversa para

determinadas condiciones de presión y concentración del gas, y dentro de sus beneficios

esta la baja capacidad de retención luego de la desorción por parte del absorbente, es

decir, una baja carga residual; menos costoso; y permite el almacenamiento de grandes

cantidades de adsorbato.

La adsorción con oscilación de presión, en cambio, es dependiente de la presión, en una

razón directa, para determinadas condiciones dadas de temperatura y concentración del

gas. Este tipo de sistemas se caracteriza por elevadas cargas residuales, bajas cargas de

operación, es decir, una disminuida capacidad de almacenamiento.

La adsorción con oscilación al vacío, en cambio, opera a temperatura y presión casi

ambiente. La simplicidad del proceso de adsorción por oscilación al vacío puede permitir

una mayor eficiencia y ahorro de costes, y menos mantenimiento que los otros sistemas.

El objetivo del siguiente trabajo es conocer los fundamentos y las diversas aplicaciones de

sistemas de adsorción por oscilación térmica, a presión y de vacío.

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II. REVISIÓN DE LITERATURA

2.1. Adsorción por Oscilación térmica

Los procesos de adsorción por oscilación térmica se caracterizan por bajas cargas

residuales (tras la desorción, el adsorbente retiene muy poco adsorbato) y elevadas

capacidades de operación (es capaz de almacenar grandes cantidades de adsorbato).

Estas capacidades elevadas y concentraciones reducidas permiten tiempos de ciclo

largos (de horas a días). Los tiempos de ciclo largos son necesarios porque las partículas

de adsorbente responden lentamente a las variaciones de temperatura en el gas, debido a

la gran inercia térmica del adsorbente (USEPA, 1999).

El sistema tradicional de adsorción con carbón utiliza vapor para elevar la temperatura del

COV adsorbido y evaporarlo del carbón después de que éste ha adsorbido el COV. A esto

se le ha llegado a conocer como un sistema de regeneración por oscilación térmica. Se le

llama así, porque durante la regeneración la temperatura generalmente oscila entre la del

ambiente y los 121° a 177 °C. Un sistema de regeneración por oscilación térmica se

muestra esquemáticamente en el diagrama de la figura 1.

Figura 1. Sistema de Adsorción por oscilación Térmica (Regeneración con Vapor)

Fuente: USEPA (1999)

USDA (2008), agrega que algunas ventajas que se han encontrado en relación a otros

procesos son:

Trabaja a presiones inferiores a 4 bares.

Los costos de operación en este sistema son menos caros.

Se alcanza una alta pureza de los productos con este sistema.

Tiempos de ciclo largos

Muy baja carga residual, después de la desorción del absorbato.

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La adsorción por oscilación de temperatura es ampliamente utilizada para el secado de

aire, eliminación y remoción de olores y dióxido de carbono, y para la eliminación de

cantidades traza de compuestos orgánicos procedentes de gases de ventilación que

utilizan carbón activado como adsorbente. El carbón activado puede entonces ser

regenerado con vapor.

2.1.1. Aplicaciones de la Adsorción por Oscilación Térmica

a) Deshidratación del Gas Natural

El tema de la deshidratación del gas natural (GN) está estrechamente relacionada con el

almacenamiento de gas natural. Hay dos razones básicas por almacenamiento de gas

natural es importante. En primer lugar, se puede reducir la dependencia del suministro de

gas natural. Con esto en mente, se crean reservas estratégicas nacionales. En segundo

lugar, el almacenamiento GN permite la capacidad máxima de las líneas de distribución

para ser explotado. GN se almacena en los períodos de verano, cuando hay una menor

demanda de ella, y se retira en los períodos de invierno, cuando se utilizan grandes

cantidades de gas natural para la calefacción. Almacenamientos subterráneos de gas

(UGS) son la opción más ventajosa para el almacenamiento de grandes volúmenes de

gas (USEPA, 1999).

USEPA (1999), dice que dependiendo de la época del año y la ubicación geográfica, si la

temperatura de las paredes de tuberías o tanques de almacenamiento disminuye por

debajo de la temperatura de rocío de los vapores de agua presentes en el gas, el agua

comienza a condensarse en las superficies frías, y pueden aparecer los siguientes

problemas:

El gas natural en combinación con el agua líquida puede formar hidrato de metano.

El hidrato de metano es un sólido en el que está atrapado una gran cantidad de

metano dentro de cristales de agua, formando un sólido similar al hielo. La

producción de hidrato de metano a partir de una cantidad unitaria de agua es más

alta que la formación de hielo. Los hidratos de metano que se forman por el

enfriamiento pueden tapar las válvulas, los accesorios e incluso tuberías.

GN disuelto en el agua condensada es corrosivo, especialmente cuando contiene

CO2 o H2S.

El agua condensada en la tubería provoca flujo de lodo y erosión.

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El vapor de agua aumenta el volumen y disminuye el valor de calentamiento del

gas.

GN con la presencia de vapor de agua no puede ser operado en plantas

criogénicas.

Uno de los métodos para la deshidratación es la adsorción de agua por un desecante

sólido. En este método, el agua es generalmente adsorbida sobre un tamiz molecular, en

un gel de sílice o en alúmina.

La cantidad de moléculas de agua adsorbidas aumenta con la presión del gas y disminuye

con su temperatura. Estos hechos se tienen en cuenta cuando los parámetros de proceso

están diseñados. Columnas de deshidratación por adsorción siempre funcionan

periódicamente. Se utilizan un mínimo de dos sistemas de lecho. Típicamente una cama

seca el gas mientras que el otro está siendo regenerado. La regeneración se lleva a cabo

por gas precalentado, o por parte de la deshidratado GN (USDA, 2008).

En las aplicaciones clásicas, el calentador de TSA se realiza como un quemador de

ordinario o como un intercambiador de calor de carcasa y tubos calentados por vapor o

aceite caliente. El gas de regeneración se calienta en el calentador y desemboca en la

columna. En la columna pasa a través del adsorbente y desorbe el agua en el gas de

regeneración. El gas de regeneración de agua saturado luego desemboca en el

refrigerador. El enfriador por lo general utiliza aire frio para disminuir la temperatura del

gas de regeneración. Cuando se enfría el gas de regeneración de agua saturado, la

condensación parcial del agua se produce. El gas de regeneración es conducido hacia el

separador, donde se elimina el agua condensada (Parker, 1983).

Figura 2. Esquema de la Deshidratación de Gas Natural

Fuente: USEPA (1999)

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b) Purificador sin válvula por Adsorción por oscilación de temperatura para la

producción de biogás a partir de estiércol animal

Para mejorar significativamente la conversión de los residuos estiércol en biogás a gas

natural de alto valor, tenemos la intención de llevar a cabo el desarrollo inicial de un

innovador purificador de adsorción por oscilación térmica que elimina válvulas y

proporciona eliminación continua de las concentraciones masivas de dióxido de carbono a

aproximadamente 50 ppm a partir de biogás con aproximadamente 65 por ciento de

metano y dióxido de carbono 32 por ciento. La demostración con éxito de esta innovación

debe reducir sustancialmente los costos de capital y de operación de purificación de

biogás a partir de residuos animales distribuidos a escala para proyectos de energía de

alto valor (Parker, 1983).

2.2. Adsorción por oscilación de presión (PSA)

Se han consolidado como procesos de adsorción para la purificación en tan solo tres

décadas. Los secadores de PSA se llevan utilizando durante años a escala industrial para

la deshumidificación del aire comprimido. A finales de los años 50, Skarstrom (1960)

inventó el primer proceso de adsorción realmente cíclico para secar el aire: el secado sin

calor o adsorción por oscilación de presión (PSA). Skarstrom (1972) revisó el desarrollo

del secado sin calor en 1972. White (1988) describió varias metodologías que originaron

principios de diseño para la purificación del aire a través de la PSA. La introducción de los

sistemas de PSA en las unidades ASU es un tema de estudio reciente.

Los sistemas de PSA, al igual que los sistemas de TSA con entrada de aire a

temperatura ambiente, funcionan sin intercambiadores DCAC ni preenfriamiento.

Para su regeneración no es necesario el calor externo. El funcionamiento de un sistema

de PSA consta de las siguientes fases:

1. Despresurización de la primera capa hasta alcanzar la presión atmosférica.

2. Regeneración de la primera capa con gas seco a baja presión.

3. Represurización de la primera capa hasta alcanzar la presión de entrada con gas seco.

4. La primera capa pasa a la entrada.

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Figura 3: Sistema de PSA

Es importante tener en cuenta que, a diferencia de los sistemas de TSA, el ciclo operativo

de un sistema de PSA es corto, aproximadamente de 20 minutos. Al finalizar el tiempo de

entrada o de funcionamiento descritos anteriormente, se despresuriza la primera capa. La

despresurización reiterada de los sistemas de PSA conlleva la liberación de aire

presurizado a la atmósfera. Este hecho se conoce como "pérdida de carga" y repercute

negativamente en el consumo de energía del compresor de aire principal (MAC) de la

unidad ASU. Por tanto, es recomendable que el sistema de PSA funcione durante el

mayor tiempo posible, lo que puede lograrse con adsorbentes de PSA mejorados

2.2.1. Aplicaciones de PSA

Una de las aplicaciones principales de PSA está en la eliminación de dióxido de

carbono como el paso final en la síntesis comercial a gran escala de hidrógeno para su

uso en refinerías de petróleo y en la producción de amoniaco. Las refinerías a menudo

utilizan la tecnología PSA en la eliminación de sulfuro de hidrógeno a partir de

alimentación de hidrógeno y reciclan corrientes de hidrotratamiento e hidrocraqueo

unidades. Otra aplicación de PSA es la separación de dióxido de carbono de biogás

para aumentar el contenido de metano. A través de PSA el biogás se puede actualizar

a una calidad similar a la del gas natural.

Unidades de generador de nitrógeno emplean la técnica de PSA para producir gas

nitrógeno de alta pureza a partir de un suministro de aire comprimido.

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La investigación está en marcha para PSA para capturar CO2 en grandes cantidades

de las plantas eléctricas de carbón antes de geosequestration, con el fin de reducir la

producción de gases de efecto invernadero a partir de estas plantas.

PSA es una opción económica para la producción a pequeña escala de oxígeno pureza

razonable o nitrógeno del aire. La tecnología de PSA tiene un uso importante en la

industria médica para producir oxígeno, particularmente en las partes remotas o

inaccesibles del mundo donde de almacenamiento a granel cilindro criogénico o

comprimido no es posible.

PSA también se utiliza en los sistemas de prevención de incendios de aire hipóxico

para producir aire con un bajo contenido de oxígeno.

PSA también se utiliza en una planta de propileno a través de propósito en la

deshidrogenación de propano. Consiste en un medio selectivo para la adsorción

preferente de metano y etano durante hidrógeno.

PSA también ha sido discutido como una alternativa de futuro para la tecnología

absorbente no regenerable utilizado en traje LifeSupportSystems primarios del espacio,

con el fin de ahorrar peso y prolongar el tiempo de funcionamiento del mismo.

Figura 4. Proceso TSA y PSA.

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2.3. Adsorción por oscilación de vacío (VSA o VPSA)

La adsorción por oscilación de vacío (VSA) es una tecnología no criogénica de

separación de gases. Usando sólidos especiales, o adsorbentes (zeolitas), la tecnología

VSA segrega los gases de una mezcla gaseosa bajo presión mínima de acuerdo a las

características moleculares y afinidad por los adsorbentes de las especies. Estos

adsorbentes forman un tamiz molecular y adsorben preferentemente las especies

gaseosas objetivo (oxígeno, CO2, N2, etc.) a una presión cercana a la ambiental. El

proceso luego cambia a presión de vacío para regenerar el material adsorbente (UNEP,

2010).

2.3.1. VPSA para generación de oxígeno

Un diagrama simplificado para un sistema VPSA para producir oxígeno se ilustra en la

figura 5. El adsorbente está contenido en tres contenedores verticales. Los lechos están

ciclados de tal manera que uno está en modo de adsorción mientras otro está siendo

despresurizado y el tercero está en modo de desorción o siendo regenerado. Los

sistemas de dos lechos o tres lechos, ambos son usados.

2.3.1.1. Descripción del proceso

El aire atmosférico es comprimido a 3.5 psig con la alimentación del soplador de aire. La

corriente es luego enfriada con agua de enfriamiento para remover el calor de la

compresión. El aire de la alimentación luego entra a una combinación de filtro y

coalescedor el cual remueve partículas y gotas condensadas de agua y aceite.

La alimentación de aire entra a uno de los lechos de zeolita y fluye hacia arriba a través

del lecho. La zeolita absorbe el nitrógeno del aire y envía una corriente de oxigeno de un

90 – 95% de pureza. La corriente de oxigeno es luego comprimida, enfriada y enviada a

los límites de batería de la planta a la presión y temperatura requeridos para la aplicación

de corriente hacia abajo. Un tambor de compensación se usa para moderar las

fluctuaciones en la velocidad de flujo que ocurren como consecuencia de intercambiar los

lechos entre los modos de adsorción y regeneración.

Los lechos de zeolita que no están en el modo de adsorción son regenerados. Primero,

los dos lechos son igualados en presión. Uno de los lechos es luego regenerado a una

presión de 4.2 psia. El soplador de vacío es usado para evacuar el lecho que está bajo

regeneración. El producto de oxígeno es usado para presurizar el lecho regenerado antes

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de que sea colocado en servicio para el ciclo de adsorción. Los tres lechos están ciclados

de manera tal que una corriente continua oxigeno sea producida (Gunardson, 1998).

Figura 5. Unidad VPSA de producción de oxígeno. (Fuente: Gunardson, 1998)

2.3.2. VPSA para la captura de CO2

Xiao et al (2008) explica que hay cinco pasos básicos empleados en la mayoría de

diseños de procesos VSA, los cuales incluyen adsorción, desorción, re-presurización,

ecualización de presión y purga de producto. En la figura 3 se puede observar este

proceso esquematizado.

II.3.2.2. Descripción del proceso

En la etapa de adsorción, el CO2 es adsorbido por el adsorbente empacado en la

columna a medida de que la alimentación de gas pasa a través de la columna, mientras el

flujo de CO2 limpio se expulsa a la atmósfera.

En la etapa de desorción, el CO2 adsorbido pasa por una desorción en el lecho y es

extraído en una fase gaseosa rica en oxigeno mediante la reducción de presión a niveles

de presión de vacío o presiones inferiores a la atmosférica.

En la etapa de re-presurización, la alimentación gaseosa o parte del CO2 sin impurezas

es usado para presurizar el lecho de adsorción, desde el fondo o parte superior del lecho,

hasta que la presión en el lecho es la misma a la de la etapa de alimentación para el ciclo

siguiente.

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Figura 3. Diseño de un ciclo de adsorción por oscilación de vacío. (Fuente: Xiao et al,

2008)

La ecualización de presión es usada en sistemas VSA de múltiples lechos. Un lecho a alta

presión (generalmente luego de la adsorción) transfiere gas a un lecho que está a menor

presión (luego de la desorción al vacío) hasta que sus presiones se igualen.

Para la purga de producto, parte del producto extraído o un gas rico en CO2 es usado

para purgar el lecho antes de la etapa de desorción. Sin embargo, para obtener un

producto de alta pureza de CO2, la presión en la parte superior del lecho necesita ser

controlada a la misma presión que en el último proceso de ecualización.

II.3.3. Aplicaciones del VPSA

Algunas de las principales aplicaciones industriales del VPSA incluyen (Roque Malherbe,

2007):

Industria del hierro y el acero: Reducción directa, arcos eléctricos, hornos de

recalentamiento, etc.

Industria del no hierro: Hornos a la cabeza, industria del cobre y zinc, lixiviación

química para la extracción de minerales.

Industria del papel y pulpa: Blanqueo de oxígeno, deslignificación y generación de

ozono.

Industria química: Reacciones de oxidación química usando oxigeno reduce el gas de

ventilación y, por tanto, la energía y capital usado.

Tratamiento de aguas residuales: Oxidación húmeda, incineración y vitrificación.

Industria del vidrio: Enriquecimiento de hornos. Quemadores de oxígeno tienen una

flama más intensa, resultando en una mejor transferencia de calor, la cual reduce el

tamaño del horno y el consumo de combustible.

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Industria de alimentos: Crianza de peces y fermentación.

Cromatografía: La adsorción por oscilación de vacío se aplica a fluidos supercríticos

para fraccionar los aceites esenciales de los cítricos. En un ciclo de operación

realizado por Meirleless (2008), aplica una baja presión al aceite de color naranja el

cual pasa a través de una columna a 8.8 MPa y 313 K.

Envasado: Se separa nitrógeno por adsorción por oscilación de vacío el cual es usado

para envasar botellas de vino y cerveza. También se utiliza al envasar frutos,

vegetales, pan y queso. El nitrógeno extraído es de las plantas el cual ofrece una

flexibilidad en cuanto a cantidad y tiempo de producción de nitrógeno.

Purificación de emisiones de gases en plantas de alimentos: Se utiliza adsorción por

oscilación de vacío para purificar el aire junto con un proceso de HP; donde gases con

un considerable contenido de hidrógeno son purificados con altos rendimientos.

Evaporación de disolventes (Análisis de Alimentos): Se utiliza la tecnología de

adsorción por oscilación de vacío en el DS – PSA LCMS regenerador de Nitrógeno.

Esta tecnología funciona encontrando corrientes de gases con una presión

determinada. También se utiliza para evaporar disolventes los cuáles son utilizados en

análisis a alimentos en la Industria Alimentaria.

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