Deshidratación de etanol azeotrópico por adsorcion

8/17/2019 Deshidratación de etanol azeotrópico por adsorcion

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T RANSFERENCIA DE MASA – LEA EN LA UN Departamento de Ingenieria Quimica y Ambienta!Uni"er#idad Naciona de Coombia – Sede $ogot%!

Development and validation of an adsorption model based

in periodical changes in pressure for the azeotropic ethanol

dehydration

Desarrollo y validación de un modelo de adsorción basado en cambios

periódicos de presión para la deshidratación de etanol azeotrópico

J. E. Chavarrío Cañas¹, J. F. Saavedra Castañeda²

ABSTRACT

Nowadays Colombian legislation demands an 8% in volume of ethanol in petrol that is sold. This ethanol must be highly pure,hence, it has to be obtained by distillation until azeotropic point and later a separation by adsorption of water in 3 zeolites. There

are two techni!ues for the azeotropic ethanol dehydration, one is the temperature swing adsorption "T#$ at constant pressureand the other is the pressure swing adsorption "$ at constant temperature. $ model for startup and operation of a $pac'ed column with 3 zeolites was generated doing material, energy and momentum balances over a di(erential element inthe column. The model was compared with e)perimental $ data* it was found that the model ad+usts very well thee)perimental data and it is concluded that this model is valid for this process simulation. inally, a pilot plant was designed andbuilt in the chemical engineering laboratory "-/ of the 0niversidad Nacional de Colombia in 1ogot2, which will allow studyadsorption processes with other substances.

Keywords: $zeotropic ethanol, anhydride ethanol, 3 zeolites, $ adsorption, mathematic model, pilot plant.

RESUMEN$ctualmente la legislacin colombiana e)ige !ue se agregue un 8% en volumen de etanol a la gasolina !ue se distribuye* eletanol para dicho 4n tiene !ue tener un alto grado de pureza, por ello, debe ser obtenido mediante una destilacin hasta el

punto azeotrpico y posteriormente una separacin por adsorcin del agua en zeolitas de 3. 5)isten dos t6cnicas para ladeshidratacin de etanol azeotrpico, una con variaciones oscilatorias en la temperatura de traba+o a presin constante "T#$,y otra con variaciones oscilatorias en la presin a temperatura contante "$. #e gener un modelo para el arran!ue yoperacin de una columna de adsorcin empacada con zeolitas de 3 con cambios oscilatorios en la presin, realizandobalances de materia, energ7a y momentum sobre un elemento diferencial de la columna. 5l modelo encontrado se comparcontra datos e)perimentales reportados en la literatura para la deshidratacin de etanol azeotrpico con oscilaciones en lapresin, encontr2ndose !ue el modelo los a+ustaba muy bien y concluyendo !ue era v2lido para la simulacin de este proceso.inalmente se dise y construy una planta piloto en el laboratorio de ingenier7a !u7mica -/ de la 0niversidad Nacional deColombia sede 1ogot2 !ue permitir2 estudiar la naturaleza de procesos de adsorcin con otras sustancias.

Palabras Clave: 5tanol azeotrpico, etanol anh7drido, zeolitas 3, adsorcin $, modelo matem2tico, planta piloto.

1. Introdu!"n

1.1. Antecedentes

-os combustibles fsiles son una causa importantede del deterioro constante del ambiente, ya !ue losproductos de su combustin generan un desgaste ala capa de ozono. 0na solucin viable para esteproblema es la combinacin de dichos combustiblescon etanol, un combustible totalmente renovable.5n 9::; el gobierno colombiano decidiimplementar una normativa para !ue se mezclaran

combustibles renovables con los fsiles para reducirel impacto sobre el ambiente, implementacinamparada ba+o la ley cuando se estandariz esta pr2cticaba+o la norma NTC >3:8 de 9::> "C?NT5C, 9::>,!ue est2 en rigor actualmente.

-a preocupacin por la creciente e)pansin en laproduccin de etanol, hizo !ue para la 6poca elgobierno colombiano en con+unto con algunas

;


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DESARR&LL& ' (ALIDACI)N DE UN M&DEL& DE ADS&RCI)N $ASAD& EN CAM$I&S*

organizaciones nacionales e internacionalesrealizaran un estudio sobre el impacto y lasostenibilidad de la produccin de biocombustibles.5ste estudio concluy !ue el uso de etanol comocombustible tiene un @A% menos de emisiones deB5 "Bases 5fecto nvernadero comparado con lagasolina.

#in embargo, para lograr producir el su4cienteetanol para todo el pa7s se tuvo !ue reducir a unm7nimo de 8% vv de etanol. Bracias a dichareduccin porcentual desde 9:;: la produccin deetanol es su4ciente para abastecer a todo elterritorio nacional. 5n la igura ; se muestra laevolucin de la cantidad producida de etanol desde9::>, ao en !ue se empezaron a realizare)pansiones en los ingenios azucareros.

#!$ura 1. Evolu!"n de la %rodu!"n de etanol en Colo&b!adesde '((). #uente *R!vera+ '(1,+ %. )-

5ntre los mayores productores en el pa7s seencuentran ncauca, &rovidencia, Disaralda yEanuelita. $ctualmente se est2 pensando en laconstruccin de dos nuevas plantas de destilacin,una en el ingenio DioF&aila en el Galle del Cauca y

otra en el Eeta con el ob+etivo de llegar al ;:% !uese hab7a establecido en la ley


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C4A(ARR5& ' SAA(EDRA

del sistema y !ue se fundamenta en laa4nidad molecular por la super4cie libre dealgunos solidos porosos denominadosadsorbentes. Beneralmente se usa s7lica gelo zeolitas "!ue actIan como tamicesmoleculares para remover una grancantidad de agua, caracter7stica !ue hace!ue se pueda llevar a cabo una separacindiferenciada por tamao de part7cula.

-a eleccin de la me+or tecnolog7a depende de loscostos 4+os, facilidad de mane+o, bene4ciosambientales y seguridad en la operacin. 5nt6rminos generales la adsorcin tiene venta+assobre las otras t6cnicas por!ue no es necesaria laagregacin de un tercer componente lo !ue reducela energ7a necesaria en evaporacin.

+!,!6! 3roce#o# de ad#orci.n

-os adsorbentes son el agente de separacin en lasoperaciones unitarias !ue los usan* los m2s usados

son zeolitas, alImina activada, carbn activado ys7lica gel. -a separacin a trav6s de adsorcin sepuede llevar a trav6s de tres mecanismosKtermodin2mico, cin6tico y est6rico. -atermodin2mica obedece a las interaccionesmol6cula M super4cie del adsorbente, la cin6tica alas velocidades de difusin y las est6ricas a lasdiferencias en tamao y con4guracin espacial delas mol6culas. -a eleccin del agente adsorbentedepende de cu2l mecanismo se pretenda favorecery !u6 condiciones de poro se re!uieran "4gura 3.

ndustrialmente e)isten dos m6todos de operacinde los lechos empacados usados en ladeshidratacin.

$dsorcin oscilatoria de temperatura T#$ $dsorcin oscilatoria de presin $

#!$ura 3. 4!str!bu!"n de %oro %ara d!versos a$entesadsorbentes. #uente *R!vera+ '(1,+ %. 1'-

5sta Iltima est2 basada en una oscilacin de lapresin total del sistema. 5s un proceso c7clico !uecuenta de adsorciones a alta presiones y

desorciones a ba+as debido a !ue el e!uilibriodentro de la columna de adsorcin depende de lapresin parcial del compuesto adsorbido en la fasevapor. 5n la 4gura A se ve !ue en el punto ; lacolumna de adsorcin tiene una carga !; y unafraccin molar y;, al aumentar la presin el nuevopunto es 9 !ue inmediatamente sube a presinconstante hasta 3, punto !ue est2 muy cerca de lasaturacin del medio a &;, posteriormente undescenso de presin hace !ue el sistema !uedesobresaturado efectu2ndose la desorcin yretornando 4nalmente al punto ;.

#!$ura ,. 4!a$ra&a del !lo de adsor!"n os!lator!o de%res!"n PSA. #uente *R!vera+ '(1,+ %. 15-

'. Metodolo$6a

5l desarrollo del modelo matem2tico para ladeshidratacin de etanol azeotrpico mediante

adsorcin oscilatoria permite obtener una serie deecuaciones !ue predicen el comportamiento delsistema luego de la solucin num6rica del modelo.Como es de esperar es necesario desarrollar unm6todo para validar el modelo y dar con4anza en!ue predice de buena manera el comportamientode la adsorcinFdesorcin.

2.1. Modelo matemático

-as columnas de adsorcin tienen una caracter7sticaparticular a la hora de realizar el modelo delsistema y es !ue siempre est2n en estado din2micodebido a !ue su capacidad de adsorcin es 4nita ypor lo tanto +am2s alcanzan el e!uilibrio.

-a 4gura > muestra un es!uema de la operacin delas columnas de adsorcin empacadas con tamicesmoleculares "en adelante zeolitas usadas para ladeshidratacin de etanol azeotrpico. -as v2lvulasblancas indican !ue est2n abiertas y las negras !ueest2n cerradasF

TRANSFERENCIA DE MASA – LEA EN LA UN 3


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#!$ura ). Esue&a de olu&nas e&%aadas on 7eol!tas

%ara la des/!drata!"n de etanol. #uente *R!vera+ '(1,+ %.'5-

$ nivel industrial las columnas empacadas usadaspara la adsorcin son de gran tamao por lo !ue elmodelamiento con tantas part7culas de empa!ue sehace imposible para detallar completamente elsistema y por lo tanto se pre4ere hacer uso de unelemento diferencial para detallar los fenmenos de

transferencia !ue se presentan. -os gradientesradiales son despreciados ya !ue la razn entre eldi2metro de la columna y el de las part7culas dellecho es mayor !ue ;: "Carmo L Bubulin, 9::9*Duthven ;=8A* #owerby L Crittenden, ;=88.

#!$ura 5. Ele&ento d!8eren!al de le/o %ara real!7arbalane de &ater!a. #uente *R!vera+ '(1,+ %. '9-

5l desarrollo del balance de masa sobre el volumende control "regin encerrada en las l7neaspunteadas genera la siguiente ecuacin diferencialparcial.

∂ Ć w∂ t

=−∂ nw

∂ z";

5l t6rmino derecho de la ecuacin se re4ere a lacontribucin al transporte por fenmenos difusivosy convectivos y el iz!uierdo a la variacin deconcentracin del agua en el volumen de control enfuncin del tiempo.

5n este caso la fase vapor se puede tratar como un

gas ideal ya !ue no se presentan asociaciones entrelos componentes de la mezcla y las presiones enadsorciones no llegan a ser las cr7ticas. -uego de uncambio de variables y consideraciones se llega a!ue

∂ y w

∂ t =

Dax

ε

∂2

yw

∂ z2 −

v s

ε

∂ yw

∂ z −(1− yw )

ρb

c g ε

∂ q

∂ t "9

∂ vs

∂ z =

− ρbcg

∂q

∂ t −

vs

P

∂ P

∂ z +

vs

T

∂T

∂ z −

ε

P

∂ P

∂ t +

ε

T

∂ T

∂t "3

-a ecuacin 9 ree+a el efecto ocasionado por ladifusin y conveccin sobre la fraccin molar de lafase vapor. -a ecuacin 3 ree+a a la velocidadsuper4cial con respecto a la remocin de material.

5l balance de energ7a se realiz de la mismamanera !ue con el de materia, es decir, con unelemento diferencial, con la salvedad de !ue eneste caso e)iste un u+o de calor desde el lechohacia las paredes de la torre.

-a relacin entre la velocidad del vapor y la presina lo largo del lecho est2 dada por la ecuacin de5rgun ya !ue en e)perimentos anteriores se hausado con 6)ito para la descripcin de esta relacinen sistemas de adsorcin "#imo, 9::8.

∂ P

∂ z − βP vs|vS|−α vs "A

α +√α 2+4 βP|∂ P∂ z|¿

vs=−2

∂ P

∂ z¿

">

∂ P

∂ t =

( ( dPdz )

2

+ P d

2

P

d z2

ε

√α 2

+4 βP

|∂ P

∂ z|)(6)

-a eleccin de la cin6tica de adsorcin es unaspecto cr7tico en el modelamiento del problema* seha encontrado !ue la ecuacin de ic' puedemodelar muy bien al sistema, pero se pre4ere elconcepto de fuerza impulsora lineal debido a !uereduce un poco el esfuerzo en c2lculos y se hademostrado !ue entrega buenos resultados "Nield L1e+an, 9::


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transferencia de masa de acuerdo con la ecuacin=, la primera presente en el uido, la segunda enlos macro poros y la tercera en los micro poros.

2.2. Método numérico

Hebido a !ue los modelos propuestos para losprocesos de adsorcin incluyen diferentesecuaciones diferenciales parciales, es necesariohacer un repaso de los m6todos disponibles para laresolucin de dichas ecuaciones.

5n general las ecuaciones diferenciales parciales!ue describen procesos f7sicos est2n en funcin detres coordenadas espaciales y una coordenadatemporal. Jaciendo un mane+o adecuado de lasconsideraciones con respecto al sistema puedellegarse a simpli4car el modelo a ecuacionesdiferenciales ordinarias. &ero en general lasecuaciones diferenciales parciales presentandi4cultad a la hora de encontrar solucin anal7tica,por lo !ue se recurre a los m6todos num6ricos paraobtener una solucin apro)imada del modelo. -osm6todos m2s empleados para la resolucin de lasecuaciones diferenciales parciales son descritos acontinuacinK

M7todo de di8erencia# 9nita# :MDF;

5ste m6todo se basa en reemplazar las derivadasincluidas en la ecuacin por apro)imaciones en lasseries de Taylor. 5ste m6todo es bueno gracias a sucomprensin, pero presenta problemas cuando eldominio tiene fronteras irregulares.

M7todo de "o segundos 5n este punto seabordaron dos casos l7mite* isot6rmico y adiab2ticopara reg7menes de adsorcin tanto lentos comor2pidos.

6!6!+! Modeo i#ot7rmico

&ara este an2lisis se omiten efectos t6rmicos, dedispersin, de variacin de presin y de variacinde velocidad, usando as7 solo el balance decomponente e)puesto en la ecuacin ;:. &ara lafuerza motriz se emple la apro)imacin lineal de laecuacin ;; y en cuanto al modelo termodin2micose emple la isoterma de -angmuir para zeolita 3$de la ecuacin ;9 a la ecuacin ;A.

∂ y w

∂ t =

−vsε

∂ yw

∂ z −(1− yw )

ρb

c g ε

∂ q

∂ t ";:

∂ q

∂ t = K LDF (q∗−q ) ";;

q∗¿qsb ! pw

1+b ! pw";9

b= b0

√ T exp (#

T r$

T ) ";3

qs=q0exp (% (1−T r$ T )) ";A

P las condiciones de frontera fueronK

q¿t =0=0∀ z ";> y& ¿t =0=0∀ z ";0 ";@

6!6!6! Modeo adiab%tico

&ara el modelo adiab2tico se hizo uso del balancede energ7a de la ecuacin ;8, despreciando lavariacin de presin, la variacin de velocidad y ladispersin. -as condiciones de frontera est2ne)puestas en la ecuacin ;= y 9:

∂T

∂ t =( ρb ! Ĉ Psε + ρg! Ĉ Pg)

−1

(−vs ! ρg !Ĉ Pg

ε

∂ T

∂ z −' ( ads

";8TRANSFERENCIA DE MASA – LEA EN LA UN >


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T ∨¿ z=0=T ∀ t >0¿

";=

T ∨¿t =0=T ∀ z¿

"9:

2.3. Validación del método

0na vez obtenidos los resultados de los modelos, esnecesario contrastarlos con datos e)perimentalesreportados en la literatura para la adsorcin deagua en zeolita 3$.

5l factor m2s importante a estudiar corresponde alcoe4ciente cin6tico, ya !ue este nos da informacinde la cin6tica !ue rige los procesos de adsorcin.&ara estimarlo e)iste el modelo -H "-inear Hrivingorce !ue separa la velocidad de adsorcin en dosKun potencial termodin2mico y un coe4cientecin6tico. &ara estimar 6ste Iltimo Jaynes L #arm";=@3 obtuvieron una e)presin para la dispersinde un frente de adsorcin correspondiente a la

suma de resistencias asociadas a los fenmenosinvolucrados. -a ecuacin = permite calcular elcoe4ciente cin6tico con resistencias en la pel7culadel uido, macroporosa y microporosa.

1

K LDF =

) ! r p

3 (1−ε b) K +

) ! r p2

15(1−εb)ε p! D p+

r c2

15 ! Dc"=

)= ρb ! q

cg"9;

-a anterior e)presin puede ser usada con 4nespredictivos si se dispone de la su4cienteinformacin, es decir, de los par2metros.

5n ese caso se usaron los datos reportados en eltraba+o de #imo y colaboradores "#imo et a, 9::=!ue reportan curvas de ruptura para zeolita 3$,estos datos se pueden ver en la igura @.

#!$ura 2. 4atos e0%er!&entales de urvas de ru%tura ad!8erentes te&%eraturas. #uente *R!vera+ '(1,+ %. )2-

5stos datos van a ser comparados con los obtenidospor el modelo matem2tico, en este caso se escogiun modelo de l7neas con diferencias 4nitas usando

una desratizacin upwind de primer orden, con segundos adem2s delintegrador ode+=# para resolver las ecuacionesdiferenciales ordinarias resultantes.

2.4. Presuriación ! des"resuriación

-as part7culas !ue conforman el lecho de adsorcin

de las columnas !ue traba+an con variaciones depresin "$ est2n e)puestas a un desgastemec2nico continuo, debido a los cambios abruptosde presin !ue se repiten una y otra. 5ste desgaste!ue es casi imperceptible entre cada ciclo deadsorcin se va acumulando durante la vida Itil dellecho.

Hiversos modelos se han desarrollado con el 4n depredecir el comportamiento din2mico de la presindentro de la columna. #egIn #ereno y Dodrigues"Citados por Divera, 9:;A la ecuacin de 5rgun !ueal inicio fue desarrollada para lechos saturados sinadsorcin ha tenido 6)ito en modelar lasvariaciones de presin para cambios en las

condiciones de fronteras de las etapas* ellosllegaron a esta conclusin al simular dos modelosdin2micos para columnas de adsorcin y laecuacin de 5rgun, encontrando !ue esta Iltimaten7a un alto grado de a+uste a las otras dos.

5l modelo din2mico !ue permite evaluar el cambiode presin a)ialmente haciendo uso de la ecuacinde 5rgun debido a lo !ue ya se e)pusoanteriormente esK

∂ P

∂ z =− βP v s|vs|−α v s "99

α =150 *g D p

2 (1−εb )

2

εb3

"93

β=1.75 P+

D p ,T

1−εbεb3

"9A

v s=

−2∂ P

∂ z

α +√α 2

+4 βP|∂ P∂ z |"9>

∂ P

∂ t

= 1

ε

√α 2+4 βP|

∂ P∂ z |(

∂ P

∂ z

)

2

+ P

ε

√α 2+4 βP|

∂ P∂ z |

∂2 P

∂ z

"9


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P (t =0 )=( P ads Pd$s )-∀ z - P ( z=0 )=./01$ntrada -∂ P

∂ z ( z= L )=0 ∀ t >0

2.#. Arran$ue ! o"eración

5n el arran!ue de los e!uipos de adsorcin se debetener especial cuidado y control. 5sto debido a lagran cantidad de calor !ue desprenden estosprocesos, esto genera un aumento r2pido detemperatura !ue puede causar daos en lose!uipos y comprometer la seguridad de laoperacin ya !ue se pueden presentar e)plosiones.&ara ello, la empresa 0?& "0?&, 9::= plantea lassiguientes recomendacionesK

• Dealizar purga del aire remanente.

• No introducir especies muy a4nes sin

realizar la preparacin del lecho.

• $limentar inicialmente una especie inerte eir ingresando gradualmente la especie aadsorber.

• Barantizar correcto funcionamiento derefrigeracin.

• Jacer alimentacin nominal cuando sehayan establecido los per4les detemperatura y composicin.

• #uspender operacin en caso de alcanzarun aumento de m7nimo 83 Q.

$ continuacin, se muestra el modelo 4nal !ue

apro)ima al sistema.

∂ y w

∂ t =

Dax

ε

∂2 yw

∂ z2 −

v s

ε

∂ yw

∂ z −(1− yw )

ρb

c g ε

∂ q

∂ t "9

∂ vs

∂ z =

− ρbcg

∂q

∂ t −

vs

P

∂ P

∂ z +

vs

T

∂T

∂ z −

ε

P

∂ P

∂ t +

ε

T

∂ T

∂t "3

∂T

∂ t =( ρb ! Ĉ Psε + ρg! Ĉ Pg)

−1

(−vs ! ρg !Ĉ Pg

ε

∂ T

∂ z −' ( ads

ρb

ε

∂ q

∂ t )

";8

∂ q

∂ t = K LDF (q∗−q ) ";;

∂ P

∂ z =−150

*g vs (1−εb )2

D p2

εb3 −

1.75 ρg vs2 (1−ε b )

D p εb3

"9@

k 2( ∂2T w

∂ z2 )+ 43w D D$xt 2 − D2 (T −T w)

∂ T w

∂ t =( ρ2 Ĉ p2)

−1¿

"98 ;

Tabla 1. Par&etros del le/o y !lo de PSA. #uente*R!vera+ '(1,+ %. ;)-

Par&etro Un!dades H m 9

t pr$# ;>

t ads# 3::

t dpr# ;>

t d$s #

v s4adsms :.9

v s4d$sms :.9

-a ecuacin de 5rgun al ser resuelta con los valoresde velocidad y presin nominales del proceso haarro+ado ca7das de presin de :.= psi en adsorcin y:.9 en desorcin por lo !ue estas dos operacionesse consideran como isob2ricas.

2.%. Planta "iloto de P&A "ara des'idratación

-a igura 8 muestra el es!uema de una planta dedeshidratacin de etanol azeotrpico, en este

es!uema el !uipo 5; sirve para realizar el cambiode fase del etanol azeotrpico l7!uido a estadovapor saturado y el e!uipo 59 sirve para pasar devapor saturado a vapor sobre calentado con el 4nde evitar condensaciones dentro del lecho.

-os lechos operan cerca de 98 psia en unaadsorcin y de 9 psia en una desorcin. -as v2lvulasde la ; a la < sirven para controlar el u+o deentrada y las corrientes de separacin y G&; sirvepara controlar la operacin dentro del sistemasegIn la operacin del ciclo !ue se vaya a realizar.-a regeneracin del lecho se realiza con el alcoholanh7drido !ue sale de la otra columna cuando est2operando en adsorcin. inalmente, el alcohol

anh7drido !ue abandona las columnas para a C9para ser condensado y poder almacenarlo en T3como alcohol anh7drido en fase li!uida.

5l lecho de las columnas de adsorcin est2constituido por zeolitas de 3R !ue fueron donadaspor una empresa del sector azucarero y fabricadaspor la empresa &D$S. -as propiedades f7sicas de laszeolitas se tomaron como las propiedadesreportadas por #imo y colaboradores "#imo et a.,9::= de zeolitas 3R de la empresa BraceFHavidson

TRANSFERENCIA DE MASA – LEA EN LA UN @


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debido a la gran similitud encontrada entre laszeolitas de esos fabricantes y las donadas.

#!$ura 9. 4!a$ra&a de una %lanta de adsor!"n de etanola7eotr"%!o. #uente *R!vera+ '(1,+ %. 11)-

Tabla '. Pro%!edades del le/o de adsor!"n. #uente: *S!&o+'((;-

Par&etro Un!dades =alor

ρbQgm3 @@:

ρ pQgm3 ;;==

D pmm 3.>@

ε F :.<

εbF :.3<

ε pF :.3@

Ĉ Ps SQg Q ;:A>

-a interaccin entre el agua y el lecho se describimediante la ecuacin ;9 a ;A obteni6ndose un valor

de carga absorbida de ! U 8., :.>; y:.@> ms. para evitar desgastes en el lecho se tomla m7nima velocidad de u+o.

&ara el diseo de la columna se intent en lo posiblemantener una relacin di2metro columna di2metropart7cula de ;: a 4n de solo tener cambiossigni4cativos de presin y composicin a lo largo dele+e z.

Dealizando los balances de energ7a se determin!ue se necesita para un u+o de alimento de @-huna potencia en 5; de ;89nd!es de s!&ula!ones %ara evaluar &?todonu&?r!o #uente *R!vera+ '(1,+ %. ,1-

K @4# s1 (.3 0 1(3 1).( 01(3

4!sret!7a!"n Nodos A:

<:

8:

A:

<:

8:

1 U%w!nd de %r!&erorden

; 9 3 ;3

;A

;>

' Centrada A > < ;<

;@

;8

3 U%w!nd de se$undoorden

@ 8 = ;=

9:

9;

, U%w!nd de uartoorden

;:

;;

;9

99

93

9A

$ manera de ilustracin de c2lculo se muestran losresultados para los dos modelos propuestos, elisot6rmico y el adiab2tico.

&ara el modelo isot6rmico con


9/13


#!$ura ;. PerDles %ara las s!&ula!ones !sot?r&!as 1,+ 12+'( y '3 en el entro del le/o. #uente *R!vera+ '(1,+ %. ,,-

Cuando se utiliza un coe4ciente cin6tico ba+o para

la simulacin los es!uemas upwind presentancomportamientos casi id6nticos y el es!uemacentrado presenta constantes oscilaciones, hasta elpunto de desbordar la memoria, por lo !ue no sepudo determinar el per4l. Con esto podemos decir!ue cuando la resistencia cin6tica es elevada loses!uemas upwind presentan los mismos resultados.$dem2s, los comportamientos con

' ( ads Smol F>>=89

ρ2Qgm3 8:::

Ĉ P2 SQg Q >::

TRANSFERENCIA DE MASA – LEA EN LA UN =


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k 2VQ m ;@

L m :.>;8

D m :.:3A

D$xt m :.:>8

5n la igura ;9 se muestran los resultadossuperpuestos de los datos e)perimentales "puntos,resultados con el coe4ciente de este traba+o "l7neacontinua y resultados con el coe4ciente propuestopor los investigadores de los datos e)perimentales"l7nea punteada.

Tabla ). Cond!!ones de los ensayos e0%er!&entales deurvas de ru%tura. #uente *R!vera+ '(1,+ %. )9-

I4 P Pa T K#N'

S@M#F

$G/4P

&&w; AA8 A;= ;> ;3.> 3,>@

;> ;3.> 3,>@

;> A:w3 AA8 A@3 ;> ;3.> 3,>@

;> A:wA AA8 AA: ;> ;3.> 3,>@;> A:

w> 99A AA: @.3> ;3.> 3,>@@.3> ;3.>

w< 3,>@93.9 ;3.>

w@ AA8 AA: ;> 9:.> 3,>@;> 9:.>

w8 AA8 AA: ;> 9@.> 3,>@;> 9@.>

w= AA8 AA: 3: 9@ 3,>@3: 9@

w;:

AA8 AA: A: ;3.> 3,>@A: 3<

#!$ura 1'. Curvas de ru%tura de adsor!"n aHustadas.#uente *R!vera+ '(1,+ %. 5'-

&odemos observar !ue el modelo propuesto sea+usta bastante bien al comportamiento real delsistema. Hado !ue las adsorciones son e)ot6rmicas,se favorecen a temperaturas ba+as, por esto elensayo w9 tiene mayor tiempo de ruptura y mayor

capacidad de retencin. Tambi6n se evidencia !ue amayor velocidad super4cial el tiempo de ruptura esmenor, ya !ue el lecho se satura m2s r2pidamente,esto se puede ver comparando los ensayos w;; yw;>.

5n cuanto a las desorciones es m2s complicado

identi4car los efectos de las variables estudiadas ya!ue tienen un car2cter m2s disperso. 5n la igura;3 puede verse !ue el a+uste es mucho menor al delproceso de adsorcin

#!$ura 13. Curvas de ru%tura de desor!"n aHustadas.#uente *R!vera+ '(1,+ %. 5'-

0na vez hecha la comprobacin de !ue el modeloes muy apro)imado a los datos e)perimentales seprocedi a de4nir la e)presin 4nal !ue predice elcomportamiento de la adsorcin de agua en zeolita3$. -a e)presin de la resistencia en la reginmicroporosa se presenta en la ecuacin 9= la cualdepende solo de la temperatura.

D c

rc2=0.9785exp (

−305808.314 !T

) "9=

5sta e)presin se us para predecir los coe4cientescin6ticos para cada ensayo y gra4car las curvas deruptura.

&ara el caso del arran!ue del proceso de adsorcinse realizaron distintas pruebas para veri4car la

inuencia de la fraccin de agua, la presin y losu+os de alimentacin sobre la din2mica delarran!ue de los lechos, mediante A propuestas,instant2nea, proporcional, cncava y conve)a. #erealizaron las pruebas hasta el punto !ue la cargapromedio de agua adsorbida variara menos de :.;Qgmol y la temperatura menos de ;Q.

-a variable !ue m2s presenta relacin con larespuesta del sistema es la fraccin de aguaalimentada, en la igura ;A se presentan los per4les

TRANSFERENCIA DE MASA – LEA EN LA UN;:


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en el arran!ue de la operacin para cada una de lasestrategias seleccionadas.

#!$ura 1,. PerDles de arranue on estrate$!as de 8ra!"nde a$ua al!&entada. #uente *R!vera+ '(1,+ %. 1(1-

#egIn los per4les de temperatura se puedeobservar la presencia de un r2pido aumento en latemperatura como se hab7a descrito anteriormente,en concordancia con :Ri"era> 6?+@; la solucin paradisminuir estos aumentos r2pidos de temperatura yadem2s los puntos calientes, se debe permitir untiempo considerable de estabilizacin en el lechopara !ue este incremento sea amortiguado, esdecir, hacer un aumento gradual en la composicinde agua.

?tros aspectos considerados en el traba+o de:Ri"era> 6?+@; son la inuencia !ue tiene la presinusada en la desorcin y la relacin de regeneracin,la tendencia es !ue el contenido 4nal de agua

disminuye cuando se reduce la presin de desorciny cuando se aumenta la relacin de regeneracin.&ero tambi6n se estudiaron las tendenciasevaluando relaciones deK presin de desorcin ypresin de desorcin, y relacin de regeneracin ypresin de desorcin. 5n este caso el contenido deagua es menor cuando la relacin de presionestiende a cero y cuando la relacin entreregeneracin y presin aumenta. Claramente, estosa+ustes se traducen en costos adicionales !ue sedeben evaluar a la hora de optimizar, como lo son lae)igencia de compresor o de vac7o.

5l cat2logo de :U&3> 6??; sugiere iniciar laoperacin con un inerte e ir aumentando la

composicin de agua, en este caso usandonitrgeno, pero :Ri"era> 6?+@; propone hacer ladilucin con etanol anh7drido, pues este es elproducto 4nal y no se incurrir7a en un costoadicional, dando as7 un modelo auto sostenible. 5ldiagrama de proceso de este sistema se presentaen la igura ;>.

#!$ura 1). Esue&a %ro%uesto %ara el arranue del%roeso de adsor!"n. #uente *R!vera+ '(1,+ %. 11(-

&ara la seccin de la simulacin respecto a lapresurizacin y despresurizacin los per4les depresin y de u+o se calcularon por el modeloplanteado a lo largo de este art7culo dando comoresultados la igura ;


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despresurizacin de acuerdo al modelo empleado,la intencin de esto es realizar la comparacin entrelas iguras ;>F8 Departamento de Ingenier0a Qu0mica y

Ambienta, ;@A.Duthven, H. ";=8A. &rinciples of adsorptiona and adsorptionprocess. New Por'K Viley.

#arma, &., L Jaynes, J. V. ";=@3. $ model for the applicationof gas chromatography to measurements of di(usionin bidisperse stuctured catalysts. $Ch5 Sounal.

#eader, S. H., L Jenley, 5. S . "9::


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#imo, E., 1rown, C., L Jlavace', G. "9::8. #imulation of

pressure swing adsorption in fuel ethanol productionprocess.

0?&. "9::=. 4anding o8 2eoite moecuar #ie"e ad#orbent# in proce## unit#!

Pang, D. "9::3. Ad#orbent# 8undamenta# and appication#! "X ed.. N.S. Jobo'enK VileyFnterscience.

TRANSFERENCIA DE MASA – LEA EN LA UN ;3

Deshidratación de etanol azeotrópico por adsorcion

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